摘要:结合具体工程技术条件、工程场地、地质水文条件等因素，对顶管特点、施工方法、管材等进行了论述，提出了采用土压平衡式顶管方案下穿环城高速公路方案，针对施工场地紧张等制约因素，两侧施工井推荐采用沉井方式，最大程度降低了施工对高速公路的影响，保证了工程的顺利进行。
关键词:电力顶管，沉井，下穿高速公路
1概述
顶管施工技术是继盾构施工之后发展起来的一种非开挖技术，被广泛应用于穿越公路、铁路、河流、闹市区等不具备开挖条件的各种管道铺设，可有效降低综合成本、缩短施工工期、减少对环境及交通等的影响、提高工程施工的安全性，在市政地下管线中应用广泛。太原某110kV电缆线路工程，线路全长2．72km，与环城高速公路G2001交叉1次。经现场踏勘，G2001太原环城高速公路为双向六车道，穿越高速里程K6+000km处，东侧与本工程新建24孔电缆排管相接，西侧与已建市政隧道相接。整个线路位于城市规划区内，受路网规划及现有建筑的限制，施工场地紧张。经综合技术比较，该段下穿高速公路推荐采用内径?2800mm顶管方案，长度110m。
2顶管工程
2．1顶管的特点
顶管施工属于非开挖施工技术，不需要进行大量的挖方作业，施工工作面较小，可在繁华市区内施工。顶管施工首先在两侧分别设顶进工作井、接收井。顶进工作井内安装后座墙、主千斤顶及铺设管道，作为顶管工作的主要工作空间。接收井主要用于工具机头设备的接收。工作原理是利用主顶油缸产生的推力，把工具管、管道和掘进机推向接收工作井，通过接收井的预留口穿出，形成电力管道(见图1)。
2．2顶管施工方法分类及其使用条件
2．2．1按管径大小分类1)大口径是指?2000mm以上的顶管，人员能够自由通行。2)中口径是指?1200mm～?1800mm的顶管，人员能够半通行。3)小口径是指?500mm～?1000mm的顶管，这种管径的顶管人员无法通行。4)微型顶管口径很小，通常在?400mm以下，最小的只有?75mm。本工程顶管尺寸选型根据电力需求容量，选用内径?2800mm，为大口径顶管。2．2．2开挖距离分类通常把顶进长度超过400m并设置中继间的顶管称为长距离顶管，小于400m的为普通顶管，超过1000m的为超长距离顶管。本工程顶管作业长度为110m，属于短距离顶管。
2．3顶管施工方法
顶管施工方法主要有:泥水平衡式、土压平衡式、挤压式和人工顶管。针对具体工程，不同地质条件及施工要求等，在确保质量及安全的条件下，选择合理的施工方法(见表1)。2．3．1泥水平衡式顶管以全断面切削土体，将适当压力的泥浆注入到装置隔板的密封舱内，在开挖土体表面形成一层致密的泥膜，利用泥水的压力来平衡周围土体压力及地下水压力，保证工作挖掘面的稳定性，泥水同时也作为输送弃土的介质的机械顶管施工方法。2．3．2土压平衡式顶管以切制轮开挖的流料作为支撑介质，刀盘通过旋转来开挖土层，挖下的土体流料经切制轮的开口，压入开挖腔内与塑性土浆混合，通过压力舱壁将推力传递到土浆上，以此来保护未开挖地层土体进入开挖腔内的机械顶管施工方法。2．3．3挤压式顶管在掘进机下部安装有螺旋输送装置，施工中将进入喇叭口形破碎室的泥土通过压力墙破碎，然后再通过砂石泵排出至地表。2．3．4人工顶管人工顶管是一种以人工作业为主的施工方法。在施工时，人通过借助辅助工具进行开挖作业及输送作业。常用的开挖类辅助工具有镐、锹以及冲击锤等，输送类辅助工具有传送带、手推车或轨道式的运输矿车等。2．4顶管机选型顶管机的结构形式的选择一般由土的稳定系数Nt的计算、对地面沉降的控制要求以及控制技术措施共同确定，其计算公式为:Nt=γ·h+qSu·n。其中，γ为土的重度;h为机头中心至地面的高度，m;q为地面荷载;n为折减系数，一般取1．0;Su为土的不排水抗剪强度。一般情况下:当Nt≥6，且地面沉降控制要求很高时，因正面土体流动性很大，需选用封闭式顶管机。当4＜Nt＜6，且地面沉降控制要求不是很高时，可考虑采用挤压式或网格式顶管机。当Nt≤4，且地面沉降控制要求不高时，可考虑采用手掘式顶管机。根据现场勘查以及以往施工经验，本工程对地面沉降量要求很高，故采用封闭式顶管机头，采用土压平衡式结合人工手掘式两种方法进行顶管作业。
3管材
3．1顶管管材的材料分类
按顶管管材的材料类型分为如下几类:1)钢筋混凝土管道;2)钢管，包括有缝钢管和无缝钢管;3)玻璃纤维加强管;4)球墨铸铁管道;5)陶土管;6)塑料管(PVC管);7)石棉水泥管道。
3．2管材选用
目前顶管法施工中使用最多的就是钢筋混凝土管。一般单根管节的长度不宜超过顶管机或微型隧道掘进机的机身长度，管道长度通常以2．0m～3．0m为宜。根据调查，目前太原地区生产的最大顶管内径?3000mm，壁厚300mm，采用C40混凝土。单节长度2．5m，参考重量18．3t。根据国标，顶管分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级三种荷载级别。Ⅱ级管用于覆土小于6m时，Ⅲ级管用于6m～9m覆土。
3．3管道的许用顶力
结合本工程各项设计指标，顶管选用钢筋混凝土管。钢筋混凝土管道断面的允许顶力，对顶管顶进长度、成功与否起着决定性作用，管材本身强度、顶进作业时的加压方式、顶铁与管道端面的接触状态以及受力面积等因素均不同程度影响着管道的实际允许顶力。其中，［Fr］为管道许用顶力值，kN;σc为管体本身抗压强度，kN/m2;A为受压面积，m2;S为安全系数，一般取2．5～3．0。本工程采用?2800mm钢筋混凝土管，管长度为2．0m，管壁厚为300mm，Ⅰ级荷载C50预制混凝土管道，管道端面垂直度的允许误差应不大于5mm，管道水平方向的偏差最大值应不大于10mm，管道外径的允许误差不大于12mm。
3．4接口形式
常用的顶管接口形式有平接口、企口、柔性接头钢承口、柔性接头双插口。本工程采用柔性接头钢承口。钢承口管接口形式又称为F型管接口，主要是在接口处设一个橡胶止水圈，材质采用遇水膨胀橡胶，在吸收水分以后体积会膨胀1倍～3倍，可有效防止钢套环与混凝土管结合面产生渗漏。
4顶进工作井设计
4．1管道顶部覆盖厚度
根据顶管的施工要求，以及参考《顶管施工技术及验收规范》(试行)、CECS246:2008给水排水工程顶管技术规程，管顶覆土层厚度宜大于管外径的1．5倍，并不小于3m。否则顶管时，顶管机头会向上漂移。本工程管道内径2800mm，壁厚300mm，覆土层厚度应不小于5100mm，根据地质资料及现场地形高差因素，最终高速公路路面到顶管顶部的距离确定为15m。
4．2地面沉降计算
本工程需穿越高速公路，在施工时应保证高速路面安全，应尽量减少施工对道路正常通行的影响，故需要对该处高速路面沉降量控制提出要求。目前，工程界常采用的理论主要为Peck提出的地面沉降槽理论。由于Peck假定施工引起的地面沉降是在不排水情况下发生的，所以地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积，地面沉降可视土质情况、覆土深度、采用的掘进机类型、操作水平等因素而不同，并根据这个假定给出了地面沉降量的横向分布估算公式:其中，δx为x位置的地面沉降量，mm;δmax为管道轴线上方的最大地面沉降量，mm;x为离顶管轴线的水平距离，m;i为地面沉槽宽度系数;θ为土壤内摩擦角，本工程为22°;Vi为管道单位长度的土体损失量，m3/m;D为顶管外径，本工程为3．4m;η为土体损失百分率，本工程采用5%;H为顶管埋深，高速公路到顶管顶部的距离为15m。参考CECS246:2008给水排水工程顶管技术规程中规定，顶管造成的公路地面沉降应不大于20mm。经试算，路面沉降小于20mm则管覆土深度应不小于15m，故本工程顶管覆土按15m考虑，并采取相关技术措施控制路面沉降。
4．3工作井型式及尺寸确定
工作井坑形状一般有矩形、圆形、腰圆形、多边形等几种，其中矩形工作坑最为常见。本工程受地形限制，永临结合考虑后期做电缆井用，同时兼顾降低施工支模难度、减少工程量，选用矩形工作井坑(见图2)。1)矩形工作坑的底部尺寸参考下式确定:工作坑底部宽度:B=D1+S。其中，D1为顶管管道外径，本工程为3．4m;S为施工作业操作两侧预留宽度，一般取2．4m～3．2m，本工程取2．6m。综上，本工程顶进工作井宽度为6m。工作坑的底部长度:L=L1+L2+L3+L4+L5。其中，L1为顶管机机体长度，本工程为5m;L2为千斤顶长度，约为2．5m;L3为后座墙、顶铁、安装余度，约为1．5m。综上，本工程顶进工作井长度为9．0m。2)工作坑深度应符合下列公式要求:H1=h1+h2+h3。其中，H1为工作坑地面至坑底的深度，m;h1为地面至管道底部外缘的深度，覆土深度为1．5D=5m，顶管外径为3．4m，地面至管道底部外边缘的深度为8．37m，为满足公路地面沉降要求，最终确定顶管在高速公路下方的覆土厚度为15．0m，现施工地面顶管覆土厚度为10．5m，地面至管道底部外缘的深度为13．8m;h2为管道外缘底部至导轨底面的高度，取0．25m;h3为基础及其垫层的厚度(不应小于该处井室的基础及垫层厚度)，取0．25m。综上，顶进工作井的深度为14．5m(如图3所示)。顶进工作井底部宽度为6．0m，长度为9m，深度为14．5m。接收井的尺寸根据实际地形，顶管在地下按水平顶进考虑，尺寸确定如下:a．底部宽度为5．5m(顶管机直径为3．4m，考虑施工余度2．1m);b．底部长度为6m(顶管机长度为5m，考虑1m的施工操作余度空间);c．深度为12．0m。
4．4顶进工作井及接收井开挖方式选择
本工程受场地限制，顶进工作井位于东环高速与道路之间，宽约30m;接收井位于东环高速与市政公路之间，宽约25m，均不满足放坡开挖条件。同时顶进工作井及接收井较深，为了确保房屋及公路的安全，开挖需采取支护措施，考虑本期顶管施工和后期用作电缆竖井，采用沉井法修筑工作井坑。
4．5地质条件
1)穿越高速公路地下廊道岩土工程地质条件。线路管道穿越既有东环高速公路工程，穿越段管道长度约为110．0m，管道材质为钢筋混凝土预制管，高速路面较两侧井位处地面高5m～8m，地质勘探场地位于两侧工作井，故提出工作井处地层深度20m以内的地基土地层参数，自上而下划分为三大层，分别为①层杂填土、②层(黄土)粉土、③层粉土层。2)穿越高速公路天然地基土抗剪强度标准值与建议值(见表2)。3)场地稳定性、适宜性评价。据本次勘察结果及区域地质资料，穿越地段场地属稳定场地，未发现不良地质作用。可在②层，③层黄土状粉土中进行此次穿越。本次勘探深度范围(20m)内未揭露地下水，结合区域地质地貌资料进行综合分析，可不考虑地下水对本工程的影响。
4．6沉井
沉井是由侧壁、刃脚、内壁(隔墙)、竖向框架、底板、井盖等构成的。
5后座墙
5．1后座墙的重要性
后座墙主要在顶进管道时提供反作用力。在顶管施工过程中，后座墙不仅要求达到一定的强度，同时还要稳定，施工中一旦发生破坏，顶管施工就要停工，可见后座墙设计的重要性。
5．2后座墙设计要求
后座墙设计首先在强度上要满足设计顶进力作用下不被破坏，不变形，卸荷后能恢复原态并保证完整，其次应安装方便，便于施工，安装在垂直管道顶进轴线上，避免偏心受压，引起倾斜变形发生事故。
5．3后座墙形式
常用的后座墙一般有现浇混凝土式、装配式。本工程使用现场浇筑的混凝土后座墙。5．4后座墙反作用力的计算假设顶进作业时，作用在工作坑后的土体上的力是均匀的。一般为确保在顶进过程中后座的安全，后座能承受的反作用力或土抗力Ｒ应为总顶进力P的1．2倍～1．6倍。其中，Ｒ为总推力之反作用力，kN;α为系数，取1．5～2．5;B为后座墙的宽度，m;γ为土的容重，kN/m3;H为后座墙的高度，m;KP为被动土压系数，粉土取2．66;c为土的内聚力，kPa;h为地面到后座墙顶部土体的高度，m。本工程工作井采用沉井结构，为钢筋混凝土浇筑结构，故后座墙采用现浇混凝土形式，是比较理想的受力模型。根据顶进力的大小，对混凝土后座墙的弯拉区应设置网格钢筋，混凝土墙的一般厚度应根据管道直径大小确定，一般为0．8m～1．0m。混凝土的强度为C20以上，在达到其强度的80%以上时才可以承受顶进力。
6结语
综上，作为一种市政很常用的非开挖施工方式，顶管及沉井方案也能很好的解决电力工程中遇到的如下穿高速路等特殊地段的施工要求。在保证对高速影响最小的情况下，也能同时保证电力工程顺利竣工。目前该工程顶管部分已完成施工。
作者：明俊聪 李之腾 单位：山西元工电力工程设计有限公司