張成軍

（山西省禹門口水利工程管理局太原030002）

0 引言

禹門口提水東擴工程（一期）輸水管線擬定有15處穿越公路頂管（包括縣道、省道、國道、高速路，其中一處為連續(xù)穿越公路和房屋）和4處穿越鐵路頂管。頂管專業(yè)性強、施工難度大、周期長、相對投資大，為優(yōu)化設(shè)計，在考察國內(nèi)類似工程（陜西黑河供水二期工程）并咨詢有關(guān)單位和專家基礎(chǔ)上，提出擬采用帶鋼筒和承插口的預(yù)應(yīng)力混凝土管道頂管（簡稱PCCP頂管）方案，并就該方案進(jìn)行了專題研討。PCCP頂管與傳統(tǒng)頂管加穿管方案相比具有成本低、進(jìn)度快的優(yōu)點，對解決管線穿越建筑物具有很強的針對性和優(yōu)勢。鑒于該種頂管在國內(nèi)應(yīng)用才剛剛開始，現(xiàn)結(jié)合禹門口提水東擴工程頂管方案就其可行性進(jìn)行分析。

1 管線穿越建筑物的傳統(tǒng)方案

1.1 頂進(jìn)箱涵內(nèi)穿壓力管道方案和頂管內(nèi)穿壓力管道方案

國內(nèi)目前所完成的輸水管線幾乎都要多次穿越建筑物（鐵路、公路、房建等），隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，國家路網(wǎng)建設(shè)速度大大加快，給引調(diào)水工程設(shè)計和施工帶來困難。早期為節(jié)約投資或簡化施工一般盡量采用破路方案，隨著車流量加大和公路等級的提高，破路方案協(xié)調(diào)管理難度大大增加，成本增加，為此管線穿越建筑物開始廣泛采用頂進(jìn)箱涵內(nèi)穿壓力管道方案和頂管內(nèi)穿壓力管道方案。頂進(jìn)箱涵內(nèi)穿壓力管道方案和頂管內(nèi)穿壓力管道方案均為先形成涵洞然后從內(nèi)部穿越壓力輸水管道，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1、圖2。

圖1 頂進(jìn)箱涵內(nèi)穿壓力管道結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 頂管內(nèi)穿壓力管道結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.1 頂進(jìn)箱涵內(nèi)穿壓力管道方案

頂進(jìn)箱涵內(nèi)穿壓力管道方案是在現(xiàn)場預(yù)制鋼筋混凝土箱涵，然后將箱涵逐節(jié)頂進(jìn)最終形成管道穿越的方形涵洞，最后從內(nèi)部穿越壓力管道。其優(yōu)點是可根據(jù)工程需要設(shè)計成所需的形狀和尺寸，如長方形、正方形等，其缺點是成本高、施工周期長。一般適用于大型涵洞的頂進(jìn)或大型管道的穿越。

1.1.2 頂管內(nèi)穿壓力管道方案

頂管內(nèi)穿壓力管道方案是直接采購圓形鋼筋混凝土頂管，然后將頂管逐節(jié)頂進(jìn)最終形成管道穿越的圓形涵洞，最后在圓涵內(nèi)部穿越壓力管道。與頂進(jìn)箱涵內(nèi)穿壓力管道方案相比，其優(yōu)點是管材成本低、土方開挖量小、管道采購和施工工期短，其缺點是當(dāng)管徑超過3 m時，受超高、超寬、超重影響將難以運輸。一般適用于直徑不大于3 m的頂管。

1.2 頂進(jìn)箱涵內(nèi)穿壓力管道方案和頂管內(nèi)穿壓力管道方案的對比

兩種方案在禹門口提水東擴工程中之對比見表1。

表1 禹門口提水東擴工程頂進(jìn)箱涵方案和頂管內(nèi)穿壓力管道方案對比表

根據(jù)表1所列方案，以穿越2 m直徑管道為例對其成本加以比較。不考慮內(nèi)部穿管成本，采用箱涵頂進(jìn)方案成本約為3萬元/m，采用頂管頂進(jìn)方案成本約為2萬元/m，同時頂管頂進(jìn)方案還可以縮短工期1/3甚至1/2。因此，就傳統(tǒng)方案而言，管線穿越建筑物采用頂管內(nèi)穿壓力管道方案明顯優(yōu)于箱涵內(nèi)穿壓力管道方案，禹門口提水東擴工程管線穿越建筑物設(shè)計當(dāng)首選頂管內(nèi)穿壓力管道方案，具有顯著的經(jīng)濟性和合理性。

2 帶鋼筒和承插口的預(yù)應(yīng)力或鋼筋混凝土頂管方案

鑒于傳統(tǒng)傳統(tǒng)頂管內(nèi)穿壓力管道方案頂管內(nèi)徑較大，頂管完成后還需從內(nèi)部穿越輸水壓力管道，施工難度加大，工程成本大。為優(yōu)化設(shè)計方案，在工程實踐中開始提出了頂管直接作為壓力管道方案，即采用與壓力管道相同直徑的頂管直接頂進(jìn)后作為壓力管道，然后與上下游管線連接，該方案可大大節(jié)約成本、縮短工期。

2.1 頂管直接作為壓力管道的種類

頂管直接作為壓力管道在國內(nèi)是在PCCP使用發(fā)展過程中，根據(jù)PCCP結(jié)構(gòu)特點和頂管特點由PCCP管廠所開發(fā)的一種新型頂管，其基本特點是帶鋼筒和承插口的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，分別作為管體防滲、接頭防滲、管體承受水壓力和外荷載措施。管道結(jié)構(gòu)一般有兩種，一種是根據(jù)荷載情況設(shè)計采用兩層或三層鋼筋網(wǎng)混凝土管體，稱為帶鋼筒和承插口的鋼筋混凝土頂管；一種是采用與PCCP完全相同的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，但保護(hù)層由砂漿層變?yōu)橛幸粚愉摻罹W(wǎng)的現(xiàn)澆混凝土保護(hù)層，稱為PCCP頂管，或稱JPCCP。因此，該兩種頂管均具有傳統(tǒng)頂管的全部功能并具有PCCP承受水壓力和接頭防滲的優(yōu)點。也使該種頂管直接替代傳統(tǒng)頂管內(nèi)部穿管成為可能。但兩種頂管還是具有明顯區(qū)別，主要體現(xiàn)在一種為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一種為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。PCCP頂管與帶鋼筒和承插口的鋼筋混凝土頂管相比，其壁厚減薄，鋼筋用量減少，技術(shù)更加合理，更加經(jīng)濟。從工作性能講，PCCP頂管由于在其管壁混凝土中施加了預(yù)應(yīng)力，并進(jìn)行抗裂設(shè)計復(fù)核，使其在承受內(nèi)水壓時不會產(chǎn)生開裂，管道耐久性能提高。而帶鋼筒和承插口的鋼筋混凝土頂管由于所配置鋼筋只能起到限裂作用，而無法杜絕內(nèi)壁裂縫的產(chǎn)生，而裂縫將會造成鋼筒銹蝕。因此，就該兩種可直接作為壓力管道的頂管而言，PCCP頂管更具優(yōu)勢。因此，禹門口提水東擴工程建設(shè)提出了頂管直接作為壓力管道方案，并進(jìn)一步提出了采用PCCP頂管方案。

2.2 頂管直接作為壓力管道國內(nèi)使用情況

適應(yīng)國內(nèi)發(fā)展管道引水工程快速發(fā)展的形勢需要，山東電力管道工程公司、新疆國統(tǒng)管道股分有限公司分別于2000年、2009年研制生產(chǎn)了帶鋼筒和承插口的鋼筋混凝土頂管，并分別在陜西黑河水庫引水二期工程、河南云臺山引水工程、東莞引水工程等項工程中進(jìn)行了應(yīng)用，管徑為1.8～2.8 m。其中陜西黑河水庫引水二期工程采用了直徑2.4 m的頂管2 200 m，主要是穿越村莊，已運行近十年未出現(xiàn)異常情況；河南云臺山引水工程采用了直徑2.2 m的頂管1 000 m，已運行五年未出現(xiàn)異常情況。該兩項工程均為在北方地下水位較深的黃土區(qū)域所建工程，地質(zhì)情況和管徑均對禹門口提水東擴工程具有很好的借鑒價值。

2008年無錫華毅管道有限公司在國內(nèi)首次研制生產(chǎn)了帶鋼筒和承插口的預(yù)應(yīng)力混凝土頂管，并在南通自來水公司管線工程進(jìn)行了應(yīng)用，頂管長度330 m，管道直徑2.2 m。目前該工程已運行兩年，未出現(xiàn)異常。盡管管道應(yīng)用長度不大，但對進(jìn)一步研究使用具有重要意義。

2.3 管道結(jié)構(gòu)

圖3 帶鋼筒和承插口的鋼筋混凝土頂管接頭

圖4 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土頂管接頭

山東電力管道工程公司、新疆國統(tǒng)管道股分有限公司設(shè)計采用了兩層或三層鋼筋網(wǎng)混凝土管體結(jié)構(gòu)，見圖3。無錫華毅管道有限公司設(shè)計采用與PCCP完全相同的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，但保護(hù)層由砂漿層變?yōu)槎文不炷粒ㄓ幸粚愉摻罹W(wǎng)的現(xiàn)澆混凝土保護(hù)層），見圖4。兩種管道的主要區(qū)別是在承受內(nèi)壓內(nèi)壁裂縫情況不同，采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)可以保證管道在設(shè)計壓力下內(nèi)壁不會出現(xiàn)裂縫；而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計壓力下內(nèi)壁會出現(xiàn)縱向小裂縫，裂縫深至鋼筋處會對鋼筋造成銹蝕，該裂縫可能會對管道耐久性產(chǎn)生影響。因此，總體分析預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的頂管又優(yōu)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的頂管。

針對頂管設(shè)計和施工方案，經(jīng)調(diào)研、考察并咨詢類似工程建設(shè)經(jīng)驗和專家意見，禹門口提水東擴工程擬采用PCCP（帶鋼筒和承插口的預(yù)應(yīng)力混凝土管道）頂管，并由頂管直接作為壓力管道使用，并提出了關(guān)于接頭處理專項設(shè)計方案，以確保管道接頭不會滲水。

3 采用PCCP頂管可行性分析

3.1 優(yōu)點

（1）施工簡單。采用帶鋼筒和承插口的混凝土頂管與傳統(tǒng)頂管加套管工藝相比，頂管內(nèi)徑減小、省去穿管工序（管材費用和施工費用），土體開挖量減少50%～60%。施工難度大大減小。

（2）基礎(chǔ)受力條件改善。PCCP頂管直接作為壓力管道，管道加水重比所開挖的土體重量減小40%～60%。減小了基礎(chǔ)荷載，不會增加基礎(chǔ)承載力，比傳統(tǒng)頂管受力情況改善。

（3）成本低。直接采用頂管作為壓力管道可大大減小成本。

a.省去內(nèi)部穿管的全部管材費和安裝費用。

b.減少頂管的管材費用。頂管內(nèi)徑減小，管材費用減小40%～50%。如2 m頂管比3 m頂管的管材費用減小約50%。

c.減少土體開挖量50%以上。

（4）進(jìn)度加快。由于施工工藝簡化，施工難度大大減小，頂管施工進(jìn)度大大加快。

3.2 風(fēng)險

（1）接頭漏水問題。接頭漏水后影響較大，處理難度大。

（2）長期運行管道產(chǎn)生不均勻沉降問題。管線經(jīng)過長期運行，如果由于外界因素產(chǎn)生管線不均勻沉降，當(dāng)沉降幅度達(dá)到一定程度可能會造成管道接頭漏水，接頭漏水又會加劇不均勻沉降，從而會造成路基的沉降破壞。

4 本項目采用PCCP頂管分析

4.1 本項目采用PCCP頂管的基礎(chǔ)條件

（1）有利條件。頂管施工工藝已非常成熟，直接頂管已有幾項工程成功應(yīng)用，最早應(yīng)用已達(dá)十年以上。本項目所設(shè)計各處頂管地質(zhì)均為Q2和Q3黃土，土質(zhì)均勻，地下水埋深在15 m以下，非常有利于頂管作業(yè)，可頂進(jìn)性好，利于提高開挖精度，且可以直接采用人工挖土作業(yè)。因避免采用頂管成套設(shè)備，成本還會有明顯降低。

（2）不利條件。輸水線路經(jīng)過的主要地貌單元為山前沖洪積傾斜平原區(qū)、汾河河谷、漫灘及階地，本段汾河主要發(fā)育一級階地和三級階地。主要發(fā)育的地層有新生界第四系中更新統(tǒng)（Q2pl）、上更新統(tǒng)（Q3pal）、全新統(tǒng)（Q4pal）以及人工堆積（Qs）。場地低液限黏土多為中等全強烈濕陷性土，存在濕陷性問題。一旦接頭漏水會造成管基沉降，嚴(yán)重時會造成路基的沉降破壞。

4.2 可以考慮采取的加強或質(zhì)量保證措施

禹門口提水東擴工程輸水線路主要地層多為中等至嚴(yán)重濕陷性土，存在濕陷性問題。一旦接頭漏水會造成管基沉降，甚至?xí)斐陕坊钠茐?。對此，?yīng)采取嚴(yán)格的控制措施：

（1）嚴(yán)格接頭制作及安裝質(zhì)量控制。a、制作方面嚴(yán)格控制并減小管接頭制作橢圓度和端面傾斜度；b、施工方面加強頂管安裝前的接口橢圓度和局部橢圓度檢查，頂進(jìn)前嚴(yán)格進(jìn)行接頭水壓試驗。

（2）嚴(yán)格開挖和測量控制。減小超挖，提高頂管軸線和高程精度，最大程度保證承插接口處于正常工作狀態(tài)。

（3）嚴(yán)格頂管安裝后的接頭打壓檢驗，對打壓不合格接頭進(jìn)行專門防滲處理。處理方法：對接縫清洗和干燥、底層采用聚氯密封膠打底、外側(cè)水泥砂漿勾縫、內(nèi)表面涂刷聚脲防滲層。

（4）加強頂管段的運行檢查和監(jiān)測，可結(jié)合管線整體設(shè)計，考慮適當(dāng)調(diào)整或增設(shè)檢查井。

（5）增加對頂管外壁與土體間縫隙的水泥稠漿低壓灌漿措施，既可充填縫隙，又可加固周圍土體。起到減少路面沉降，改善管道受力條件。

5 結(jié)語

PCCP頂管是在PCCP使用發(fā)展過程中，根據(jù)PCCP結(jié)構(gòu)特點和頂管特點由PCCP管廠所開發(fā)的一種新型頂管。禹門口提水東擴工程所在地區(qū)土質(zhì)均勻，地下水埋深大，方便頂管施工作業(yè)，利于質(zhì)量控制。經(jīng)綜合分析，本項目穿越公路采用PCCP頂管是合理可行的。

（1）PCCP頂管與傳統(tǒng)頂管加穿管方案相比具有成本低、進(jìn)度快的優(yōu)點。

（2）PCCP頂管施工應(yīng)加強質(zhì)量控制，采用精細(xì)化施工措施。包括嚴(yán)格接頭制作及安裝質(zhì)量控制；嚴(yán)格開挖和測量控制；嚴(yán)格頂管安裝后的接頭打壓檢驗，對打壓不合格接頭進(jìn)行專門防滲處理。

（3）由于成本較低，PCCP頂管在管線穿越公路、鐵路、房屋等建筑物工程中具有廣泛推廣應(yīng)用價值。

（4）由于缺乏設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，禹門口提水東擴工程在設(shè)計采用PCCP頂管時，采取了保守設(shè)計措施，外壁鋼筋混凝土層僅作為保護(hù)層使用，存在浪費問題，建議對PCCP頂管結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工方法進(jìn)一步研究。