刚柔性复合顶管穿越新建大堤的应用

刘华根

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

近年来，随着我国城市人口的不断增加，城市化进程不断加快，地下管道的数量也随之迅速增加。顶管法作为一种先进的铺管技术，以开挖量小、对周围环境影响少和施工快等特点而被越来越广泛地应用[1]。

顶管工程技术是当前较为先进的施工技术之一。它主要是通过主顶油缸的顶进推动力来推动工具管在建设区域内进行推进，使工具管能够从工作井穿越土层到达接收井的作业孔洞中。这一工程技术很好地规避了挖掘作业施工中的很多隐患，使工程施工的自动化程度大大提升[2]。但在这类工程施工与建设中具有一定的技术风险和难度[3]。

在管道穿越江堤、海塘、防汛墙、泵闸等重要水工建筑物时，由于水工建筑物自身的沉降往往还没有稳定，同时上覆荷载很大，常常造成刚性管道连接处断裂，周围砂土涌入管道[4]。管道一旦失事，不仅影响管道的正常运行，更对水工建筑物的安全造成极大的影响。此类工程事故屡见不鲜。若采用刚柔性复合顶管，能够克服管道穿越建筑物造成断裂而带来的不良后果。

1 工程概况

1.1 尾水排海工程

新建排海管工程是上海某污水处理厂一个分项工程，其作用是将经污水处理厂处理的尾水排入离岸835m处的深海区域，工程尾水排海远期规模为30万m3/d。主要工程内容有：高位井（兼作顶管工作井）、排海管（包括扩散段）、应急排放管、上升管、扩散段处抛石护底。

排海管采用C 50钢筋混凝土管，D N1800，管节长度3m，壁厚180mm，管道接口采用“F”型柔性接口，单圈橡胶止水圈密封止水。排放管采用竖曲线顶管方法施工。埋设深度为管中心标高-9.58～-16.7m，管道全长898.5m，在排放管各扩散段上设置13根D N420的上升管。其中，高位井至新建大堤堤脚外138m范围管道内采用柔性接头连接。

应急排放管采用岸边排放，其主要作用是排海管发生故障或检修时和尾水排放量超过排海管的排放能力时的临时排放。应急排放管采用C 50钢筋混凝土管，其材质规格与排海管相同。排放管采用顶管方法施工。埋设深度为管中心标高-9.58～-10.58m，管道全长282.0m。在应急排放管上设置3根上升管，管径D N1000。每根上升管设置橡胶鸭嘴阀，其中高位井至新建大堤堤脚外138m范围管道内采用柔性接头连接。

1.2 大堤结构形式

管道穿越的大堤为新建大堤，采用斜坡式断面型式（见图1）。堤顶宽8.2m，堤顶高程8.1m，堤顶临海侧设置钢筋混凝土防浪墙，墙顶高程10.6m。大堤断面结构为：临海坡上、下坡均为1∶3.0，在高程6.0m处，设置宽5.6m的消浪平台；在高程3.0m处，设置宽3.5m的镇压层，以利于堤身整体稳定和起部分消浪作用。外坡护坡结构为：反滤土工布一层，10 cm袋装碎石垫层，干砌块石30 cm，钢筋混凝土栅栏板。平台结构为素混凝土石埂，细石混凝土灌砌块石。堤顶设置钢筋混凝土防浪墙，坡脚外侧滩地利用原促淤600P H C管桩保摊。顺堤内坡1∶2.0，土工网垫草皮加固，青坎宽度20 m，青坎后系随塘河。

图1 顶管穿越大堤断面图

该工程管道顶管施工部分采用D N1800的顶管，管线主要穿越第②3、③、⑤1或⑤2层土。根据地质勘察报告，大堤相关土层物理力学性质指标见表1所列。

2 大堤沉降数值计算

2.1 数值模型计算

采用有限元计算方法计算大堤目前的坝顶沉降及最终坝顶沉降，计算根据施工周期与填筑安排，确定填筑施工各阶段计算工况，如表2所列。

建立计算模型，设置沉降数据输出点。根据不同的工况，计算得到不同阶段的沉降结果（见图2～图11）。图12为沉降输出各点位置图。图13为沉降观测断面各点实测与计算沉降对比（填筑第六阶段）曲线图。表3为沉降观测断面各点实测沉降与计算沉降一览表。

2.2 计算结果分析

综合地质资料、计算结果、大堤沉降观测等内容，可以得出以下结论：

（1）根据计算值和观测值比较，施工期A点（对应磁环10）沉降计算值0.267m，观测值0.233m，计算值和观测值基本吻合。其它各点计算值和观测值也基本一致，实测与计算沉降差异最大仅3 cm，表明计算值是合理可信的（见图13和表3）。

表2 计算工况表

图2 填筑第一阶段沉降变形云图

图3 填筑第二阶段沉降变形云图

表1 土层物理力学性质指标一览表

图4 填筑第三阶段沉降变形云图

图5 填筑第四阶段沉降变形云图

图6 填筑第五阶段沉降变形云图

图7 填筑第六阶段沉降变形云图

图8 填筑第七阶段沉降变形云图

图9 填筑第八阶段沉降变形云图

图10 填筑第九阶段沉降变形云图

图11 填筑第十阶段沉降变形云图

图12 沉降输出各点位置图

图13 沉降观测断面各点实测沉降与计算沉降对比（填筑第六阶段）曲线图

表3 沉降观测断面各点实测沉降与计算沉降一览表

（2）通过主固结沉降分析，目前平均固结完成约55.6%。

2.3 顶管穿堤沉降分析

顶管设计顶标高在-8.6m，该位置的横断面沉降曲线见图14所示。由图14可见，以大堤临外海侧堤脚为0m处，则主固结沉降最大值在大堤底宽57m处，该位置的沉降0.327m，目前已经沉降0.185m，即离沉降最大点还有0.142m沉降。

图14 顶管穿越沉降横断面沉降曲线图

3 刚柔性复合顶管方案

上述介绍的工程有两根排海管穿越新建大堤，管材为钢筋混凝土“F”管，穿堤处管顶高程为-8.60m左右，采用顶管方法施工。一般情况下新建大堤尚在沉降过程中，不宜立即进行管道施工。但该工程由于时间紧故需进行管道施工。

由数值计算得到，大堤主固结沉降最大值在大堤底宽57m处，目前已经沉降0.185m，沉降最大点还有0.142m。为防止新建大堤地基沉降对穿堤管道接口产生拉开和错角，从而造成管道渗漏影响大堤安全，采用从大堤内高位井处至大堤外侧堤脚保护桩以内138m范围内的钢筋混凝土管承插接头处新增内贴式Ω型橡胶止水带，防止地基沉降造成管道接口渗漏。

上述刚柔性复合顶管，其特征在刚性顶管管节接头位置设置柔性复合内衬管连接。内衬管采用氯丁橡胶柔性套管，刚性管道内表面预埋钢环，柔性复合内衬管与预埋钢环之间采用粘结剂粘贴。柔性复合内衬管与预埋钢环之间通过螺栓连接，即使刚性管道连接处发生开裂情况，由于有适应地基沉降的柔性内衬管保护，管道仍可正常运行，建筑物也基本不受影响。这样，基本克服了管道穿越建筑物造成断裂的后果，极大地保证了管道穿越的水工建筑物安全。图15为柔性复合内衬管详图。

图15 柔性复合内衬管详图（单位：cm）

该工程从竣工至今排海管通水运行超过10 a，排海管穿越处大堤并未发生差异沉降，验证了上述方法是安全可靠的。

4 结论

本文以上海某新建排海管工程为例，通过对于大堤沉降的数值模拟计算和大堤沉降对于顶管工程的影响分析，提出合理的应对措施。现得出以下结论供类似工程参考：

（1）该工程管道顶管施工部分采用 ø1800 mm的顶管，管线主要穿越第②3、③、⑤1或⑤2层土。根据上海同类工程经验，由于管底土质较软，土性有所不均，故可能会产生过大的不均匀沉降，严重时会引起管道或接头损坏，影响正常使用。

（2）大堤沉降的数值模拟计算值与实测值进行比较，两者较为一致，说明数值计算结果较为合理。根据计算，大堤主固结沉降最大值在大堤底宽57 m处，该位置的沉降0.327 m，目前已经沉降0.185m，即沉降最大点还有0.142m沉降。对顶管工程有不利影响。

（3）采用刚柔性复合顶管方案，从大堤内高位井处至大堤外侧堤脚保护桩以内138m范围内的钢筋混凝土管承插接头处新增内贴式Ω型橡胶止水带，基本克服了管道穿越建筑物造成断裂而带来的不良后果。此方法安全可靠。