王成

（淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇淮安 223005）

頂管技術(shù)是一種非開挖敷設(shè)管道技術(shù)。該施工方法的原理是：所要頂進的管道在主頂工作站的作用下（有時需要中間站或中繼站輔助），由始發(fā)井始發(fā)，頂進至目標(biāo)井；施工過程中，通過位于第一節(jié)管道的可控頂管機破碎巖土，實現(xiàn)直線或曲線頂進；頂管機的操作和控制可以直接在地下的工作現(xiàn)場由操作人員來完成，巖土的破碎方法可以在工作面上通過手工、機械或者水力的方法進行分步破碎來實現(xiàn)，也可以通過機械全斷面破碎來實現(xiàn)；破碎下來的巖粉或泥土通過壓力墻上的進土口進入頂管機，并通過已鋪設(shè)好的管線運至地表。

頂管施工不需要開挖地面，不破壞地面構(gòu)筑物和地下管線及公路、鐵路、河道；施工周期短，施工對周遭的干擾小。是一種無污染、高效率的施工技術(shù)，相比傳統(tǒng)的溝埋式管線施工方法，可以節(jié)省大量投資和時間。

1 頂管設(shè)計基礎(chǔ)資料

1）地質(zhì)資料。包括沿線的地質(zhì)分層、各層土體物理力學(xué)指標(biāo)、土層地震液化的判別、地下水位、水質(zhì)等；要查清流沙、軟淤土、硬結(jié)石土層等不良土層的分布范圍和特性；查清承壓水的分布和特征值。

2）地形資料。包括頂管穿越范圍內(nèi)的建筑物、鐵路、公路、河、湖的具體位置，分布范圍，查清建筑物以及道路的基礎(chǔ)埋置深度，河（湖）水位及水深特征高程等。

3）地下管線及障礙物資料。查明施工場地和可能受施工影響的區(qū)域，有無已鋪設(shè)的地下管線（包括給排水、燃?xì)狻崃?、工業(yè)等各種管道以及電力和電信電纜），如有，則查明地下管線的平面位置、走向、埋深（或高程）、規(guī)格、性質(zhì)、材質(zhì)等以及每條管線的鋪設(shè)年代和產(chǎn)權(quán)單位。以便保護已有地下管線，防止施工時造成對管線的破壞。

4）流量及水文資料。確定管道在各種工況下的過流流量，上下游水位組合。

2 頂管設(shè)計工作內(nèi)容

2.1 頂管管徑及管材設(shè)計

頂管管徑根據(jù)管道的設(shè)計過流能力確定，管徑不宜太小，較小管徑管內(nèi)操作空間較小，施工較為不便；也不宜太大，較大的管徑要求頂推力大，對頂管設(shè)備的要求比較高。常見的頂管管徑在1～3 m之間。如計算所需的管徑較大，可考慮布置2根或多根管道同時頂進。

頂管常用的管材有鋼筋混凝土管，鋼管和玻璃纖維增強塑料夾砂管。管材的選擇應(yīng)根據(jù)管道用途、管材受力特性、當(dāng)?shù)夭少徎蛑谱鳁l件的具體情況來考慮。

2.2 頂管軸線布置

頂管平面布置包括管軸線平面布置和頂管管位（管線高程）布置。

頂管可以直線頂進，也可以曲線頂進。在滿足工程規(guī)劃的前提下，管軸線的平面布置，應(yīng)考慮兩方面因素，一是不通過活動性地震斷裂帶；二是盡可能在平面上避開地下障礙物。同時頂進的幾根平行管道之間應(yīng)有足夠的凈距。

頂管管位選擇有以下幾方面的因素需要考慮：

1）應(yīng)注意避開地下障礙物。

2）管頂應(yīng)有足夠的覆土厚度，以保證施工時不影響地面建、構(gòu)筑物的安全。

3）應(yīng)注意避開不宜進行頂管施工的土層，盡可能避開對頂管施工有不利影響的流沙、軟淤土、硬結(jié)石土層等不良土層。

4）有承壓水時要分析承壓水對頂管施工的影響。

5）穿越河道時，應(yīng)布置在河床一定深度以下。

2．3 工作井、接收井的布置

在頂管施工中，必須在一次頂進的管道兩端設(shè)置工作井和接收井。工作井是安放所有頂進設(shè)備的場所，也是頂管掘進機或工具管的始發(fā)地，同時又是承受主頂油缸反作用力的構(gòu)筑物。接收井則是接收頂管掘進機或工具管的場所。

工作井和接收井的布置應(yīng)遵循以下幾條原則：

1）一次頂進的長度不宜過長，不應(yīng)超過周邊頂管施工企業(yè)的能力。

2）避免對周圍建、構(gòu)筑物和設(shè)施產(chǎn)生不利影響。

3）要滿足工程地形條件、交通、電力、水利等行業(yè)管理要求等制約因素，對工作井（接收井）布置的限定條件。例如穿越寬闊河道的頂管，工作井的布置不能布置在河道內(nèi)，布置在河堤范圍內(nèi)要得到有關(guān)管理部門的許可……。

4）應(yīng)考慮施工組織的便利，選擇靠近電源、水源，便于運輸、排水的位置等。

5）根據(jù)實際需要和降低施工成本等方面的考慮，選擇頂管的頂進形式（常見的頂進形式可分為單向頂進、雙向?qū)禹斶M、調(diào)頭頂進、多向頂進等幾種）,工作井和接收井根據(jù)確定的頂進形式進行布置。

6）考慮利用管線上其它建筑物的結(jié)構(gòu)，如利用管線上泵站的泵室作為頂管的工作井（接收井）。

2．4 工作井和接收井的結(jié)構(gòu)設(shè)計

工作井形狀一般有矩形、圓形、腰圓形、多邊形等幾種，其中矩形工作井最為常見，較深的工作井也一般采用圓形，且常采用沉井法施工。接收井通常選用矩形或圓形。

工作井（接收井）按其結(jié)構(gòu)可分為鋼筋混凝土井、鋼板樁井、地下連續(xù)墻井等。在土質(zhì)條件好、總頂推力不大和井底不深的情況下，工作井（接收井）可采用水泥攪拌樁臨時支護或放坡開挖式，但需在工作井中需澆筑一堵后座墻。

工作井的控制尺寸包括井的最小長度、最小寬度及井的最小深度，設(shè)計時考慮頂管施工要求，按照頂管的管節(jié)長度、管節(jié)外徑、頂管機尺寸、管底高程等參數(shù)確定。

接收井的控制尺寸包括井的最小長度、最小寬度，設(shè)計時考慮頂管機外徑、長度、頂管機在井內(nèi)拆除和吊裝的需要以及工藝管道連接的要求等有關(guān)參數(shù)確定。

工作井（接收井）的結(jié)構(gòu)計算可根據(jù)井的結(jié)構(gòu)形式，參照有關(guān)的規(guī)范及參考書計算，計算工作井時，需計算頂管施工時頂推力對井身結(jié)構(gòu)的影響。

2．5 頂管的結(jié)構(gòu)計算

頂管的結(jié)構(gòu)計算主要包括下列內(nèi)容：

1）頂推力的估算。計算完成一次頂進過程（從工作井至接收井）所需的最大頂推力。如估算的總頂推力大于管道允許頂力工作井允許頂力時，需設(shè)置中繼間或增加減阻措施。

2）管道允許頂力。計算管頂傳力面允許的最大頂力。

3）管道強度計算。計算管壁截面的最大環(huán)向應(yīng)力、最大縱向應(yīng)力、最大組合應(yīng)力等。計算的應(yīng)力應(yīng)小于有關(guān)規(guī)范規(guī)定的允許值。

4）管壁穩(wěn)定驗算。計算柔性管道（鋼管、玻璃纖維增強塑料夾砂管等）管壁截面失穩(wěn)臨界壓力。計算的臨界壓力應(yīng)小于有關(guān)規(guī)范規(guī)定的允許值。

5）管道豎向變形驗算。計算柔性管道（鋼管、玻璃纖維增強塑料夾砂管等）在地面荷載等豎向荷載作用下產(chǎn)生的最大長期豎向變形，其變形量應(yīng)不影響管道的正常使用。

6）鋼筋混凝土管道裂縫寬度驗算。計算鋼筋混凝土管在長期效應(yīng)作用下，處于大偏心受拉或大偏心受壓狀態(tài)時，最大裂縫寬度，其計算值應(yīng)小于有關(guān)規(guī)范規(guī)定的允許值。

2．6 頂管的施工組織設(shè)計

頂管工程的施工組織設(shè)計，除工程概況、進度計劃、場地布置等常規(guī)內(nèi)容外，還應(yīng)在介紹施工技術(shù)措施文字中，對以下幾方面的情況進行說明：

1）根據(jù)土質(zhì)和地下水位等情況選定頂管機型式（主要有機械式、擠壓式、人工挖掘式、土壓平衡、泥水平衡、氣壓平衡等6種型式）。

2）頂管機進出洞的方法。

3）減少管壁摩阻力的措施和中繼間的布置。4）出泥方法和棄土的處置。5）減少地面沉降的措施。6）工程難點的技術(shù)保障措施和應(yīng)急預(yù)案。

3 優(yōu)化設(shè)計方案

頂管工程的造價由各項目的材料費用、人工費用、施工機械的使用費用等幾部分組成。對工程造價影響較大的主要是管材費用、工作井和接收井建筑安裝費用、施工機械的使用費等幾部分的費用，工程設(shè)計的優(yōu)化也主要體現(xiàn)在這幾方面費用的減少上。在管線總體布置方案確定的情況下，優(yōu)化設(shè)計方案時，可以考對以下幾方面的設(shè)計方案進行比選：

1）在滿足工程設(shè)計要求的前提下，選用市場價格較低的管材。

2）考慮選用管節(jié)長度較短的管材進行施工。選用較短的管材施工，會增加管節(jié)數(shù)量，降低施工效率，但可以減少工作井的尺寸。

3）合理布置頂管的頂進形式，如采用工作井利用效率高的調(diào)頭頂進、多向頂進等方式；有條件的情況下，利用管線上的其它建筑物結(jié)構(gòu)作為工作井（接收井）。

4）合理選擇一次頂進長度。一次頂進長度較長，工作井和接收井的數(shù)量較少，但頂推力較大，施工機械的費用較高；頂進長度較短，工作井和接收井的數(shù)量增加，但頂管的施工難度減小，施工費用降低。