工程思考丨顶管设计与优化|工程思考|沉井|混凝土|设计值|逆作法|顶管

某防洪工程位于黄土高原腹地的延安市，随着区内经济的快速发展，工程区规划开发建设为具有滨水商业中心、住宅区、研发创新中心、商贸服务区、文旅小镇、养生休闲区、产业区等多功能综合区域，对区域发展起着非常重要的作用。工程区内降水具有年际变化大、年内分配不均的特点，降雨集中于夏季且多阵雨、暴雨，易形成洪水。

一、工程概况

工程区沟谷呈“U”型，谷底宽500~1000m，沟河谷两岸树枝状“V”型冲沟发育，谷坡冲蚀强烈，黄土崩塌、滑坡多见。工程区地层按岩性可划分为3层，自上而下分布：压实填土、黄土状壤土、砂岩夹泥页岩。

二、顶管管位及管材选择

根据工程平面布置，排洪干管需穿越1号、2号道路，这2条道路为该区域内的主干道，无法中断交通采用开槽法施工，因此选择顶管法穿越。根据地面及地下建（构）筑物情况、水力条件、地质条件，经过比较选定顶管段全长211.09 m，设置工作井1处、接收井1处，比降约3.5%。

根据地勘资料，顶管从工作井至接收井依次穿越砂岩夹泥页岩、黄土状壤土、压实填土，可进行顶管施工。

根据水力计算结果，顶管管径为3.5 m，顶管法施工常用的管道有钢管、钢筋混凝土管、剥离钢夹砂管、钢筒混凝土管（JCCP）及钢筒混凝土管（PCCP），通过技术经济比较，最终选定管材为钢筒混凝土管（JCCP）。

三、管道结构设计

顶管管道需满足顶力、覆土压力及其他使用工况下的强度要求。顶管顶力应取管材传力面允许最大顶力、工作井后背土体的允许顶力二者的小值。

1.管道总顶力计算

根据CECS 246-2008《给水排水工程顶管技术规程》计算，管道总顶力标准值为 49.85×103 kN，考虑该工程顶管通过多为砂岩夹泥页岩，总顶力设计值采用标准值扩大15%安全富裕进行设计，总顶力设计值为 57.33×103kN。

2.管道允许顶力计算

经计算，混凝土管道允许顶力设计值为25.88×103 kN，管道允许顶力小于总顶力设计值，为防止顶力过大对管道及工作井造成破坏，需通过设置中间井或中继间来减小管道所受最大顶力。

3.中继间设置

当工作井主顶实际推力达到最大设计值的50%时设置第1个中继间，实际推力达到最大设计值的60%时启用。第2个及以后的中继间应当在工作井主顶实际推力达到最大设计值的70%时安装，实际推力达到最大设计值的80%时启用。

中继间设置数量需要根据施工情况进行确定，长度超过40m的大直径顶管，减阻措施至关重要，良好的减阻措施可极大地减小管道阻力，节省中继间数量，提高顶管效率。

四、工作井设计

工作井结构形式有沉井、钢板桩、地下连续墙、灌注桩和SMW工法。工作井按井底至地面的高差分为浅工作井和深工作井，高差超过10.00m均为深工作井。根据纵断面布置，该工程工作井深度为21.75m，为深工作井，深工作井宜使用沉井法施工。

经计算，工作井最小内净宽度B=14.66m，工作井最小内净宽度设计值为15.00m。

五、顶管工程优化设计

1.工作井优化

在保证工作面和使用功能的前提下，本着节约造价、简化施工、减小工作量的原则，将工作井尺寸由11.00m×15.00m 的方井调整为内径11.00m的圆井，并将其调整为永久跌水井，以解决上游埋管坡度大、流速大的难题，减小上游埋管的埋深和土方开挖工程量，降低工程整体造价、优化工期。同时，工作井的施工由沉井优化为逆作法施工。

沉井法施工适用于埋深较深的顶管永久井和周边较空旷的地区。沉井一定范围内有管线或建（构）筑物的，不适用沉井法施工。当沉井下沉时，会带动井周围土体一起下沉，引起周边建筑物倾斜或沉降，同时对周围土体有一定不利影响。当场地受限时，既不适用沉井也无法进行开挖施工，工作井逆作法施工就成了最好的选择。沉井逆作法施工具有对周边建（构）筑物影响较小、土方量小、安全性高、加快施工进度、减小施工难度的优点。

2.管道坡度优化

根据目前国内、外施工技术现状，顶管纵断面设计一般采用两端竖井与水平顶管结合的方式，其中，水平顶管坡度多控制在0.5%~1.0%。大坡度顶管给顶管后座、导轨的排布，顶管动力系统的设置，以及顶管轴线控制测量方法等有更高的要求。

为了提高施工过程中地控制精度，同时保证管道排水通畅，满足最大过流的前提下，顶管坡度适当减小。结合实际情况，顶管纵坡由4.75%调整为3.0%，经过计算满足下游流速大于上游流速，避免因流速变小引起的淤积。