肖志軍，張亮亮，曹 波，羅 彥

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510663）

頂管工藝的首次應(yīng)用可以追溯到1896 年美國(guó)的一項(xiàng)鐵路工程[1]，二十世紀(jì)50年代引入中國(guó)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，廣泛應(yīng)用于電力、油氣、水利等管道的鋪設(shè)[2-9]。在電纜線路工程中，頂管工藝廣泛應(yīng)用于電纜隧道以及非開挖穿越工程。近年來(lái)，在頂管工藝的實(shí)踐逐步取得突破，頂管的穿越長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)，超長(zhǎng)距離頂管的代表性工程越來(lái)越多。

學(xué)者們針對(duì)頂管頂力的計(jì)算方法進(jìn)行了大量研究。陳孝湘等[10]對(duì)廈門翔安某海底綜合管廊工程管實(shí)測(cè)頂力進(jìn)行分析，該工程采用內(nèi)徑3.0 m混凝土管，單次頂進(jìn)982 m，穿越土層為粗砂，粉質(zhì)黏土，殘積砂質(zhì)黏性土，研究得出管壁與土的平均摩阻力fk取值比CECS 246—2008《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》要求低[11]，全程在3 kPa 以下。向安田等[12]調(diào)查了6 個(gè)典型工程的管壁平均摩阻力情況，并研究了上海某曲線頂管工程的實(shí)測(cè)頂力，該工程采用內(nèi)徑2.7 m的混凝土管，單次頂進(jìn)550 m，穿越土層為淤泥質(zhì)黏土層和粉質(zhì)黏土層。研究得出頂力呈全程劇烈震蕩上升的特點(diǎn)，在早期的高位震蕩后，平均摩阻力快速減少，最后穩(wěn)定在1.0 kPa左右。林國(guó)新[13]對(duì)福州市某110 kV 電纜線路工程實(shí)測(cè)頂力進(jìn)行分析，該工程采用內(nèi)徑2.4 m混凝土管，一次頂進(jìn)625 m，穿越土層為淤泥和淤泥質(zhì)土層，研究認(rèn)為實(shí)測(cè)頂力遠(yuǎn)小于規(guī)程建議下限值[11]，可以合理減少中繼間數(shù)量。

上述研究針對(duì)頂管頂力的計(jì)算方法進(jìn)行了大量研究，結(jié)合工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為規(guī)范給出的平均摩阻力建議值考慮的因素眾多，取值區(qū)間較大，對(duì)超長(zhǎng)距離頂管的頂力估算影響較大。本文針對(duì)珠海某220 kV 電纜線路穿越馬騮洲水道頂管工程進(jìn)行研究分析，單次頂進(jìn)1022 m，從設(shè)計(jì)角度重點(diǎn)討論實(shí)測(cè)頂力變化情況，中繼間設(shè)置及使用情況，為今后類似超長(zhǎng)距離頂管工程設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 摩阻力計(jì)算模型

根據(jù)CECS 246—2008，將一次連續(xù)頂進(jìn)長(zhǎng)度1000 m 以上并設(shè)置中繼間的頂管定義為超長(zhǎng)距離頂管。超長(zhǎng)距離頂管的代表性工程見表1[14-15]。

表1 超長(zhǎng)距離代表性頂管工程Tab.1 Representative pipe jacking projects for ultra-long distances

在超長(zhǎng)距離頂管工程設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵步驟是頂力估算及中繼間設(shè)置。頂力主要由頂管機(jī)迎面阻力以及管道外壁摩阻力組成。在超長(zhǎng)距離頂管工程中，頂管機(jī)的迎面阻力所占比例極小，主要是管道外壁的摩阻力。對(duì)于摩阻力計(jì)算模型的研究目前主要有以下3種：

（1）管土摩阻力，規(guī)程CECS 246—2008、GB 50268—2008《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》[16]、廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T 15-106—2015《頂管技術(shù)規(guī)程》[17]以及日本的《推進(jìn)工法體系》[18]均認(rèn)為管道與土體完全接觸，不同的地層摩阻力不同。

（2）管漿摩阻力f，王雙[19]等研究得出長(zhǎng)距離頂管施工通過(guò)配合觸變泥漿以形成泥漿套來(lái)減小阻力，結(jié)合半無(wú)限彈性體中圓柱孔擴(kuò)張理論分析注漿壓力和泥漿套范圍的相關(guān)性，同時(shí)運(yùn)用非線性流體力學(xué)得出泥漿與管壁接觸產(chǎn)生的阻力。GB 50268—2008 在備注中指出，當(dāng)觸變泥漿技術(shù)成熟可靠，管外壁能形成和保持穩(wěn)定、連續(xù)的泥漿套時(shí)，f值可直接取3.0～5.0 kPa。

（3）管土+管漿摩阻力同時(shí)考慮：假定孔壁穩(wěn)定，管片的小部分與土體存在接觸，該計(jì)算方法的關(guān)鍵是管土和管漿接觸面積的劃分，Khazaei等[20]采用Hezrt彈性接觸理論研究管土和管漿接觸寬度，同時(shí)考慮兩界面的摩擦特性，最終獲得管道摩阻力。張鵬等[21]在Persson 接觸模型基礎(chǔ)上總結(jié)出管土接觸范圍和接觸壓力的分布規(guī)律，最終得到考慮管漿摩阻力的直線頂管頂進(jìn)阻力公式。

2 頂力估算方法

2.1 國(guó)內(nèi)規(guī)范方法

目前國(guó)內(nèi)頂力的估算方法已很成熟，CECS 246—2008、GB 50268—2008 和DBJ/T 15-106—2015均采用相同的估算方法，具體如式（1）所示：

式中：Fp—頂進(jìn)阻力；

D0—管道外徑；

L—管道頂井長(zhǎng)度；

fk—管道外壁與土接觸單位面積平均摩阻力；

NF—頂管機(jī)的迎面阻力。

對(duì)于目前市場(chǎng)上常用的土壓平衡或泥水平衡頂管機(jī)，迎面阻力即為頂管機(jī)前方的控制土壓力。采用式（2）計(jì)算：

式中：Dg為頂管機(jī)外徑；γ為土體重度；HS為頂管中心的深度。

考慮整個(gè)覆蓋層厚度的土重力均作用于頂管機(jī)前方的情況，設(shè)計(jì)值較為保守，但對(duì)于超長(zhǎng)距離頂管，頂管機(jī)的迎面阻力所占比例極小，主要是管道外壁的摩阻力。

2.2 日本JMTA頂進(jìn)力計(jì)算方法

日本推進(jìn)技術(shù)協(xié)會(huì)（JMTA）出版的《推進(jìn)工法體系》認(rèn)為頂管設(shè)備在掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)周邊土體擾動(dòng)大，管道周邊一定區(qū)域會(huì)出現(xiàn)塌落拱，管道與塌落土體摩擦形成阻力。作用于管片上的土壓力模型采用修正Terzaghi模型計(jì)算，具體如圖1所示。

圖1 修正的Terzaghi土壓力模型Fig.1 Modified Terzaghi soil pressure model

（1）管道上的平均土壓力q：

式中：K0為土體側(cè)壓力系數(shù)，塌落狀態(tài)取1.0；p0為地表荷載，可取10 kPa；R0為隧洞半徑，取管道外徑Rp+0.04 m。

（2）頂管直線段管片外表面單位面積摩擦力f1：

式中：Dp—管片外徑；

w—單位長(zhǎng)度管片質(zhì)量；

μs—內(nèi)摩擦角參數(shù)；

Cs—管片與穿越地層接觸面上的黏聚力。

同時(shí)，《推進(jìn)工法體系》給出了各種穿越地層的摩擦力參數(shù)，如表2所示。

表2 各種地層摩擦力參數(shù)Tab.2 Various formation friction parameters

（3）頂管機(jī)刀盤推進(jìn)阻力F0。地下工程中，泥水平衡類掘進(jìn)設(shè)備前方壓力是最大的，所以文獻(xiàn)[16]中采用泥水平衡頂管機(jī)刀盤推進(jìn)阻力計(jì)算，給出了兩種計(jì)算方法，如式（7）、式（8）所示：

式中：Dt—刀盤外徑；

N—土體貫入度；

pm—刀盤前方泥漿壓力，取埋深地下水壓力+20 kPa；

ps—刀盤掘進(jìn)阻力，其取值如表3所示。

表3 刀盤掘進(jìn)時(shí)的阻力取值Tab.3 Resistance value of cutterhead driving

（4）總頂力F計(jì)算公式：

式中：fi為穿越地層管片外表面單位面積摩擦力；Li為穿越相應(yīng)地層的長(zhǎng)度；z為按不同地質(zhì)類型劃分的頂管區(qū)段總數(shù)量；i為第i個(gè)計(jì)算位置。

2.3 管土部分接觸頂進(jìn)力公式

頂管掘進(jìn)機(jī)刀盤外徑往往會(huì)大于敷設(shè)管片外徑100 mm 左右，導(dǎo)致管道與開挖孔洞間存在間隙，現(xiàn)代頂管工程中應(yīng)用大量觸變減阻泥漿來(lái)填充這些間隙，泥漿同時(shí)會(huì)向周邊地層滲透。頂管掘進(jìn)機(jī)開挖的孔洞在管片和泥漿的相互作用下保持穩(wěn)定。管片與穩(wěn)定孔洞壁在重力和浮力的作用下只有部分接觸，接觸寬度如圖2中B所示，圖中Fvb為管片受力。

圖2 管土部分接觸示意圖Fig.2 Schematic diagram of the contact between pipe and soil

Haslem[22]采用圓柱孔內(nèi)圓柱體的接觸模型簡(jiǎn)化頂管管壁與孔壁接觸問題，基于Herzt彈性接觸理論求解如下：

式中：Pu—管道單位長(zhǎng)度上的接觸力；

Es、Ep—土體、管片的彈性模量；

vs、vp—土體、管片泊松比；

kd、Ce—計(jì)算參數(shù)。

頂管機(jī)刀盤推進(jìn)阻力F0按照2.2 節(jié)方法計(jì)算，管漿接觸面上單位面積的摩擦力取0.3～0.5 kPa。管土接觸面上單位面積的摩擦力可以根據(jù)日本JMTA頂進(jìn)力計(jì)算方法計(jì)算。也可以考慮管片的受力情況Fvb在孔壁穩(wěn)定條件下，不同管土接觸界面的動(dòng)摩擦和靜摩擦系數(shù)，Stein總結(jié)了相關(guān)系數(shù)如表4所示。

表4 不同管土接觸界面的摩擦系數(shù)Tab.4 Friction coefficient of different pipe soil contact interfaces

頂力計(jì)算公式如式（13）所示：

式中：Bi為計(jì)算位置的頂管管壁與孔壁接觸寬度；Li為對(duì)應(yīng)頂管接觸長(zhǎng)度；fmi為管漿接觸面上單位面積的摩擦力；fsi為管土接觸面上單位面積的摩擦力。

2.4 中繼間的設(shè)置

中繼間的設(shè)置應(yīng)根據(jù)估算總頂力值、管材及工作井允許頂力、中繼間總頂力、主頂總頂力等各種因素確定。GB 50268—2008 要求一次頂進(jìn)距離大于100 m 應(yīng)采用中繼間技術(shù)。中繼間的設(shè)置數(shù)量n按式（14）估算：

式中：f0為中繼間的允許頂力值。

中繼間設(shè)置間距按式（15）估算：

其中，計(jì)算參數(shù)kd取值為0.5～0.6，即一個(gè)中繼間的總頂力僅考慮一半左右發(fā)揮作用；F1為中繼間的控制頂力。

近年來(lái)，“生態(tài)文明”“生態(tài)紅線”“舌尖上的安全”“糧食安全”“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”等一系列國(guó)家政策出臺(tái)，給腐植酸產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了無(wú)限寬廣的發(fā)展空間。2014年6月5日，“讓腐植酸水溶肥普惠全人類”的8個(gè)科學(xué)故事，首次在聯(lián)合國(guó)“農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展論壇”上唱響，腐植酸普利惠民新產(chǎn)業(yè)展現(xiàn)出的成就，讓世界為之喝彩，讓中國(guó)人為之驕傲，讓“腐植酸人”為之自豪。對(duì)此，2014年，協(xié)會(huì)將組織召開“2014土壤生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展論壇暨第十二屆全國(guó)綠色環(huán)保肥料(農(nóng)藥) 新技術(shù)、新產(chǎn)品交流會(huì)”，希望全行業(yè)“腐植酸人”積極參與，共同推動(dòng)腐植酸綠色環(huán)保新農(nóng)資產(chǎn)品在美化地球大家園中發(fā)揮更大的作用?，F(xiàn)將征文范圍和要求編發(fā)如下。

2.5 工程概況與頂力估算

珠海某220 kV 電纜線路工程穿越馬騮洲水道頂管工程，馬騮洲水道為國(guó)家一級(jí)航道，水面寬闊，水深大，本段頂管單次頂進(jìn)1022 m，采用2.2 m內(nèi)徑的鋼筋混凝土管，管材采用C50高性能防腐混凝土，平均覆土厚度約為23 m，平面及縱斷面上均設(shè)計(jì)為直線頂進(jìn)，穿越地層及管壁單位面積平均摩阻力取值見表5，縱斷面圖見圖3。

圖3 頂管穿越地層縱斷面圖Fig.3 Vertical section of pipe jacking crossing stratum

表5 頂管穿越地層信息Tab.5 Information of pipe jacking crossing stratum

結(jié)合各種計(jì)算方法，統(tǒng)計(jì)不同土層穿越長(zhǎng)度相關(guān)計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。各個(gè)不同地層單位面積平均摩阻力如表7所示。

表6 頂力計(jì)算結(jié)果Tab.6 Calculation results of jacking force estimation

表7 單位面積摩阻力計(jì)算結(jié)果Tab.7 Calculation results of frictional resistance per unit area kPa

根據(jù)表7 計(jì)算結(jié)果，頂管機(jī)迎面阻力在頂進(jìn)總阻力中占比極小，頂進(jìn)摩阻力對(duì)頂進(jìn)總阻力的控制至關(guān)重要，本工程始發(fā)井主頂配置1個(gè)16 000 kN允許頂力的主頂，5 個(gè)10 000 kN 允許頂力的中繼間，按以往工程經(jīng)驗(yàn)以及工程地質(zhì)條件，穿越地層局部在中密的粗砂層中，摩阻力較大，所以在頂管機(jī)頭后方50 m 位置設(shè)置第1 個(gè)中繼間，5 個(gè)中繼間的布置方案見表8。

表8 中繼間布置方案Tab.8 Layout scheme of relay room

3 頂力實(shí)測(cè)與分析

本工程單次頂進(jìn)1022 m，為超長(zhǎng)距離頂管工程，選用了德國(guó)海瑞克的AVN2200AC 泥水平衡頂管機(jī)，頂管機(jī)后設(shè)置氣壓艙。頂進(jìn)過(guò)程中充分使用觸變泥漿減阻技術(shù)，對(duì)于頂管機(jī)后200 m 范圍的管材，每節(jié)2.5 m長(zhǎng)管材均進(jìn)行4路注漿，再往后每2節(jié)管材進(jìn)行4 路注漿減阻，歷時(shí)100 天完成了全線1022 m頂進(jìn)。頂進(jìn)過(guò)程非常順利，全程對(duì)頂力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，各方法估算頂力與實(shí)測(cè)頂力對(duì)比曲線情況如圖4所示。

圖4 估算頂力與實(shí)測(cè)頂力對(duì)比曲線Fig.4 Comparison curve between estimated and measured jacking force

從圖4 可以看出，實(shí)測(cè)頂力在整個(gè)頂進(jìn)過(guò)程中控制得非常好，總頂力上升極為緩慢，證明觸變泥漿注漿后減阻效果非常好。正常頂進(jìn)過(guò)程中，隨著頂進(jìn)長(zhǎng)度的增加，實(shí)測(cè)頂力與管土、管漿共同作用估算頂力一致，與GB 50268—2008、日本JMTA的頂力估算值相差較大。連續(xù)頂進(jìn)過(guò)程中，全程沒有啟動(dòng)中繼間，頂管工作順利且高效。但到最終1022 m接收井位置時(shí)，接收井的接收工作沒有做到無(wú)縫對(duì)接，導(dǎo)致頂管在接收井位置停止頂進(jìn)48 h。當(dāng)再次頂進(jìn)時(shí)，總頂力急劇上升，主頂無(wú)法頂動(dòng)，連續(xù)啟動(dòng)了3組中繼間才實(shí)現(xiàn)重新頂進(jìn)。此時(shí)實(shí)測(cè)頂力非常接近GB 50268—2008估算頂力。以上分析表明，在超長(zhǎng)距離頂管工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，需嚴(yán)格對(duì)穿越地層進(jìn)行分段，為了應(yīng)對(duì)超長(zhǎng)距離頂管作業(yè)過(guò)程中的長(zhǎng)時(shí)間停止頂進(jìn)情況,平均摩阻力可取規(guī)范建議的最低值。計(jì)算方案中需留有足夠的頂力及中繼間安全裕度來(lái)應(yīng)對(duì)各種意外情況。同時(shí)施工過(guò)程需密切配合，對(duì)于超長(zhǎng)距離頂管，其理想狀態(tài)是連續(xù)頂進(jìn)，在其頂進(jìn)至接近甚至超過(guò)1000 m 時(shí)，需嚴(yán)防因意外導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間停止頂進(jìn)的情況發(fā)生。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)頂力，剔除頂管機(jī)迎面阻力后，可以反算出頂進(jìn)過(guò)程中的平均摩阻力，繪制平均摩阻力的估算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線，如圖5所示。

圖5 平均摩阻力的估算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線Fig.5 Comparison curve between estimated and measured average frictional resistancce

從圖5可以看出，實(shí)測(cè)平均摩阻力在前200 m較大，超過(guò)2 kPa。后續(xù)200～1000 m 的順利連續(xù)頂進(jìn)過(guò)程中，平均摩阻力非常小，均小于2 kPa，且大部分時(shí)間接近1.5 kPa的水平。數(shù)據(jù)曲線在頂進(jìn)650 m位置進(jìn)入粗砂層時(shí)，實(shí)測(cè)平均摩阻力會(huì)有一點(diǎn)小的跳躍變化，但即刻又變得平緩。由圖5可知，超長(zhǎng)距離頂管，觸變泥漿減阻技術(shù)應(yīng)用得當(dāng)，管外壁能形成和保持穩(wěn)定、連續(xù)的泥漿套，頂管頂力估算完全適用管土管漿共同作用模型，可以克服粗砂層原有較大摩阻力的影響。但本工程粗砂層穿越長(zhǎng)達(dá)185 m，平均摩阻力較大，考慮到頂管在砂層停止頂進(jìn)的狀態(tài)，建議第一個(gè)中繼間設(shè)置在頂管機(jī)后方約50 m位置，以防意外停機(jī)而導(dǎo)致重新頂進(jìn)時(shí)，頂力急劇增大的情況。

本工程實(shí)測(cè)頂力反算平均摩阻力數(shù)據(jù)表明，正常頂進(jìn)條件下，全程平均摩阻力可以降低到1 kPa左右的水平，但發(fā)生48 h停止頂進(jìn)后，再次啟動(dòng)時(shí)，全程平均摩阻力急劇增加到4.1 kPa 水平。實(shí)測(cè)總頂力接近GB 50268—2008 規(guī)范方法估算頂力值。目前大部分文獻(xiàn)認(rèn)為普通頂管的管壁單位面積平均摩阻力遠(yuǎn)小于規(guī)范建議值，但對(duì)于超長(zhǎng)距離頂管，頂管距離越長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)越大。建議超長(zhǎng)距離頂管工程嚴(yán)格對(duì)穿越地層進(jìn)行分段，平均摩阻力取規(guī)范建議的最低值以計(jì)算總頂力，再合理配置中繼間。

4 結(jié)論

本文針對(duì)珠海某220 kV 電纜線路工程穿越馬騮洲水道1022 m超長(zhǎng)距離頂管工程進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究各方法頂力估算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比曲線，反算出全線實(shí)測(cè)平均摩阻力的變化情況。根據(jù)設(shè)計(jì)的中繼間設(shè)置方案，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)中繼間實(shí)際使用情況，得出超長(zhǎng)距離頂管工程頂力計(jì)算及中繼間設(shè)置的一些結(jié)論，具體如下。

（1）超長(zhǎng)距離頂管過(guò)程中，在充分應(yīng)用觸變泥漿減阻技術(shù)條件下，連續(xù)頂進(jìn)是超長(zhǎng)距離頂管的理想狀態(tài)；

（2）結(jié)合對(duì)圖4 的分析，頂管頂進(jìn)到接近甚至超過(guò)1000 m時(shí)，需要嚴(yán)防意外導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間停止頂進(jìn)的情況發(fā)生；

（3）結(jié)合對(duì)圖5 的分析，建議超長(zhǎng)距離頂管工程嚴(yán)格對(duì)穿越地層進(jìn)行分段，平均摩阻力取GB 50268 規(guī)范建議的最低值以計(jì)算總頂力，再合理配置中繼間；

（4）針對(duì)本工程超長(zhǎng)距離頂管穿越地層局部為中密的粗砂層中，平均摩阻力較大，建議第一個(gè)中繼間設(shè)置在頂管機(jī)后方約50 m位置，以防意外停機(jī)而導(dǎo)致重新頂進(jìn)時(shí)，頂力急劇增大的情況。