梁茂平
广东省建筑设计研究院有限公司（广东广州510010）
摘要：随着经济和社会的发展，道路建设中雨污水管道工程面临的周边环境越来越复杂，限制条件也越来多。结合广州市白云区某项目顶管工程，对顶管周边环境以及土层参数进行分析，通过计算顶管施工各项参数，严格监测施工过程各项参数，检验设计方案的合理性，为浅覆土下穿河涌机械顶管工程参考。
关键词：道路管线；机械顶管；泥水平衡；注浆压力
道路建设跨越河道范围，需取得水行政许可，而颁发水行政许可前一般需进行相关的工程技术论证，它涉及的相关部门较多，有较高的技术含量；涉河项目实施前，应取得河道管理范围内开工建设的行政许可，从而保障河道行洪以及河道结构物的安全。广州市在国家法律、法规以及技术规范的基础上，颁布施行更细、更具特色的地方性技术规范《涉河建设项目河道管理技术规范》DB4401/T 19-2019。对于顶管法施工时，管道顶部下穿河道所需覆土层的厚度，应根据建设项目特点、现状地下管线情况、地质、水文条件、施工工艺等因素决定，覆土厚度不宜小于3倍设备外直径或河道最大冲刷线以下8m。
一、市政道路建设管线工程概述
随着经济和社会的发展，市政道路建设包含的管线种类越来越多，管线工程面临的周边环境越来越复杂，限制条件也越来多，特别是重力流管线工程如雨污水管道，由于受到上下游标高的影响，穿越河道覆土厚度往往难以满足规范中最小覆土的要求。针对难以满足覆土要求的工程，应根据建设项目、地下管线、水文地质条件、机械顶管方式等外部因素决定，本文结合工程实例，谈谈浅覆土下穿河涌机械顶管的认识。
二、某项目顶管工程概况
1.顶管工程概况
某道路项目位于广州市白云区某镇，与现状流溪河灌溉渠左干渠（下简称左干渠）交叉，新建雨污水管道需下穿左干渠。本项目范围内左干渠断面整体呈梯形状，口宽约12.5米，底宽约6米，深约2.5米，渠底已采用水泥混凝土硬化。考虑到左干渠在施工期间不能截流中断，同时受施工用地条件限制，下穿灌溉渠段雨污水管无法明挖施工以及临时导流方案。为了保证施工安全，采用机械顶管下穿左干渠，其中雨水管两段，管径D1524，污水管一段，管径D820，长度均为60m。顶管采用为泥水平衡机械顶管、工作井及接收井按沉井法施工（图1、2）。
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图1 顶管平面图 图2 顶管剖面图
2.工程地质概况
根据勘察资料，顶管区域内自上而下由第四系的人工填土层（Q4ml）、砂层、粉质粘土层、残积相土层（Qel）的粉质粘土和第三系（E）地层等组成。地下水位较浅，按地质土层类型分为砂层及填土层的孔隙水和基岩裂隙水二种类型。初见水位0.3～3m，稳定水位介于0.3～10.2m之间。地下水位随着流溪河潮汐变化而变化。
3.工程重难点
（1）管顶覆土不满足规范最小覆土厚度的要求，因此需制定切实可行施工方案，确保顶管过程中左干渠的安全。（2）地下水丰富，富水性、渗透性好；弱风化花岗岩裂隙富水性和透水性变化较大，在岩隙发育和岩石破碎地段，具承压性，属强透水层，全线范围裂隙较发育。施工时，含水砂层容易引起管涌或引发流砂现象，易造成工作坑底板涌水或突水事故，影响顶管施工进度和安全。（3）施工工期紧。按照左干渠管理部门的意见，顶管工作施工前应在枯水季节，尽量安排在左干渠冬修期，工期约一个月。
三、施工方案
1.施工工艺的选择
本工程位于流沙层，该种土层适宜采用泥水平衡顶管施工法施工。泥水平衡法可利用施工中注入的泥水压力来平衡顶进过程中管道周边的土压力、水压力，施工中利用压力，泥浆可以向土体内部渗透，逐渐在顶管开挖面形成一层泥皮，泥皮及顶管过程中的注浆压力可有效防止管道周边土体坍塌。为保障施工人员的安全，顶管采用机械顶管方式。泥水平衡机械顶管具备如下优势：（1）适用于在砂层中顶进，对顶管周围的土体扰动小，施工引起的地面沉降小；（2）泥水运送作业需连续不断进行，作业进度快。（3）工作作业环境好，安全性高。由于本工程顶管覆土小，且位于砂层，工期紧张。为了施工过程中不造成左干渠渠底沉降、开裂，综合考虑安全、速度等因素，推荐采用泥水平衡机械顶管法施工。
3.2施工工艺流程（图3）
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图3 本工程顶管施工工艺流程图
四、施工力学参数计算
顶管过程是一个较为复杂的过程，它涉及材料、岩土、流体等学科力学。顶管前需要计算的根本问题参数是顶推力和泥水平衡过程中的注浆压力。
1.顶力计算
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2.受力计算
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3.泥水控制参数
在泥水平衡顶管中，泥水参数选用尤其重要，在正式开始顶进前需做充分的计算。关键参数为泥浆的流量、流速、压力、泥水比重等。本工程位于砂层，具备一定的渗透性，泥浆浓度太小泥水会渗入土层，不易形成泥水压力，漏浆也无法排泥。因此泥水的浓度应适当增加，确保泥浆不深入土层。根据经验，本工程泥水比重取1.1。
（1）流速和流量。流速太小泥水就会在管内沉淀淤积，最终导致管道堵塞。为了不引起管道堵塞，需要选用核实的流速，且该流速需大于泥浆的临界流速。本工程采用的排泥管直径为10cm，临界流速为2.2~2.4m/s，而流量Q为：
其中：105.3为公称直径100mm管内径；保险期间，实际流速应大于临界流速，取Q≥1.4m3/min。
（2）泥水压力
由排泥管总长度和挖掘面地下水压力决定。
L=L1+L2+△L+H1+H2=60+4+10+6+2=82m
L：排泥管最大长度；L1：推进最大距离；L2：基坑到沉淀池距离；△L：阀、弯头引起损失折算成的长度，取10m；H1：基坑深度；H2：沉淀池排泥口到地面高度；扬程损失：HF2=L×△HF2=82×0.09=7.38m；△HF2：每米扬程损失系数，取0.09；损失压力：△P=ρgHF2=1.1×10×7.38=81.18。
其中ρ：泥水密度；g：重力加速度。
泥水压力：P=PW+△P+0.1=81.18+40+0.1=121.28kPa。
PW：地下水压力；附加系数因覆土浅取0.1。
五、顶管注浆压力对河床稳定性影响分析
考虑到本工程顶管上方覆土小，仅有1.45m，因此需要计算顶管注浆压力对河床稳定性的影响。顶管期间，左干渠属于断流状态，但是河道底部存在约1.0m积水。河道整体呈梯形断面，底部有0.3米混凝土硬化，下方为黏土层。顶管上方土层以及水自重应力：P=1.0×10+0.3×24+1.15×19=39.05kPa，顶管期间注浆压力带来的竖向附加应力必须小于39.05kPa。根据3.3节，本工程施工期间泥水注浆压力为121.28kPa。参照文献[2]公式（10），计算在该注浆压力下河床顶面附加应力为26.35KPa，小于自重应力，满足要求。
六、顶管施工过程监测情况
在施工前，为了实时监控顶管期间河床的状态，在同一段顶管路径上方河床下各布置3个位移和沉降监测桩，顶管过程中实时观测。经过观测，实际顶进过程中，河床基本上没有水平和竖向位移，土体基本没有变形。在顶进过程中，因河床上方有约1.0米积水，顶进过程中未见冒浆以及漏水情况。实践证明，通过控制压力和顶进工艺等，本工程顶管过程顺利，且未对河道等水利设施造成影响。
七、结语
结合广州市白云区某项目顶管工程，对顶管周边环境以及土层参数进行分析，通过计算顶管施工各项参数，用于预测后续工况的施工影响。通过施工过程中的监测结果显示，顶管基本没有偏差，并且河道无隆起或下沉引起河槽结构开裂现象，较好的验证了力学计算的合理性。通过力学计算，以及施工过程加强过程监控，下穿河道机械顶管管顶覆土厚度可适当突破相关规范要求，但需充分论证。
参考文献：
[1]叶海燕，徐林春.涉河建设项目河道管理技术规范:DB4401/T 19-2019[S].广州:广州市市场监督管理.
[2]李剑,张鹏等.顶管施工润滑泥浆压力引起的土体附加应力计算[J].地质科技情报,2016(2):23-26.
【作者简介】梁茂平（1979.02-），男，汉族，广东省茂名市人，本科学历，广东省建筑设计研究院有限公司高级工程师，主要研究方向：市政路桥设计。