矩形顶管技术在综合管廊中的应用

矩形顶管技术在综合管廊中的应用

付添

（中国二十冶集团有限公司 上海 宝山 201900）

摘要：目前，矩形顶管技术已被应用于综合管廊建设中，但关于矩形顶管技术应用的重点不够深入。本文立足于设计视野，从工作井、接收井、加固土体、分析顶力出发，并以K项目为例，将矩形顶管技术应用于综合管廊建设中，阐述应用矩形顶管技术的方法和价值，旨在为综合管廊建设提供技术指导，凸显矩形顶管技术的优势。

关键词：综合管廊；矩形顶管技术；应用

引言

综合管廊是指城市的地下管道走廊，是城镇化基础设施建设的重点，以建设地下隧道走廊为主，集中管理给排水、电力系统、燃气系统、热力系统、通信工程和广播电视。综合管廊诞生于十九世纪，从欧洲最先发展起来，经过100多年的发展，综合管廊技术越来越成熟。在繁华都市建设综合管廊已成为时代的热点，但大范围开挖已无法满足城镇化建设需求，会对市容市貌带来负面影响。所以，非开挖技术呈现良好的发展态势，矩形顶管技术也在这种环境下得以发展[1]。矩形顶管技术是建设综合管廊中采取的施工技术，目的是缩小路面开挖范围，保护管线和构筑物，降低对城市地下、地面的破坏程度，提高综合管廊建设质量。

1综合管廊和矩形顶管技术概述

1.1综合管廊

地下综合管廊也被称为共同沟，是指城镇化建设中用来铺设市政管线的隧道。综合管廊起源于1833年的巴黎，目前已有一百多年的发展历程。现阶段，综合管廊已被应用于国外发达国家，建设效果良好。我国综合管廊工程起源于北京，北京天安门广场的地下管廊就是典型案例。截止2022年末，我国地下管廊建设总长已超过2000km。为了促进城镇化发展，建设综合管廊必不可少，该技术的标准也在不断规范[2]。

传统管线施工中大多采取两种方法，一种为架空敷设，另外一种为埋地敷设，对比传统施工技术，综合管廊的优点如下：第一，空间利用率高，利用投料口和检查井能提升地表空间利用率，塑造市容市貌；第二，属于一次性建设工程，避免“马路拉链”，降低城市交通压力，对大众生活产生较小的干扰性；第三，分类管线入廊，通过常规巡查维护，能确保管线的质量和安全性，延长使用年限。但对于综合管廊来说，在中心城区、老城区建设中也面临困境。例如，施工空间狭窄，无法达到大范围开挖标准；征地协调困难，拆迁成本居高不下，导致建设成本提高；管线迁改费用多，施工周期漫长。

1.2矩形顶管技术

综合管廊施工过程中，一种为明挖法，另外一种为暗挖法。对于暗挖法来说，有顶管法、盾构法以及浅埋暗挖法。由于明挖法会影响城市环境和市容，所以将暗挖法应用于综合管廊建设中，已成为时代的发展趋势。在该过程中，由于矩形顶管法的成本低、距离不长、断面形式呈现多样性。所以，也被应用于多样性地层施工中，具有施工安全性和可靠性[3]。

矩形顶管技术具有安全、绿色和环保的特征，也是一种非开挖技术。诞生于上世纪七十年代初期，上世纪九十年代传入中国，并取得了良好的建设成果。矩形顶管技术具有非开挖技术优势，施工优点多。目前，已在综合管廊建设中得以应用。但由于综合管廊存在断面范围大、相埋深较小的特征，仍然会对上覆地层带来干扰。现有研究以小直径圆形顶管技术为主，研究开挖、敷设和建设综合管廊的方法。

2矩形顶管技术在综合管廊中的应用要点

2.1工作井和接收井

工作井、接收井作为矩形顶管技术常用的方法，结构形式比较多样。例如，灌注桩结构、地下连续墙结构、沉井结构、钢板桩结构以及SMW工法，可以通过施工建设为临时或永久结构。分析矩形顶管技术的应用条件和顶进标准得知，工作井适用于大范围的深度基坑，但对综合管廊附近的构筑物或多或少会产生影响。以顶进要求为标准，保护周边构筑物安全性的环境下，工作井的布局和形式对设计人员要求较高。对于矩形顶管机来说，可以借助接收井整机、拆解吊装方法取出，但受客观条件影响，导致接收井设置难度大。所以，可以将顶管机放置于土体中，等后期大范围开挖时取出，或通过对顶管机主体机械的切割，实现倒运取出目标，对处于弃置状态的顶管机钢外壳，可以通过浇筑钢筋混凝土的方法达到固定效果，形成永久结构[4]。

2.2土体加固

顶进过程中为了提高土壤的稳定性，避免产生水土流失现象，工作井进洞、接收井出洞时，应加固土体。目前，加固形式呈现多样性，例如旋喷桩加固技术、搅拌桩加固技术、注浆加固技术、冻结加固技术以及SMW工法加固技术。进洞、出洞期间可以将围护桩破除，但对于周边土壤带来干扰性，容易导致土体失稳；顶进中，由于矩形顶管机以及卸载拱下部落存在土体，形成水泥浆，导致水土流失。所以，要关注工作井进洞过程，考察接收井出洞期间对土体的影响，通过加固土体能提高结构稳定性。但对土体加固来说，不仅要满足强度标准，还要关注抗渗透性的要求。

2.3顶力分析

现阶段，将矩形顶管技术应用于综合管廊建设中，管节断面大多存在偏大特征，顶进长度很长，导致顶进过程中对于总顶力的要求较高。必须要确保总顶力的准确性和安全性，才能为综合管廊施工提供条件。对于估算顶管总顶力来说，公式如下：

以上公式中，F0代表总顶力的标准值，单位为kN；C代表管片外壁的周长，单位为m；L代表管道的顶进长度，单位为m；fk代表管片外壁以及土体的平均摩阻力，单位为kN/m2；NF代表应用矩形顶管机中产生的迎面阻力，单位为kN。

目前，使用矩形顶管技术建设的综合管廊通常大于40m，顶力高，所以必须要采取措施降低管壁摩阻力。触变泥浆已成降低摩擦力常用的方法，结合国内已顺利竣工的案例得知，触变泥浆具有一定的减阻效果[5]。

虽然将触变泥浆应用于减阻后中，总顶力仍然较大，对后座要求高。但从后座反力理论研究分析，不考虑钢制后座对施工的影响，假设对千斤顶的施加顶力来源于后座墙，然后工作井后面土体发生均匀作用，为了提高后座顶进的安全性，后座抗力R通常比总顶力F0大，是力的1.2~1.6倍，反力R等于土体中被动土的压力。为了确保顶力能发挥均匀作用，顶力作用于工作井的侧墙时，必须要确保刚度足够大。可以结合顶力大小、千斤顶设置确定墙体厚度，然后分析侧墙抗冲切的情况，考察是否满足设计标准。

对于工作井后方来说，如果土体属于优质土层，证明被动土压力能提供足够的后座反力。但如果土层不佳，不能达到设计工作要求，必须要加固土体。

2.4接头构造

在设计综合管廊结构过程中，通常将100年当做设计年限，安全等级属于一级，地下工程的防水等级属于二级，抗渗等级属于P8。应用矩形顶管技术期间，接头构造会影响综合管廊的防水性能，存在适应性差、沉降不均匀的问题，但只要妥善处理都能解决问题。

对于矩形顶管的管节来说，常用接头包括三种：第一种为企口接头，第二种为T型套环接头，第三种为F型套环接头。其中，和企口接头对比，F型套环接头之间的接触面积大，导致所需的顶力也相应增加。对比T型套环接头来说，F型套环接头不需要钢板和衬垫，可靠性得以提升。在接头间引进木垫圈，能将F型套环接头应用于曲线顶管技术中，最大张角大约为3°。

3矩形顶管技术在综合管廊中的应用案例

3.1案例简介

K项目综合管廊位于深圳市宝安区福永街道，项目内容包括城市给排水供应、电力、电信、燃气等地下市政管线工程。其中施工中遇到穗莞深城际线以桥梁形式上跨重庆路，为保证综合管廊管廊的建设不影响穗莞深高铁，该段综合管廊采用顶管工艺。本文结合该项目的综合管廊建设情况，就如何应用矩形顶管技术创设综合管廊提出对策，以提高工程质量。

3.2矩形顶管技术在综合管廊中的应用难点

由于大部分综合管廊穿越城市主干道路，所以利用大开挖施工技术必须要封闭道路，导致交通中断，对区域市政管线带来影响，且无法保护现状给水管线、燃气管线以及穗莞深城际高架桥承台。对于综合管廊施工来说，遇到如下的问题：

第一，雨水、电力、燃气、光纤和给水管线需进行迁改，协调需很长周期，特别是其中φ315燃气塑胶管、φ500给水管线和3000×2000雨水砼方沟的产权单位复杂，迁改周期长。

第二，重庆路综合管廊有一部分结构下穿穗莞深城际线，产权单位要求不能影响穗莞深城际线运营，所以要求施工快速、安全。

第三，综合管廊位置的土质差，主要为①淤泥、②粉质黏土、③中砂，对开挖、排水、支护、注浆和衬砌提出高要求，设计风险突出。

第四，综合管廊下面临高架桥，分析管廊结构得知，外侧和桥墩的最小水平间距等于7.78m，，桥墩为桩承台基础，且因地层较差，开挖面临保护难度大的问题。

3.3矩形顶管技术在综合管廊中的应用方案

以工程现状为中心，以安全性、可行性、经济性和可操作性为出发点，将矩形顶管技术应用于综合管廊建设中，应用方案如下：

第一，综合管廊对于下穿重庆路，在一侧使用工作井，应用灌注桩支护进行开挖。以该工作井为起始点，顶进的长管节数量为76片，长度为1.5m，长度合计为114.4m，为减小顶管施工对穗莞深城际的变形影响，在顶管通道与穗莞深城际桥桩承台间增设一排桩径1000mm的灌注桩作为隔离桩，同时考虑桥下空间高度有限，隔离灌注桩选用回旋钻套筒跟进施工。

第二，对于工作井施工来说，进洞5m区域内应用搅拌桩加固土体，能达到一定的加固效果，工作井中没有渗水和漏水问题。由于考虑安全，对顶管机以及和顶管机连接的管节位置利用搅拌桩加固土体，避免后期开挖过程中取机头后，降低土体稳定性，引起沉降不均匀。如果没有加固处理土体，端头会出现土体失稳现象，沉降不均匀会对顶管段建设带来影响，导致降低工程质量，引起渗水和漏水问题，后期面临严重的补救操作问题。所以，应格外关注和重视。

第三，地勘过程中，管壁和土体的平均摩阻力设定为4kN/m2（淤泥质土为主），顶力设定为19145KN，对于千斤顶、工作井以及后方土体具有较高要求。所以，设计过程中将触变泥浆应用于减少顶管机“背土”现象，以行业顶管技术标准为出发点，实际产生的顶力＜估算值，达到设计标准。由于工作井后方土体属于淤泥层，土质差，经过核算，达不到设计标准，需要进行加固处理。

第四，对于管节的接头形式来说，本项目应用F型套环接头，该接头技术能产生一定的防水效果。顺利竣工后，综合管廊中没有任何渗水现象。

4结论

综上所述，本文结合K项目综合管廊建设情况，就如何优化矩形顶管技术提出建议：

第一，因为该项目的工作井、接收井和构筑物避开，呈现布局合理特征。所以，对工作井、接收井技术的要求并不多，比较灵活，甚至特殊条件下不需要设定接收井。

第二，对于工作井的进洞、接收井的出洞来说，施工人员要合理运用矩形顶管技术，对特定范围内土体进行加固处理，以确保结构稳定性和安全性，避免出现沉降不均匀现象。

第三，将触变泥浆应用于施工中，降低总顶力，顶力最大估算值能达到触变泥浆没有使用时阻力的50%以下，同时减少顶管施工在地层中的扰动，然后分析工作井的后方土体特征，观察能否提供充足的支座反力。

第四，和其他接头技术对比，F型套环接头具有安全性和经济性。因此，可以将该接头技术应用于管节连接中，施工人员也要优先选择该技术。

第五，如果工作井的后方土体无法提供充足的支座反力，需要加固后方土体，对于加固依据来说，以设计经验为依据。但因为理论权威性不够，还需设计人员、研究人员和学者深入研究。

参考文献

[1]王虎,李栋,陈雪华,汪旭.矩形顶管技术的应用与发展[J].施工技术(中英文),2023,52(01):26-32.

[2]王佳.谈矩形顶管施工技术在城市管廊中的应用[J].大众标准化,2022,(08):163-165.

[3]骆发江,刘强,黄松松,黎建宁,田勇,陈生杰.综合管廊下穿城市排水箱涵大截面双矩形顶管施工技术[J].施工技术(中英文),2021,50(22):48-52.

[4]张世东.矩形顶管施工技术在综合管廊施工中的应用[J].江西建材,2021,(09):188-189.

[5]王亮.地下管廊施工技术研究[J].中国勘察设计,2021,(09):98-100.