大口径钢筒混凝土管道顶管在城市内涝治理中的应用

王绍华，陈斌泉，张 栋，于 泳

（1.天津市政工程设计研究总院有限公司，天津 300392；2.中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300000）

近些年，我国极端暴雨天气频发，城市内涝问题突出。雨水系统是重要的基础设施，直接关乎城市排水安全。由于设计理念及重视程度不够等因素，我国很多城市建成区的雨水系统设计标准偏低，管网老化严重，严重影响了城市排水安全。上海市截至2015年，已建成排水系统中，设计标准为1 a一遇的的占比达到94.4%[1]；天津中心城区共有73座泵站、769 km排水管道运30 a以上，处于超期服役，运行不稳定[2]。为提高城市抵御极端天气的能力，国家、地方陆续发布了一系列文件及规范，旨在完善城市排水体系建设，提高应对排水内涝风险的能力。扎实做好灰色设施配套建设，是实现排水管道真正满足提标要求的有效途经[3]。

雨水系统提标改造项目大多位于现状建成区，周边障碍物多，现场建设条件复杂，采用传统的开槽施工方式难度较大。顶管技术是现代市政工程给排水项目施工中常用的技术手段，对提升给排水工程项目的施工质量及减小对周围建筑的影响具有显著效果[4]，成为解决复杂城市环境下雨水系统提标改造的重要解决途径。

1 工程概况

某现状建成区由于历史原因，雨水系统标准偏低，局部存在雨水空白区。根据排水规划，为解决图1中A、B两地块雨水排放问题，需要建设1座雨水泵站，雨水系统收水面积约143.8 hm2，设计重现期3 a，泵站设计规模13.5 m3/s，泵站的出水管管径为3 200 mm。

图1 雨水系统

现场建设条件复杂，周边邻近住宅小区、高压线及高压线塔并下穿现状高架桥及道路，沿线管线繁多，施工难度大，风险高。为了减小对周边建构筑物的影响，降低工程造价，采用顶管施工。

2 顶管管材选择及参数确定

2.1 管材选择

根据雨水泵站出水管道直径、设计压力及地质条件等因素，顶进施工管材在钢筋混凝土管道、钢管、钢筒混凝土管道（JCCP）以及玻璃钢夹砂管4种中进行比选。见图2。

图2 管材单价比选

由图2可以看出，相同管径的管道单价钢管＞JCCP＞玻璃钢夹砂管＞钢筋混凝土管。钢管的壁厚随着管径的增加增大，一般适用于管径≯2 000 mm的管道；本工程为压力出水管道且最大埋深约12 m，因此钢筋混凝土管道虽然单价便宜，但无法适应出水管道工况要求，因此仅对JCCP及玻璃钢夹砂管进行比较。见图3。

图3 管道允许顶力设计值

由图3可以看出，相同管径下，JCCP允许的顶力设计值可以达到玻璃钢夹砂管的2倍左右，在不加设中继间的情况下，可以实现更长的顶进距离。JCCP内嵌置的钢筒与钢制承插口焊接，确保了管体良好的密封性，比较适合用于市政、水利等行业的中低压给排水管线[5]。有关文献指出[6]，JCCP在不设置中继间的情况下，最大直线顶进距离达到380 m。

经综合比选，最终确定采用JCCP作为顶管管材。

2.2 参数确定

2.2.1 工作井设置及顶进距离

顶管段全长约2.6 km。根据现场地形、管线走向等因素，共设置顶管工作井18座，基坑深度8～12 m，最长顶进距离263 m。

2.2.2 管道参数

采用DN3 200 mm JCCP，管材压力0.4 MPa，管节长2.5 m，每节管道质量约23.4 t。

2.2.3 顶管段埋深

根据CECS 246—2008《给水排水工程顶管技术规程》，横穿现状管线时，顶管与埋深最大的现状管线垂直净距按照不小于顶管管材1倍管道外径设计。当顶管段无垂直交叉的现状管线时，顶管管顶覆土厚度按照≮1.5倍管外径进行设计。管道整体埋深7～10 m。

2.2.4 顶力计算

根据地勘报告，顶管位于淤泥质土层，采用泥水平衡法顶进施工。

1）最长一段总顶力式中：F为总顶力，kN；f为土与管外壁摩阻系数，取0.3；PL为土壤的垂直均布荷载，一般为地面至管顶的土重度，取18.55 kN/m2；PH为土壤的水平压力，kN/m2；D为管外径，m；L为顶进长度，m；P0为管道总重量，kN；SA为机头迎面面积，m2；PS为供泥水压力，kPa；PT为挖掘面土压力，kPa。

经计算，顶进距离最长一段总顶力为22 742 kN。

2）管道允许最大顶力

式中：Fdc为混凝土管管道允许顶力设计值，N；Φ1为混凝土管受压强度折减系数，取0.9；Φ2为混凝土管偏心受压强度提高系数，取1.05；Φ3为混凝土管脆性系数，取0.85；Φ4为混凝土管强度标准调整系数，取0.79；fc为混凝土受压强度设计值，N/mm2；Ap为混凝土管受压截面面积，mm2；r为顶力分项系数，取1.3。

JCCP混凝土强度等级C40，受压强度设计值取19.1 N/mm2，把各项系数代式（2），得出管道允许最大顶力为26 431.77 kN。

3）工作井允许最大顶力。在设计工作井后座墙时，考虑后座板桩支承的联合作用对土抗力的影响。水平顶进力通过后座墙传递到土体上近似弹性的荷载曲线，能将顶力分散传递，扩大了支承面。经验算，在保证土体稳定性要求的前提下，工作井允许的最大顶力设计值为10 000 kN。

综上可知，管道允许最大顶力＞顶进距离最长一段总顶力＞工作井允许最大顶力。根据三者中最小的顶力值，确定顶管设计顶力为10 000 kN。

2.2.5 其他参数

初始顶进速度10～20 mm/min，正常顶进速度20～30 mm/min，采用触变泥浆减阻，注浆压力控制值为20～50 kPa。

3 工作井

3.1 尺寸

直线顶进段工作井为矩形。管道转弯处工作井为正八边形，见图4。

图4 工作井

1）长度计算。顶管机头长约5 m，工作井最小内净长度L≥L1+L3+k

式中：L为工作井最小内净长度，m；L1为顶管机下井时最小长度，取5 m；L3为千斤顶长度，取2.5 m；k为后座和顶铁的厚度及安装余量，取1.6 m。

经计算，工作井最小内净长度为9.1 m。

2）宽度计算

式中：B为工作井的内净宽度，m；D1为管道的外径，取3.84 m。

经计算，工作井最小内净长度为6.24 m。

考虑到人员进出工作井等因素，预留了一定的空间。矩形工作井设计长度12 m，宽度8.4 m。正八边形工作井设计长度10.4 m。

3.2 基坑支护

由于基坑周边高压线及其他障碍物的影响，大型机械难以进场，不适合拉森钢板桩及SWM工法桩施工。经论证，基坑主体围护结构采用φ1 000 mm钻孔灌注桩，桩长23～26 m，间距1 200 mm；止水帷幕采用φ700 mm高压旋喷桩，桩长12～15 m，间距500 mm；设置钢筋混凝土冠梁及2道腰梁。冠梁尺寸1200 mm×600 mm；第1道腰梁采用钢筋混凝土结构，尺寸1 000 mm×800 mm；第2道腰梁采用双拼H700 mm×300 mm型钢。

4 施工关键环节

4.1 液压系统布设

主顶采用6台300 t千斤顶，最大顶力可达到15 000 kN，满足顶管设计顶力要求。千斤顶最大值顶程2.5 m，分上、中、下三层安装。液压千斤顶和千斤顶支架布置在主顶坑内，与管道中心的垂线对称。见图5。

图5 千斤顶布置

4.2 中继间设置

中继间的位置及顶力应综合考虑总顶力、管道允许顶力及工作井允许顶力后确定。本工程所在场地土质条件较差，工作井允许最大顶力成为制约因素；因此，以设计顶力不超过工作井允许最大顶力为原则设置，按照第一个中继间余量40%，其余中继间余量30%进行设计。中继间设计总推力1 000 t，采用10只100 t小千斤顶提供相应的顶力。

4.3 管节接缝处理

管节止水圈材质为氯丁橡胶或氯丁橡胶与水膨胀橡胶复合体，用黏结剂粘贴于管节基面上。管节与管节间采用中等硬度的木制材料——胶合板作为衬垫，以缓冲混凝土间的应力，板接口处以企口方式相接。顶管施工结束后，管节间的缝隙采用双组分聚硫密封膏填充。

4.4 管节吊装

管道单节质量约23.4t，采用100t汽车吊进行吊装，作业半径＜12m，采用U形吊具进行，减小管道接口处的受力。

为保证施工时机械安全，在工作井外进行地基加固，加固区大小为15.3 m×12 m。采用φ600 mm高压旋喷桩，桩长10 m、间距1 000 mm。高压旋喷桩上安装一块2 mm厚钢板，作为机械作业平台使用。

4.5 注浆孔布置

在管道上预留触变泥浆孔，由压浆管打进触变性泥浆，使泥浆能均匀的扩散在管节周围，在顶进中起到进一步的减阻作用。每节管设4个注浆孔，分别在管顶以90°为夹角均匀布置在插口的位置上。见图6。

图6 管节注浆孔布置

5 结语

本项目目前已经完成竣工验收，各项指标均满足设计及规范要求。实践证明，JCCP顶管技术有效控制了项目建设成本，降低了施工难度，节省了建设周期，经济效益和社会效益非常突出。

1）JCCP在大口径、长距离顶管施工中具有较大的优势。

2）钻孔灌注桩+高压旋喷桩组合支护方式，可以满足大型机械难以进场条件下顶管工作坑的建设要求。

3）在软土地区大口径、长距离顶管施工中，工作井允许的最大顶力往往成为制约顶力设计值的因素。

JCCP顶管技术的成功应用，积累了大直径JCCP顶管在城市复杂环境下的设计经验，对大直径JCCP管材标准、工作井设计方法、坑外加固技术、管道顶进方式等一系列技术进行了有益的实践，为今后类似的工程积累了宝贵的经验。