摘要：本文結合我國現(xiàn)有的給水排水管道工程設計及施工規(guī)范中對超淺埋頂管（覆蓋土層不大于3米且不大于1.5倍管外徑）沒有規(guī)定的現(xiàn)狀，分析討論了在大都市中應用淺層頂管的可行性。
頂管施工是繼盾構施工之后而發(fā)展起來的一設，對于超淺層管道，開挖是最便宜的埋設方法，為種地下管道施工方法，它不需要開挖面層，能夠穿什么要對超淺層頂管進行研究呢？越公路、鐵道、河川、地下建筑以及各種地下管線。它最早始于1896年美國的北太平洋鐵路鋪設工程的施工中。
頂管施工是借助于主頂油缸及管道間中繼站等的推力，把工具管或掘進機從工作坑內(nèi)穿過土層一界絕無僅有,城市搬遷以及人口遷移的規(guī)模均堪稱直頂推到接收坑內(nèi)，與此同時把緊隨工具管或掘進舉世空前,其帶來的影響涉及方方面面和千家萬機后的管道埋設在兩坑之間。
在我國現(xiàn)有的給水排水管道工程設計及施工規(guī)有趣的一個。范中，還沒有對淺層頂管頂管進行定義。上海市市距離重慶市八十公里左右，距三峽大壩八百公政工程局1993年的《市政工程施工及驗收技術規(guī)里左右的涪陵區(qū)是三峽大壩上游城市中受淹沒較小程》第四篇“下水道”，第五章第5.1.10條規(guī)定：“頂而管的覆土深度在無氣壓頂管施工的情況下，一般應城區(qū)下水道自然需要重新規(guī)劃和改造,在主城區(qū)實滿足深度不小于3m的覆土要求，且有平衡手段的不宜小于1.3倍的管節(jié)外徑，無平衡手段的不宜小于1.5倍的管節(jié)外徑，否則應采取相應的技術措施”。結合有關文獻資料，可以認為在無平衡手段施工的前提下，覆土厚度H<3m且h<1.5d（d為管節(jié)外徑）時為超淺層覆土。當管道縱向軸線為曲線時，就可以定義為超淺層曲線頂管。一方面，結合上海市市政工程局1993年的《市政工程施工及驗收技術規(guī)程》的規(guī)定，超淺層覆土一般是不宜采用頂管方法埋設管道的。另外一方面，以往，在排水系統(tǒng)施工中，對于入地較深的管道，即深層管道，考慮到土石方量較大，從經(jīng)濟的角度考慮，一般采用頂管的方法埋設；而對于淺層管道，可采取開挖或頂管的方法埋設，對于超淺層管道，開挖是最便宜的埋設方法，為什么要對超淺層頂管進行研究呢？< span="">
1 、三峽工程要求上游城市改建的需要
舉世聞名的三峽工程實現(xiàn)之前, 將率先實現(xiàn)上游系列城市和百萬人口的遷移, 三峽工程之巨為世界絕無僅有, 城市搬遷以及人口遷移的規(guī)模均堪稱舉世空前, 其帶來的影響涉及方方面面和千家萬戶，其需要研究的相關課題也是包羅萬象，不勝枚舉。超淺層曲線頂管就是這些課題中非常有意義和有趣的一個。距離重慶市八十公里左右，距三峽大壩八百公里左右的涪陵區(qū)是三峽大壩上游城市中受淹沒較小的城市，即便如此，也需要加高和重建防洪大堤，而城區(qū)下水道自然需要重新規(guī)劃和改造,在主城區(qū)實施下水管道改造,顯然應盡力避免采用大開挖埋管施工,開挖施工不僅需要中斷交通,而且影響商業(yè)經(jīng)營和居民生活,影響城市景觀、旅游甚至影響引資，人們總是對挖了又填、填了又挖的現(xiàn)象怨聲載道。在此情況下宜采用對地面影響不大的頂管施工。在頂管施工中，有的區(qū)段管頂距地面的距離小于管徑的1.5倍，屬于超淺層頂管的范疇,頂管過程中管體運動對地面的影響自然成為人們關心的問題。下面通過幾個例子加以說明。
重慶市南岸南濱路的下水道工程也是典型的一個例證，由于南濱路已經(jīng)成為重慶市著名的景點和滿布餐飲業(yè)的商業(yè)大道，在此實施大開挖埋管顯然不適合，經(jīng)過分析比較，采取頂管和超淺層頂管不失為一個符合實際的方案，根據(jù)管線設計，該項工程基本上都是超淺層頂管，施工中尤其要注意頂管對地面的影響和擾動。
深圳沙河頂管工程，要穿過一個使用頻繁的高爾夫球場，如果采用大開挖，高爾夫球場將在很長一段時間內(nèi)不能使用，草地一時難以復原，而采用超淺層頂管就較好地解決了這一問題。
深圳紅花渠下的頂管工程和成都琉璃場沙河頂管項目等工程實踐，都證明超淺層頂管在城市擴展和改造中是一個重要而又必要的手段，其技術問題的研究是十分重要的。
2 、城市不斷擴建的需要
在“國土城市化,城市信息化”的口號下,我國的城市擴展之快為世界史上所罕有,小城市變?yōu)榇蟪鞘?大城市變?yōu)槌壌蠖际�。但�?我們在城市發(fā)展中或許忽略了一個問題,那就是地下管網(wǎng)的規(guī)劃、標準和建設,滿足不了城市發(fā)展的需要。2004年夏季,北京、上海及其他城市夏天暴雨后主城區(qū)大面積深度積水,其原因主要是隨著城市的擴建，舊有的排水系統(tǒng)難以滿足實際的需求，而人們在擴建城市的時候，對地下設施往往關注不夠，或是在短期內(nèi)無法解決大規(guī)模的排水系統(tǒng)改造，兩大城市在今年夏季大雨天暴露出來的問題，在全國各個城市都不同程度地存在，有國外專家在有關學術會議上指出，像上海這樣的城市，如果只注意地面上的高樓大廈而忽略地下設施，那就永遠達不到國際大都市的標準，由此可見地下設施的重要性，因此，超淺層頂管的研究具有普遍而重要的意義。
3、 交通的需要
中華人民共和國國務院1996年10月11日公布的《城市道路管理條例》[4]規(guī)定，新建道路5年內(nèi)不準開挖；修復道路3年內(nèi)不準開挖。大開挖埋管施工必然要帶來交通的阻斷和堵塞，而交通阻斷對經(jīng)濟造成的損失是巨大的，對人民工作和生活的影響也是巨大的，在城市交通繁忙的街道上實施大量開挖，帶來的后果，不僅有經(jīng)濟上的，還有社會心態(tài)上的，高速公路和鐵路上更不允許交通阻斷，而不影響交通的最好方案就是采用頂管施工，這也是當前淺層、超淺層頂管工程愈來愈多的原因。另外，管道在穿越鐵路和公路時，頂管幾乎是唯一的施工手段。
大開挖埋管施工必然要帶來交通的阻斷和堵塞，而交通阻斷對經(jīng)濟造成的損失是巨大的，對人民工作和生活的影響也是巨大的，在城市交通繁忙的街道上實施大量開挖，帶來的后果，不僅有經(jīng)濟上的，還有社會心態(tài)上的，高速公路和鐵路上更不允許交通阻斷，而不影響交通的最好方案就是采用頂管施工，這也是當前淺層超淺層頂管工程愈來愈多的原因。另外,管道在穿越鐵路和公路時,頂管幾乎是唯一的施工手段。
4、軍事的需要
一方面，從軍事角度而言，重要軍事要地不允許外來人員在軍事禁區(qū)大面積開挖，因此，必須通過軍事要地的地下管道只能采取頂管的方式。另一方面，頂管本身又是某些軍事工程的需要。
5 、淺層曲線頂管施工中的研究內(nèi)容
5.1 頂管施工中土體性狀及有待解決的問題
通過對研究現(xiàn)狀的分析發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)對于頂管工程的研究還比較落后，主要是分析頂管施工引起地面變形的原因以及減小地面變形的控制措施，或是對工程的經(jīng)驗總結和工程實例的說明。存在的問題可以歸納為以下幾個方面：
（1）在所有頂管施工對巖土環(huán)境影響的研究中，主要內(nèi)容局限于地面沉降及地面水平位移，而其中預測施工時間效應的很少�，F(xiàn)有的考慮沉降時間性的研究往往僅僅針對長期最終沉降，其預測的方法主要是根據(jù)現(xiàn)場觀測得到的經(jīng)驗公式。此外，對于頂管施工引起的地面沉降，橫向土體變形計算一般都采用估算盾構引起地面沉降的Peck公式[5] ，或是對Peck公式的修正公式。對于縱向土體變形計算公式以及深層土體水平位移公式則基本沒有。
（2）對頂管施工引起的土體擾動以及受擾動土體性質(zhì)缺乏深入研究。就施工對土體的擾動范圍和擾動程度，在實踐中進行了一些觀測，但在理論上研究仍顯不足且缺乏評價指標。頂管工程現(xiàn)場試驗主要集中在對地面變形的監(jiān)測，而對于頂管施工過程中深層土體移動、土壓力、孔隙水壓力、地下水位變化的現(xiàn)場監(jiān)測以及判斷擾動區(qū)土體性質(zhì)變化的標準貫入度試驗和靜力觸探試驗幾乎沒有
（3）頂管施工引起的土體變形是具有三維性和歷時性的，因此凡是文獻中提及的以兩維平面問題。
對頂管施工引起的地層變形的研究都是對該問題的簡化處理，具有局限性。目前對土體三維位移采用三維有限元來進行研究比較合理，但計算量大、時間長，特別是在非線性彈塑性土占主導地位的軟土中，這種研究的優(yōu)點減少。
（4）目前的研究著重于頂管施工過程中的地面變形或地下土體水平位移的觀測、計算和預測，而對施工后直至土體最終穩(wěn)定的長期移動缺少深入的研究。對頂管施工引起的孔隙水壓力變化過程、土體中水的滲流以及土體中孔隙水壓力的分布情況缺乏了解。對土體的再固結引起的土體長期沉降缺乏研究。
（5）國內(nèi)對頂管施工過程中注漿的研究目前主要針對注漿工藝研究，包括漿液配比、注漿量、注漿孔的布置等。對注漿過程中漿液、管道、土體三者之間的相互作用機理，包括漿液在周圍土體中的滲流過程、漿液與土體之間的相互作用、注漿的影響因素等缺乏了解。
對于曲線頂管，國內(nèi)外的文獻較少，對于曲線頂管施工引起的土體性狀變化幾乎是一個全新的課題。
5.2 頂管施工技術及有待解決的問題
曲線頂管的施工方法主要有：傳統(tǒng)曲線頂管法，預調(diào)式曲線頂管法。前者的主要缺點是在一次頂進長度中，只能實施同一種半徑的圓弧曲線頂管，是一種非實際意義的曲線頂管；后者則要求在每一個管節(jié)口安裝有間隙調(diào)整器，然后人為地調(diào)整管子的張角，使之符合設計的曲線要求，再進行推進的一種新工藝。
為了能夠?qū)崿F(xiàn)更小彎曲半徑的曲線頂管或者S形曲線頂管，人們進行了不斷的研究和探索，近幾年曲線頂管技術的發(fā)展主要集中在以下幾個方面：
（1）相關機械技術的研究與開發(fā)
作為曲線頂管的施工機具與普通的幾乎沒有差別，也是包括工具管的掘進機具、棄土機具、糾偏機具、中繼站油缸、以及工作井中的主油缸、起重機具等機械。這些機械技術的研究和開發(fā)程度對曲線頂管乃至整個非開挖技術的發(fā)展進程有著決定性的作用。目前日本和德國在這個方面處于領先地位，而我國在這個方面還處于相對落后狀況。
（2）管節(jié)接頭技術
管節(jié)接頭形式可以分平接口、企口、F形接口三種，選取不同的接口形式[7]
，止水效果就可能不同。管節(jié)接口是頂管施工的一個重要因素，其作用有如下幾點：頂進時在管與管之間傳遞縱向力；在管路方向改變、如管道糾偏時，傳遞橫向力；起到管與管之間的密封作用，為了使管節(jié)接口充分地發(fā)揮以上作用，故在施工控制時，一定要控制好管節(jié)接口這個關鍵部位，但遺憾的是，目前的施工狀況不容樂觀。為了在管與管之間傳遞縱向力，需在管子接縫處安置彈性墊圈，墊圈必須發(fā)生塑性變形而同時又不會變硬，以便補償管端的不平整度，現(xiàn)時墊圈的彈性應盡可能地小一些，因為在千斤頂卸載時，墊圈的彈性會導致由一節(jié)管到下一節(jié)管的回彈，致使維持頂進效果在每次卸載后都有一部分遇到損失。故墊圈也是也是關鍵的一環(huán)，墊圈的強度、尺寸是施工控制中的主要因素，根據(jù)情況可以選擇耐酸或耐堿的材料，制成墊圈。在曲線頂管施工中，墊圈是一個更重要的控制因素。在這個方面國內(nèi)的研究不夠深入，在曲線頂管方面還是空白。
（3）管線潤滑技術
管線潤滑可以大大減小管節(jié)與周圍土體的摩擦阻力，從而一方面可以減小中繼站、總站的動力裝置的功率，另外一個方面還可以減小管節(jié)內(nèi)力分布，減少了管節(jié)中的應力集中現(xiàn)象，為工程的安全順利進行提供必要的保證。目前工程上用的最多是用膨潤土漿作為潤滑減摩劑，這種材料既能對管節(jié)周圍土體起到支撐作用，又可以在管節(jié)與周圍土體形成潤滑的結合面起到減摩的作用，收到了比較明顯的效果。一般地，超淺層曲線頂管的減摩更復雜，并且還要控制好注漿壓力，過大會在地面出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，甚至還會在地面出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象。
但是膨潤土漿的配合比、注漿壓力、注漿量的控制等都是根據(jù)實際工程的類比經(jīng)驗調(diào)整的，還沒有做深入細致的研究，也沒有可以執(zhí)行的統(tǒng)一技術規(guī)程。
（4）測量與控制技術
在頂管施工測量中，整個系統(tǒng)隨時都在運動中，因此在管線部分不可能找到一個固定不變的參考點作為測量的校準點，對于普通光學測量設備，由于工作井一般均低于地面，頂管的管節(jié)是不斷移動的，施工測量所用的控制點只能放在管節(jié)以外的地方，這些就增加了施工控制測量的難度，從而必須做好誤差校準工作。
6 淺層曲線頂管的發(fā)展前景
一個國家地下管線的人均擁有量，從某種程度上反映了該國的經(jīng)濟發(fā)展水平和人民的生活質(zhì)量，我國北京人均擁有給排水管道2.65m，而歐洲為12m。據(jù)報紙報道，截至2005年11月重慶市城區(qū)各類地下管線長度達到20000km。
2004 年夏天，北京、上海和其他城市因為大雨而導致街面積水很深的現(xiàn)象出現(xiàn)后，有國內(nèi)外專家指出，我國的城市建設不要只圖面上好看，像上海這樣的城市，如果只是有高樓大廈而沒有完整的地下設施，那將永遠也達不到國際大都市的標準。這在國內(nèi)已經(jīng)引起了政府和群眾的一致共鳴和高度重視。在大多數(shù)情況下，城市排水系統(tǒng)改造都不能采取大開挖的方式，采用頂管施工，必然有相當部分為超淺層頂管，像重慶主城排水工程中排水系統(tǒng)改造，就幾乎全部屬于超淺層頂管。
可以預見，隨著我國城市的不斷發(fā)展，超淺層頂管將愈來愈多，因此，超淺層頂管技術的研究和應用具有十分廣闊的前景。
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