顶管技术在北赵引黄二期工程中的应用

辛 明

（运城市北赵引黄二期工程建管局，山西 运城 044000）

1 工程概况

北赵引黄二期工程，通过一期中干三级站前接水，经新修建的37.97km干渠，向盐湖区、万荣县、临猗县、闻喜县境内供水，主要解决以上四县（区）的峨嵋台地旱地问题，设计流量5m3/s，干渠采用混凝土防渗的弧底梯形渠。干渠全线需穿运稷线、皇埝线等多条公路。其中皇埝线位于万荣县汉薛镇境内，交通流量较大，原设计项目为公路函，如果依据施工方案进行破路施工，会造成长时间的交通堵塞同时容易引发交通事故，而且破路修渠等相应的审批手续，程序繁杂，办理周期长，严重拖延了施工进度。经过组织相关专家现场考察论证，决定采用顶管施工，顶管完成后钢管与混凝土管间隙全部用混凝土填充，以保证施工后路面不沉陷。

2 工程地质与布置

2.1 工程地质条件

根据山西省运城市水利勘察院所提供地质资料，顶管所处的地质条件如下：北赵引黄二期皇埝线顶管工程位于万荣县汉薛镇内，顶管所处工程地质条件为低液限粘土（Q3al）：浅黄色，局部褐黄色，局部含较多白色菌丝及钙质结核。中等偏高压缩性，具湿陷性。含水量15.4%，质量密度1.59g/cm3，干密度1.38g/cm3，孔隙比0.970，液限31.5%，塑限19.5%，塑性指数12.0，压缩系数0.38MPa-1，压缩模量6.72MPa，粘聚力12.9kPa，内摩擦角21.0°，渗透系数4.80×10-5cm/s。

2.2 顶管工程布置

顶管施工类型分别有手掘式、挤压式、泥水平衡式等多种施工方法。根据北赵引黄二期工程项目地质条件和工期等各方面因素考虑，采取手掘式顶管施工。手掘式顶管施工又称为人工顶管，广泛应用于顶管工程，特别是在南方沿海城市，交通繁忙、人口密集处均采用此方法。

根据《顶管施工技术及验收规范》（试行）中的施工管理条例，顶管施工时外径上的覆土厚度要大于管径的1.5倍或覆土距离顶管外径大于3m。

皇埝公路顶管工程沿干渠渠道方向布置，混凝土顶管管段总长25.00m，顶管进口内底（工作坑一侧）的地面高程为629.051m，顶管出口处（接受坑一侧）的地面高程为628.794m，顶管外径距皇埝线公路路面土质厚度为6.844m。工作坑和接受坑分别位于皇埝线南、北，两工作坑均距离公路中心线11m。

2.3 工作坑设计

在顶管施工工作坑建设过程中，为了防止工作坑地基发生沉降等情况，导致顶管顶进过程中出现偏差，可以采用枕木基础、混凝土基础、混凝土卧枕木基础。

本项目顶管工程穿越的皇埝线公路两侧均为果树地，地势平坦无沟壑。土层地质为自重湿陷性黄土，地下水埋深较深、工作周期短，故采用底部夯实和枕木作铺设基础，该工作坑施工成本低，建设容易并且施工简易，广泛应用于顶管施工。

同时因为当地土质较好、地下水位低于坑底，且覆土大于2m，工作坑采用直槽式开挖。从工作坑地基向上1.2m内不进行放坡，超过1.2m后的部分根据设计要求上的1∶0.75比例进行放坡。

工作坑基地尺寸计算如下：

式中：L——作业坑基地长度，m；

L1——混凝土管节顶进后，处于导轨上的最小距离，混凝土管应大于0.3m；

L2——每节混凝土长度，取0.7m；

L3——土方外运工作地长度，为1.0m；

L4——千斤顶长度，取2.0m；

L5——工作坑后背墙厚度，取1.0m；

B——作业坑宽度，m；

D1——顶管混凝土管道外径，DN2700mm为3.0m；

S——顶管施工操作宽度，取2.4～3.2m。

经计算，作业坑长度为5m，作业坑宽度为5.4m。

DN2700mm顶管的进管工作坑底，布置按照5m×5.4m（长×宽）考虑。

3 管道设计与计算

3.1 管道设计

公称直径为DN2700mm的混凝土管管壁厚度，根据《顶管施工技术及验收规范》（试行）建议取值260mm，根据施工期内混凝土管将要承受的最大推力，对混凝土管的壁厚进行计算核实，同时要求施加给混凝土管的最大推力，不能小于混凝土管前进时的最大顶进阻力。

3.1.1 混凝土管道许用顶力计算：

式中：［Fr］——混凝土管许用顶力，kN；

σc——混凝土抗压强度，kPa，C30的混凝土轴心抗压强度14300kPa；

A——施加压力面积取值1.2m2；

S——安全系数，取S=2.5～3.0；

通过上述公式结合顶管施工的实际情况，计算得DN2700mm混凝土管许用顶力为6864kN。

3.1.2 最大顶进阻力计算

根据《顶管施工技术及验收规范》（试行）规定，主顶千斤顶可顶进的最长距离，是顶管的最大顶进阻力，只有满足顶力的要求，才能让混凝土顶管克服土的阻力与管壁摩擦力。皇埝线顶管的最长顶进距离为22.00m，按照不间断持续进行顶进对最大顶进阻力Fp进行复核。最大阻力计算公式：

式中：Fp——顶进阻力，kN；

D0——管道的外径，3.00m；

L——管道设计顶进长度，22.00m；

fk——混凝土管道外壁和土产生的单位面积平均摩擦阻力，（皇埝线公路所处位置地基主要为黄土状壤土，顶管采取外壁涂蜡方式减少阻力，这里按照触变泥浆注浆后考虑），取8kPa；

NF——顶管机的迎面阻力（因本项目采用超前开挖，顶管正面阻力忽略不计），kN；

Dg——顶管机刀盘外径，m；

t——工具管刃脚厚度，m；

R——挤压阻力，kPa，一般取R=300～500kPa。

经计算，皇埝线顶管工程最大顶进阻力为1658.76kN。根据上述计算结果可以得出［Fr］＞Fp，顶管壁厚符合施工要求。

3.2 后背反力计算

后座墙为顶管顶进提供支撑力，在施工过程中，后墙必须保持稳定，一旦后墙结构出现破坏，顶管施工必须停止。如果在项目中没有原土可以作为后背墙时，可以设置人工后座墙。

穿皇埝线顶管工程后背墙尺寸，高2.5m，宽2.5m。后背反力R的计算公式如下：

式中：R——后背反力，单位kN；

α——系数，取1.5～2.5；

B——后座墙的宽度，取2.5m；

γ——土的容重，取18kN/m3；

H——后背墙的高度，取2.5m；

c——土的粘聚力，取12.9kPa；

h——工作坑底部到距离后背墙顶部原土层的高，取2.5m。

经计算，后背及力R为2008.325kN。

为了确保顶管施工安全，总顶力应为后背墙反力的60%～80%，从以上计算结果中可以看出，该顶管工程的后背所产生的反力，满足顶管施工的技术要求。

4 结语

随着顶管技术的不断进步和优化，被广泛应用于水利建设、城市建设等多种施工方案。北赵引黄二期工程使用顶管技术化解了干渠渠道在穿路时存在的诸多问题，缩短了施工工期、降低了施工成本，通过使用该技术，彻底解决了项目施工中可能造成的道路交通堵塞和对建筑物的破坏等难题，施工成本远远低于原公路函设计方案。