管线穿越建筑物采用预应力钢筒混凝土顶管技术方案可行性分析

张成军

（山西省禹门口水利工程管理局太原030002）

0 引言

禹门口提水东扩工程（一期）输水管线拟定有15处穿越公路顶管（包括县道、省道、国道、高速路，其中一处为连续穿越公路和房屋）和4处穿越铁路顶管。顶管专业性强、施工难度大、周期长、相对投资大，为优化设计，在考察国内类似工程（陕西黑河供水二期工程）并咨询有关单位和专家基础上，提出拟采用带钢筒和承插口的预应力混凝土管道顶管（简称PCCP顶管）方案，并就该方案进行了专题研讨。PCCP顶管与传统顶管加穿管方案相比具有成本低、进度快的优点，对解决管线穿越建筑物具有很强的针对性和优势。鉴于该种顶管在国内应用才刚刚开始，现结合禹门口提水东扩工程顶管方案就其可行性进行分析。

1 管线穿越建筑物的传统方案

1.1 顶进箱涵内穿压力管道方案和顶管内穿压力管道方案

国内目前所完成的输水管线几乎都要多次穿越建筑物（铁路、公路、房建等），随着国民经济的迅速发展，国家路网建设速度大大加快，给引调水工程设计和施工带来困难。早期为节约投资或简化施工一般尽量采用破路方案，随着车流量加大和公路等级的提高，破路方案协调管理难度大大增加，成本增加，为此管线穿越建筑物开始广泛采用顶进箱涵内穿压力管道方案和顶管内穿压力管道方案。顶进箱涵内穿压力管道方案和顶管内穿压力管道方案均为先形成涵洞然后从内部穿越压力输水管道，其结构示意图见图1、图2。

图1 顶进箱涵内穿压力管道结构示意图

图2 顶管内穿压力管道结构示意图

1.1.1 顶进箱涵内穿压力管道方案

顶进箱涵内穿压力管道方案是在现场预制钢筋混凝土箱涵，然后将箱涵逐节顶进最终形成管道穿越的方形涵洞，最后从内部穿越压力管道。其优点是可根据工程需要设计成所需的形状和尺寸，如长方形、正方形等，其缺点是成本高、施工周期长。一般适用于大型涵洞的顶进或大型管道的穿越。

1.1.2 顶管内穿压力管道方案

顶管内穿压力管道方案是直接采购圆形钢筋混凝土顶管，然后将顶管逐节顶进最终形成管道穿越的圆形涵洞，最后在圆涵内部穿越压力管道。与顶进箱涵内穿压力管道方案相比，其优点是管材成本低、土方开挖量小、管道采购和施工工期短，其缺点是当管径超过3 m时，受超高、超宽、超重影响将难以运输。一般适用于直径不大于3 m的顶管。

1.2 顶进箱涵内穿压力管道方案和顶管内穿压力管道方案的对比

两种方案在禹门口提水东扩工程中之对比见表1。

表1 禹门口提水东扩工程顶进箱涵方案和顶管内穿压力管道方案对比表

根据表1所列方案，以穿越2 m直径管道为例对其成本加以比较。不考虑内部穿管成本，采用箱涵顶进方案成本约为3万元/m，采用顶管顶进方案成本约为2万元/m，同时顶管顶进方案还可以缩短工期1/3甚至1/2。因此，就传统方案而言，管线穿越建筑物采用顶管内穿压力管道方案明显优于箱涵内穿压力管道方案，禹门口提水东扩工程管线穿越建筑物设计当首选顶管内穿压力管道方案，具有显著的经济性和合理性。

2 带钢筒和承插口的预应力或钢筋混凝土顶管方案

鉴于传统传统顶管内穿压力管道方案顶管内径较大，顶管完成后还需从内部穿越输水压力管道，施工难度加大，工程成本大。为优化设计方案，在工程实践中开始提出了顶管直接作为压力管道方案，即采用与压力管道相同直径的顶管直接顶进后作为压力管道，然后与上下游管线连接，该方案可大大节约成本、缩短工期。

2.1 顶管直接作为压力管道的种类

顶管直接作为压力管道在国内是在PCCP使用发展过程中，根据PCCP结构特点和顶管特点由PCCP管厂所开发的一种新型顶管，其基本特点是带钢筒和承插口的预应力混凝土结构，分别作为管体防渗、接头防渗、管体承受水压力和外荷载措施。管道结构一般有两种，一种是根据荷载情况设计采用两层或三层钢筋网混凝土管体，称为带钢筒和承插口的钢筋混凝土顶管；一种是采用与PCCP完全相同的预应力混凝土结构，但保护层由砂浆层变为有一层钢筋网的现浇混凝土保护层，称为PCCP顶管，或称JPCCP。因此，该两种顶管均具有传统顶管的全部功能并具有PCCP承受水压力和接头防渗的优点。也使该种顶管直接替代传统顶管内部穿管成为可能。但两种顶管还是具有明显区别，主要体现在一种为钢筋混凝土结构，一种为预应力混凝土结构。PCCP顶管与带钢筒和承插口的钢筋混凝土顶管相比，其壁厚减薄，钢筋用量减少，技术更加合理，更加经济。从工作性能讲，PCCP顶管由于在其管壁混凝土中施加了预应力，并进行抗裂设计复核，使其在承受内水压时不会产生开裂，管道耐久性能提高。而带钢筒和承插口的钢筋混凝土顶管由于所配置钢筋只能起到限裂作用，而无法杜绝内壁裂缝的产生，而裂缝将会造成钢筒锈蚀。因此，就该两种可直接作为压力管道的顶管而言，PCCP顶管更具优势。因此，禹门口提水东扩工程建设提出了顶管直接作为压力管道方案，并进一步提出了采用PCCP顶管方案。

2.2 顶管直接作为压力管道国内使用情况

适应国内发展管道引水工程快速发展的形势需要，山东电力管道工程公司、新疆国统管道股分有限公司分别于2000年、2009年研制生产了带钢筒和承插口的钢筋混凝土顶管，并分别在陕西黑河水库引水二期工程、河南云台山引水工程、东莞引水工程等项工程中进行了应用，管径为1.8～2.8 m。其中陕西黑河水库引水二期工程采用了直径2.4 m的顶管2 200 m，主要是穿越村庄，已运行近十年未出现异常情况；河南云台山引水工程采用了直径2.2 m的顶管1 000 m，已运行五年未出现异常情况。该两项工程均为在北方地下水位较深的黄土区域所建工程，地质情况和管径均对禹门口提水东扩工程具有很好的借鉴价值。

2008年无锡华毅管道有限公司在国内首次研制生产了带钢筒和承插口的预应力混凝土顶管，并在南通自来水公司管线工程进行了应用，顶管长度330 m，管道直径2.2 m。目前该工程已运行两年，未出现异常。尽管管道应用长度不大，但对进一步研究使用具有重要意义。

2.3 管道结构

图3 带钢筒和承插口的钢筋混凝土顶管接头

图4 预应力钢筒混凝土顶管接头

山东电力管道工程公司、新疆国统管道股分有限公司设计采用了两层或三层钢筋网混凝土管体结构，见图3。无锡华毅管道有限公司设计采用与PCCP完全相同的预应力混凝土结构，但保护层由砂浆层变为二次模浇混凝土（有一层钢筋网的现浇混凝土保护层），见图4。两种管道的主要区别是在承受内压内壁裂缝情况不同，采用预应力结构可以保证管道在设计压力下内壁不会出现裂缝；而钢筋混凝土结构在设计压力下内壁会出现纵向小裂缝，裂缝深至钢筋处会对钢筋造成锈蚀，该裂缝可能会对管道耐久性产生影响。因此，总体分析预应力混凝土结构的顶管又优于钢筋混凝土结构的顶管。

针对顶管设计和施工方案，经调研、考察并咨询类似工程建设经验和专家意见，禹门口提水东扩工程拟采用PCCP（带钢筒和承插口的预应力混凝土管道）顶管，并由顶管直接作为压力管道使用，并提出了关于接头处理专项设计方案，以确保管道接头不会渗水。

3 采用PCCP顶管可行性分析

3.1 优点

（1）施工简单。采用带钢筒和承插口的混凝土顶管与传统顶管加套管工艺相比，顶管内径减小、省去穿管工序（管材费用和施工费用），土体开挖量减少50%～60%。施工难度大大减小。

（2）基础受力条件改善。PCCP顶管直接作为压力管道，管道加水重比所开挖的土体重量减小40%～60%。减小了基础荷载，不会增加基础承载力，比传统顶管受力情况改善。

（3）成本低。直接采用顶管作为压力管道可大大减小成本。

a.省去内部穿管的全部管材费和安装费用。

b.减少顶管的管材费用。顶管内径减小，管材费用减小40%～50%。如2 m顶管比3 m顶管的管材费用减小约50%。

c.减少土体开挖量50%以上。

（4）进度加快。由于施工工艺简化，施工难度大大减小，顶管施工进度大大加快。

3.2 风险

（1）接头漏水问题。接头漏水后影响较大，处理难度大。

（2）长期运行管道产生不均匀沉降问题。管线经过长期运行，如果由于外界因素产生管线不均匀沉降，当沉降幅度达到一定程度可能会造成管道接头漏水，接头漏水又会加剧不均匀沉降，从而会造成路基的沉降破坏。

4 本项目采用PCCP顶管分析

4.1 本项目采用PCCP顶管的基础条件

（1）有利条件。顶管施工工艺已非常成熟，直接顶管已有几项工程成功应用，最早应用已达十年以上。本项目所设计各处顶管地质均为Q2和Q3黄土，土质均匀，地下水埋深在15 m以下，非常有利于顶管作业，可顶进性好，利于提高开挖精度，且可以直接采用人工挖土作业。因避免采用顶管成套设备，成本还会有明显降低。

（2）不利条件。输水线路经过的主要地貌单元为山前冲洪积倾斜平原区、汾河河谷、漫滩及阶地，本段汾河主要发育一级阶地和三级阶地。主要发育的地层有新生界第四系中更新统（Q2pl）、上更新统（Q3pal）、全新统（Q4pal）以及人工堆积（Qs）。场地低液限黏土多为中等全强烈湿陷性土，存在湿陷性问题。一旦接头漏水会造成管基沉降，严重时会造成路基的沉降破坏。

4.2 可以考虑采取的加强或质量保证措施

禹门口提水东扩工程输水线路主要地层多为中等至严重湿陷性土，存在湿陷性问题。一旦接头漏水会造成管基沉降，甚至会造成路基的破坏。对此，应采取严格的控制措施：

（1）严格接头制作及安装质量控制。a、制作方面严格控制并减小管接头制作椭圆度和端面倾斜度；b、施工方面加强顶管安装前的接口椭圆度和局部椭圆度检查，顶进前严格进行接头水压试验。

（2）严格开挖和测量控制。减小超挖，提高顶管轴线和高程精度，最大程度保证承插接口处于正常工作状态。

（3）严格顶管安装后的接头打压检验，对打压不合格接头进行专门防渗处理。处理方法：对接缝清洗和干燥、底层采用聚氯密封胶打底、外侧水泥砂浆勾缝、内表面涂刷聚脲防渗层。

（4）加强顶管段的运行检查和监测，可结合管线整体设计，考虑适当调整或增设检查井。

（5）增加对顶管外壁与土体间缝隙的水泥稠浆低压灌浆措施，既可充填缝隙，又可加固周围土体。起到减少路面沉降，改善管道受力条件。

5 结语

PCCP顶管是在PCCP使用发展过程中，根据PCCP结构特点和顶管特点由PCCP管厂所开发的一种新型顶管。禹门口提水东扩工程所在地区土质均匀，地下水埋深大，方便顶管施工作业，利于质量控制。经综合分析，本项目穿越公路采用PCCP顶管是合理可行的。

（1）PCCP顶管与传统顶管加穿管方案相比具有成本低、进度快的优点。

（2）PCCP顶管施工应加强质量控制，采用精细化施工措施。包括严格接头制作及安装质量控制；严格开挖和测量控制；严格顶管安装后的接头打压检验，对打压不合格接头进行专门防渗处理。

（3）由于成本较低，PCCP顶管在管线穿越公路、铁路、房屋等建筑物工程中具有广泛推广应用价值。

（4）由于缺乏设计标准，禹门口提水东扩工程在设计采用PCCP顶管时，采取了保守设计措施，外壁钢筋混凝土层仅作为保护层使用，存在浪费问题，建议对PCCP顶管结构设计及施工方法进一步研究。