張雪芬

（閩晟集團(tuán)城建發(fā)展有限公司，福建 三明 365001）

市政給排水工程在城市建設(shè)中具有重要作用，其中頂管施工技術(shù)是一種常見的施工方法。頂管施工技術(shù)是一種在地表不開挖溝槽的情況下，利用特殊設(shè)備和技術(shù)在地下施工新管線或者更換、修復(fù)舊管線的工程技術(shù)。該文以某工業(yè)區(qū)的排洪涵工程為例，從工程力學(xué)的視角探討了頂管施工技術(shù)在市政給排水工程中的應(yīng)用，為頂管施工技術(shù)的具體應(yīng)用提供參考與示范。

1 某工業(yè)區(qū)的排洪涵工程的背景和需求

某工業(yè)區(qū)的排洪涵工程目標(biāo)是改善該工業(yè)區(qū)的排水系統(tǒng)，以確保其在暴雨等惡劣天氣條件下的排水能力。該工程包括3 個路段，總長1662m，路面寬14m。施工路面面積約為23268m2。其中，規(guī)劃5 路南北路段長約719m，東西路段長約573m，公園及1 號綜合樓南側(cè)路段長約370m。工程內(nèi)容涵蓋道路基層、路基結(jié)構(gòu)、路面鋪設(shè)、雨污排水管網(wǎng)及檢查井、電纜溝及管件預(yù)埋等。該工程的建設(shè)旨在提高排水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和排水效率，從而保證工業(yè)區(qū)的正常運(yùn)行和生產(chǎn)活動的順利進(jìn)行。

2 頂管施工技術(shù)的力學(xué)原理和設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 頂管施工的力學(xué)基礎(chǔ)

2.1.1 土體力學(xué)和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

土體力學(xué)和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是頂管施工技術(shù)的力學(xué)基礎(chǔ)。在頂管施工過程中，土體力學(xué)的理論和方法應(yīng)用非常廣泛，用于確定土體的力學(xué)性質(zhì)和行為，從而確保施工的安全性和穩(wěn)定性。

首先，土體力學(xué)用于確定土體的強(qiáng)度和剛度特性。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以確定土體的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)以及土體的彈性模量和泊松比等剛度參數(shù)。這些參數(shù)的確定對頂管施工的穩(wěn)定性和承載能力非常重要，可以為支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。其次，土體力學(xué)用于分析土體的變形特性和固結(jié)沉降情況。在頂管施工過程中，土體會發(fā)生一定的變形和沉降。土體力學(xué)可以提供土體的壓縮特性和變形參數(shù)，幫助設(shè)計(jì)者預(yù)測土體的變形情況，并進(jìn)行合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以確保頂管施工的安全性。

2.1.2 頂管強(qiáng)度和穩(wěn)定性的計(jì)算

頂管強(qiáng)度和穩(wěn)定性的計(jì)算是頂管施工技術(shù)的重要。在頂管施工過程中，為了確保頂管的承載能力和穩(wěn)定性，需要進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)計(jì)算和分析。

首先，需要計(jì)算頂管的強(qiáng)度。頂管受土體的垂直荷載和水平荷載的作用，其強(qiáng)度計(jì)算可采用彈性理論和斷裂力學(xué)原理。以頂管在垂直荷載作用下的強(qiáng)度計(jì)算為例，所使用的彎曲應(yīng)力計(jì)算公式如公式（1）所示。

式中：σ為頂管的彎曲應(yīng)力；M為頂管截面內(nèi)的彎矩；y為頂管的受力點(diǎn)到截面重心的距離；I為頂管的慣性矩。

通過彎矩和慣性矩的數(shù)值可以計(jì)算出頂管的彎曲應(yīng)力。

其次，需要考慮頂管的穩(wěn)定性。在施工和使用過程中，頂管可能會受水平荷載的作用，如土體的側(cè)壓和地震力等。為了保證頂管的穩(wěn)定性，需要進(jìn)行抗滑和抗傾覆的計(jì)算。以頂管在側(cè)壓力作用下的穩(wěn)定性計(jì)算為例，所使用的抗滑穩(wěn)定公式如公式（2）所示。

式中：F為頂管所受的滑動力；μ為土體與頂管間的摩擦系數(shù)；W為土體的垂直荷載。

通過確定相應(yīng)的參數(shù)值，可以計(jì)算出滑動力的數(shù)值，從而評估頂管的抗滑穩(wěn)定性。

2.2 頂管施工的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.2.1 基礎(chǔ)處理和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

頂管施工前需要進(jìn)行基礎(chǔ)處理，以提供一個穩(wěn)固的施工平臺，并確保施工的安全性。

首先，對施工區(qū)域的地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查和分析。通過地質(zhì)勘探了解地層的性質(zhì)、分布和變化，確定土壤和巖石的力學(xué)特性?；诘刭|(zhì)勘探的結(jié)果，判斷土壤的承載能力、變形特性和泉水情況等，為基礎(chǔ)處理提供依據(jù)。其次，對基礎(chǔ)進(jìn)行處理，包括土體加固和地基處理。對于較弱的土壤層，可以進(jìn)行土體加固，采用加固槽或灌漿注漿等技術(shù)，增加土壤的承載能力和穩(wěn)定性；對于較深的基礎(chǔ)層，可以進(jìn)行地基處理，如加固樁或排漿技術(shù)，以減少地基沉降和變形的風(fēng)險[1]。

同時，在頂管施工中，需要設(shè)計(jì)合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)，以確保施工過程的安全穩(wěn)定。常見的支護(hù)結(jié)構(gòu)包括埋地錨桿、擋土墻和鋼支撐等。設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)時，需要考慮土壤的力學(xué)性質(zhì)、變形特性以及頂管的受力情況和施工工藝。合理選擇支護(hù)結(jié)構(gòu)的類型、布置和材料，在最大程度上確保頂管的安全性。

2.2.2 頂管的材料選擇和尺寸設(shè)計(jì)

選擇頂管材料時，需要考慮其材料特性、強(qiáng)度、耐久性以及施工和使用條件等因素。

首先，頂管的材料應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度和耐久性。常見的頂管材料包括鋼管、鋼筋混凝土管和聚乙烯管等。對于較大荷載和復(fù)雜地質(zhì)條件下的工程，一般選擇鋼管或鋼筋混凝土管，以滿足其抗彎、抗壓和抗拉的強(qiáng)度要求；對于較小荷載和較簡單地質(zhì)條件下的工程，可以選擇具有較好耐腐蝕性和較低施工成本的聚乙烯管。

其次，頂管的尺寸設(shè)計(jì)需要根據(jù)工程要求和力學(xué)原理進(jìn)行計(jì)算。以鋼管為例，常見的尺寸參數(shù)有外徑、壁厚和長度等[2]。其中，在設(shè)計(jì)過程中需要考慮頂管的承載能力、剛度和變形情況。根據(jù)彈性力學(xué)理論，頂管的撓度計(jì)算如公式（3）所示。

式中：δ為頂管的撓度；q為頂管所受的荷載；L為頂管的長度；E為頂管材料的彈性模量；I為頂管截面的慣性矩。

通過確定相應(yīng)的參數(shù)值，可以計(jì)算出頂管的撓度。

最后，在頂管尺寸設(shè)計(jì)過程中還需要考慮施工和維護(hù)的便利性和經(jīng)濟(jì)性等方面。選擇的尺寸既要滿足工程要求，又要兼顧施工和維護(hù)的方便性，并進(jìn)行材料和施工成本的綜合考慮。

2.2.3 頂管埋深和斜度的確定

埋深和斜度的合理選擇可以保證頂管的排水效果和施工質(zhì)量。首先，頂管埋深的確定需要考慮排水要求、地下設(shè)施的位置和土壤的穩(wěn)定性等因素。一般而言，較高的埋深可以增加排水效果，但同時也增加了施工難度和成本。根據(jù)合適的水力理論和工程實(shí)踐，可以確定合理的埋深。其次，頂管斜度的確定對排水效果至關(guān)重要。斜度的選擇應(yīng)滿足排水的流速要求，以防止漏水和積水[3]。根據(jù)流體力學(xué)原理，頂管斜度的計(jì)算如公式（4）所示。

式中：S為頂管的斜度；i為頂管的下降高度；L為頂管的水平長度。

通過確定合適的下降高度和水平長度，可以計(jì)算出合理的斜度。

此外，根據(jù)工程實(shí)踐，頂管的斜度一般為0.5‰～1‰，以確保頂管的排水能力和穩(wěn)定性。同時，在設(shè)計(jì)過程中還需要考慮頂管的材料特性和施工條件等因素。

3 某工業(yè)區(qū)的排洪涵工程中的頂管施工技術(shù)應(yīng)用

3.1 工程實(shí)現(xiàn)方案和特點(diǎn)

根據(jù)工程的需求和地質(zhì)條件，選擇鋼筋混凝土頂管作為施工材料。鋼筋混凝土頂管具有強(qiáng)度高、耐久性好以及抗腐蝕能力較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足工程的需求并保證施工質(zhì)量。再根據(jù)地質(zhì)勘探和工程要求，制定合理的基礎(chǔ)處理方案。通過土壤加固和地基處理等措施，提高了施工平臺的穩(wěn)定性，并確保了施工的安全性。

此外，根據(jù)工程要求和水流特點(diǎn)，采取適當(dāng)?shù)捻敼苈裆詈托倍取Ｍㄟ^合理控制埋深和斜度，保證了頂管的排水效果和穩(wěn)定性，提高了工程的運(yùn)行效率。

3.2 頂管施工技術(shù)的應(yīng)用和效果分析

3.2.1 頂管施工中的土體力學(xué)和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在頂管施工技術(shù)的應(yīng)用和效果分析中，土體力學(xué)和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有至關(guān)重要的作用。土體力學(xué)方面的分析和設(shè)計(jì)主要是為了確定土體的力學(xué)性質(zhì)，包括抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和彈性模量等參數(shù)。通過地質(zhì)勘探和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以得出土體力學(xué)參數(shù)的具體數(shù)值。假設(shè)頂管的直徑為D，壁厚為t，材料的強(qiáng)度為σ，頂管所受的垂直荷載為q，頂管截面內(nèi)的最大彎曲應(yīng)力σmax的計(jì)算如公式（5）所示。

公式（5）可以用來驗(yàn)證頂管的強(qiáng)度是否滿足施工要求，確保頂管的安全性。根據(jù)頂管截面的形狀，還可以計(jì)算出截面的慣性矩I，并進(jìn)一步評估頂管的強(qiáng)度。

在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，主要考慮土體的穩(wěn)定性和變形情況，以確保頂管施工的安全和穩(wěn)定。一種常用的支護(hù)結(jié)構(gòu)是埋地錨桿和擋土墻。以埋地錨桿為例，假設(shè)土體的表面傾角為α，土體的密度為γ，埋地錨桿的直徑為d，錨桿埋深為L，錨桿所受的表面土壓力Pa如公式（6）所示。

公式（6）有助于評估支護(hù)的效果，并進(jìn)行合理的施工設(shè)計(jì)。通過計(jì)算土壓力分布和埋地錨桿的受力情況，可以進(jìn)一步評估支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

綜上所述，通過分析土體的力學(xué)性質(zhì)并設(shè)計(jì)合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)，可以確保頂管施工的安全和穩(wěn)定。例如在某工業(yè)區(qū)的排洪涵工程中，如果假設(shè)頂管的直徑為1.5m，壁厚為0.15m，根據(jù)工程要求，頂管所受的垂直荷載為20kN/m2，經(jīng)計(jì)算可得頂管截面內(nèi)的最大彎曲應(yīng)力為200kPa，遠(yuǎn)小于鋼材的強(qiáng)度。上述土體力學(xué)分析和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠?yàn)轫敼苁┕ぬ峁┯行У募夹g(shù)支持，從而確保施工過程的順利進(jìn)行，保障工程的安全性和可靠性。

3.2.2 頂管施工中的材料選擇和尺寸設(shè)計(jì)

頂管施工中的材料選擇和尺寸設(shè)計(jì)是確保施工順利進(jìn)行和確保工程質(zhì)量的重要因素。在材料選擇方面，根據(jù)工程要求和地質(zhì)條件，一般選擇具有良好強(qiáng)度和耐久性的鋼筋混凝土為頂管的材料。鋼筋混凝土頂管具有較高的抗彎能力和抗壓能力，可承受各種荷載和地質(zhì)條件下的頂管施工?；炷翉?qiáng)度是材料選擇的一個重要指標(biāo)，在材料選擇過程中，需要考慮工程的具體要求和可行性[4]。在尺寸設(shè)計(jì)方面，合理確定頂管的尺寸是頂管施工的關(guān)鍵。尺寸設(shè)計(jì)需要考慮工程要求、施工條件和荷載情況等因素。一般來說，頂管的直徑和壁厚是尺寸設(shè)計(jì)的主要參數(shù)。根據(jù)工程要求和力學(xué)原理，通過計(jì)算可得出頂管截面的慣性矩I。以頂管的直徑D和壁厚t為例，頂管的慣性矩I的計(jì)算如公式（7）所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求和計(jì)算公式，可以確定頂管的合理尺寸，以滿足施工和使用需要。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)工程要求和實(shí)際情況，能夠綜合考慮施工條件、荷載情況和經(jīng)濟(jì)性等因素，確定最佳的頂管尺寸。

通過材料選擇和尺寸設(shè)計(jì)，能夠確保頂管的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。假設(shè)頂管材料的抗壓強(qiáng)度Fc為25MPa，根據(jù)工程要求，頂管的最大彎曲應(yīng)力σmax應(yīng)小于抗壓強(qiáng)度的一半，即σmax＜12.5MPa。通過實(shí)際計(jì)算可得最大彎曲應(yīng)力遠(yuǎn)小于12.5MPa，滿足工程強(qiáng)度要求，表明頂管的尺寸設(shè)計(jì)是合理的。

綜上所述，材料選擇和尺寸設(shè)計(jì)是確保頂管施工安全和工程質(zhì)量的關(guān)鍵因素。通過選擇適合的材料并進(jìn)行合理的尺寸設(shè)計(jì)，能夠保證頂管的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，確保頂管施工的安全和可靠。在實(shí)際工程中，需要根據(jù)具體地質(zhì)條件和工程要求，科學(xué)合理地進(jìn)行材料選擇和尺寸設(shè)計(jì)，以滿足工程的實(shí)際需要。

3.2.3 頂管施工中頂管埋深和斜度設(shè)計(jì)

在頂管施工中，頂管的埋深和斜度設(shè)計(jì)是非常重要的。埋深的設(shè)計(jì)涉及排水要求和地下設(shè)施的位置，需要綜合考慮多個因素進(jìn)行合理選擇。根據(jù)工程要求和地質(zhì)條件，結(jié)合地下水位和土壤滲透性等因素，可以選擇合適的頂管埋深。以工程要求的最小埋深為d，地下水位為W，頂管埋深計(jì)算如公式（8）所示。

通過采集和分析具體地質(zhì)實(shí)測數(shù)據(jù)，可以得到合理的埋深數(shù)值，以確保頂管的排水效果和穩(wěn)定性。在不同地質(zhì)條件下，埋深的計(jì)算和設(shè)計(jì)會有所不同，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。

頂管的斜度設(shè)計(jì)主要考慮排水要求和流體力學(xué)原理。合理選擇頂管的斜度可以滿足排水的流速要求，防止積水和堵塞。根據(jù)流體力學(xué)原理，頂管斜度計(jì)算如公式（9）所示。

式中：S為頂管的斜度；Q為頂管中的排水流量；L為頂管的水平長度；A為頂管的橫截面積；i為設(shè)計(jì)的流速。

通過確定相應(yīng)的參數(shù)值，可以得出合理的斜度數(shù)值。在斜度設(shè)計(jì)過程中，需要考慮排水流速、流量和頂管的尺寸等因素，以確保排水的順暢性。

例如，假設(shè)頂管的設(shè)計(jì)流量Q為100m3/h，頂管的水平長度L為50m，頂管的橫截面積A為1m2（假設(shè)頂管的直徑為1m），設(shè)計(jì)的流速i為0.2m/s。根據(jù)上述公式，可計(jì)算出合理的斜度S為0.4‰。該數(shù)值意味著在每水平千米的水平距離上，頂管的高度變化為0.4m。

該示例可以闡明頂管施工中頂管埋深和斜度設(shè)計(jì)的重要性和應(yīng)用效果。對于頂管的埋深設(shè)計(jì)，合理選擇埋深是確保排水效果和工程穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。在該示例中，根據(jù)工程要求和地質(zhì)條件，確定了最小埋深d，并結(jié)合地下水位W計(jì)算出頂管的實(shí)際埋深h。通過合理的埋深設(shè)計(jì)，可以保證頂管在地下水位和土壤滲透性條件下具有良好的排水效果和穩(wěn)定性。

在頂管施工中，合理選擇頂管的斜度也是十分關(guān)鍵的。斜度是指頂管在水平距離上的高度變化，它將直接影響排水速度和流動性能。在該示例中，根據(jù)流體力學(xué)原理，通過給定的參數(shù)可計(jì)算出合理的斜度S。理論上，該斜度可以保證頂管內(nèi)的排水流速滿足設(shè)計(jì)要求，避免水流的積存和堵塞，確保排水的順暢性。

通過上述案例分析，可以看出頂管施工中頂管埋深和斜度設(shè)計(jì)對工程的重要性。合理選擇頂管的埋深和斜度，能夠確保頂管的排水效果、穩(wěn)定性和工程質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮工程要求、地理?xiàng)l件、土壤滲透性和流體力學(xué)原理等因素，并結(jié)合實(shí)測和實(shí)踐，不斷調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。只有在合理的埋深和斜度設(shè)計(jì)下，頂管施工才能得到有效實(shí)施，并達(dá)到預(yù)期的工程效果[5]。

4 結(jié)論

在某工業(yè)區(qū)的排洪涵工程中，頂管施工技術(shù)的應(yīng)用取得了良好的效果。隨著城市化進(jìn)程的加快，給排水工程對高效、節(jié)能和環(huán)保的施工技術(shù)提出了更高的要求。頂管施工技術(shù)具有施工進(jìn)度快、對地面活動影響小等優(yōu)勢，能夠更好地滿足城市給排水系統(tǒng)的建設(shè)和維護(hù)需求。在未來的發(fā)展中，頂管施工技術(shù)有望進(jìn)一步優(yōu)化和創(chuàng)新，通過引入新材料、新工藝和自動化技術(shù)，提高施工效率，降低施工成本，并提高給排水系統(tǒng)的性能和可持續(xù)發(fā)展能力。