郭茜彥

（西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安710068）

頂管工作井在特殊地形中的應(yīng)用

郭茜彥

（西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安710068）

通過(guò)延安地區(qū)某廠(chǎng)外給排水管線(xiàn)頂管工程中的頂管工作井設(shè)計(jì)實(shí)例，主要介紹了位于山坡特殊地形上的頂管工作井設(shè)計(jì)易出現(xiàn)的問(wèn)題及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，有關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員參考。

山坡；頂管工作井；設(shè)計(jì)問(wèn)題；計(jì)算；扶壁柱

0 引言

頂管施工是繼盾構(gòu)施工之后而發(fā)展起來(lái)的一種地下管道施工方法，它不需要開(kāi)挖面層，并且能夠穿越公路、鐵道、河川、地面建筑物、地下構(gòu)筑物以及各種地下管線(xiàn)等。頂管施工借助于主頂油缸及管道間中繼間等的推力，把工具管或掘進(jìn)機(jī)從工作井內(nèi)穿過(guò)土層一直推到接收井內(nèi)吊起。與此同時(shí)，也就把緊隨工具管或掘進(jìn)機(jī)后的管道埋設(shè)在兩井之間，以期實(shí)現(xiàn)非開(kāi)挖敷設(shè)地下管道的施工方法。

這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：不開(kāi)挖地面；不拆遷，不破壞地面建筑物；不破壞環(huán)境；不影響管道的段差變形；省時(shí)、高效、安全，綜合造價(jià)低。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定地增長(zhǎng)，城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，我國(guó)的地下管線(xiàn)的需求量也在逐年增加。加之人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)頂管要的地位和作用。非開(kāi)挖技術(shù)的發(fā)展必將向規(guī)模化、規(guī)范化、國(guó)際化的方向發(fā)展。作者就曾經(jīng)設(shè)計(jì)過(guò)的延安地區(qū)某廠(chǎng)外給排水管線(xiàn)頂管工程中的頂管工作井設(shè)計(jì)實(shí)例，主要介紹了位于山坡上的頂管工作井設(shè)計(jì)易出現(xiàn)的問(wèn)題及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程。

1 工程概況

本工程為延安煤油氣資源綜合利用項(xiàng)目西區(qū)事故緩沖池至廠(chǎng)外排洪溝頂管工程。該工程為事故緩沖池排空管道，起于西區(qū)事故緩沖池東南角，止于場(chǎng)外排洪溝跌水井，全長(zhǎng)約156.5 m。其中S1-S2段管道經(jīng)過(guò)廠(chǎng)區(qū)大門(mén)口現(xiàn)狀道路，采用DN1800 mm混凝土管機(jī)械頂管施工，S2-S3段管道采用明開(kāi)槽施工（見(jiàn)圖1）。

S2頂管工作井平面尺寸為7 m×5 m，埋深約2.335～5.335 m，頂管井僅作為頂管施工過(guò)程中的臨時(shí)支護(hù)措施，頂管結(jié)束后，在頂管井內(nèi)施工檢查井（見(jiàn)圖2）。

由于該工作井位于埋深較淺，后背墻后無(wú)天然土體產(chǎn)生的被動(dòng)土壓力，后背墻處于懸空狀態(tài)，為了防止頂管過(guò)程中頂管井整體產(chǎn)生滑移、傾覆及后背墻產(chǎn)生剪切破壞，減小后背墻的厚度，因而沿后背墻外側(cè)設(shè)計(jì)鋼筋混凝土扶壁，以抵抗頂管的頂力。扶壁凈高5.135 m，凈長(zhǎng)4.8 m，厚0.5 m，共設(shè)置2道。扶壁下采用鋼筋混凝土灌注樁基礎(chǔ)，樁徑Ф1.0 m，樁長(zhǎng)6 m,共計(jì)6根樁。鋼筋混凝土承臺(tái)尺寸為7 m×5.3 mm，厚度為0.8 m（見(jiàn)圖2）。

2 地質(zhì)條件

2.1 場(chǎng)地位置與地形地貌

項(xiàng)目場(chǎng)地地處延安富縣南部，位于距離富縣縣城以南約14 km的段家莊村。擬建場(chǎng)地原始地貌單元為黃土溝壑前緣斜坡地帶，現(xiàn)已經(jīng)人工挖填方平整。線(xiàn)路起于西區(qū)事故緩沖池東南角，止于場(chǎng)外排洪溝跌水井，擬采用頂管施工方式。管道沿線(xiàn)地面標(biāo)高約為946.18-951.261口，相對(duì)高差約為5.08 m。

2.2 地下水

本次勘察區(qū)域內(nèi)在各勘探孔勘探深度內(nèi)均未見(jiàn)地下水。

2.3 地層結(jié)構(gòu)及巖性

地層結(jié)構(gòu)及巖性見(jiàn)表1。

圖1 排水管線(xiàn)頂管段平面圖

圖2 頂管工作井詳圖（單位：mm）

表1 地層結(jié)構(gòu)及巖性

2.4 不良地質(zhì)作用

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)繪，擬建場(chǎng)地?zé)o滑坡崩塌、泥石流等不良地質(zhì)作用。

3 設(shè)計(jì)概要

（1）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

本工程結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)；基坑支護(hù)等級(jí)為二級(jí)；構(gòu)筑物地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為丙級(jí)；混凝土環(huán)境類(lèi)別為二b類(lèi)；頂管井為臨時(shí)性結(jié)構(gòu)，待頂管結(jié)束后廢除。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為5 a。

（2）設(shè)計(jì)荷載

本工程設(shè)計(jì)考慮路面活載：城-A級(jí)；施工期間設(shè)計(jì)考慮地面堆載：10 kN/m2。

（3）建筑材料

混凝土：C30；混凝土抗?jié)B等級(jí)P6；抗凍等級(jí)F150。

設(shè)計(jì)采用普通鋼筋：“φ”為H PB300光圓鋼筋，“C”為H RB400螺紋鋼筋。

（4）頂管概況

本次頂管管徑Ф1.8 m,頂管長(zhǎng)度120 m，頂管坑后背墻承載頂力不大于8900 kN。要求頂力必須施加在兩側(cè)扶壁墻上，頂力距離工作坑地底板頂面500 mm位置。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

（1）基本參數(shù)

底摩擦系數(shù)0.3,頂力8000 kN,土壓力系數(shù)0.333，滑移穩(wěn)定安全系數(shù)1.3，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)0.9，側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值30 kPa，土容重18 kN/m3。

（2）樁基計(jì)算

底摩擦力:

Ff=（5.335×26×0.5+6×11×0.6-3.14×1.13×1.13×0.5×2+2.1×5.335×0.5×2/2）×25×0.3=829.1 kN

井壁側(cè)摩阻力：2.0×8×30×2=960 kN

由表4可知，兩種茼蒿葉片的SPAD值x與葉綠素總含量y（單位：mg/g，下同）之間的相關(guān)性如下，其中“小葉茼蒿”的各個(gè)模型的相關(guān)系數(shù)普遍大于“大葉茼蒿”的各個(gè)模型的相關(guān)系數(shù)?！靶∪~茼蒿”相關(guān)性最高的函數(shù)模型是線(xiàn)性函數(shù)y=0.0355x-0.8439（r=0.943**），“大葉茼蒿”相關(guān)性最高的函數(shù)模型指數(shù)函數(shù)是y=0.5196e00068（xr=0.133）。

井壁后土壓力：2.0×18×0.333×6=71.9 kN

樁基頂總水平作用力：F0=（8000-829.1-960-71.9）×1.3=7980.7 kN

樁數(shù)6根，樁徑1000 mm，樁長(zhǎng)4.0 m。

復(fù)合基樁水平承載力計(jì)算：

a.基本資料

承臺(tái)類(lèi)型：六樁；計(jì)算方向：Y向；承臺(tái)底與基土間的摩擦系數(shù)μ=0.3;

樁型：灌注樁；樁頂約束情況：固接;

圓樁直徑d=1000 mm；縱向鋼筋的根數(shù)、直徑為C20C25；樁身配筋率ρg=1.392%。承臺(tái)示意見(jiàn)圖3。

圖3 承臺(tái)詳圖

縱向鋼筋凈保護(hù)層厚度c=40 mm；鋼筋彈性模量Es=200000 N/ mm;樁頂允許水平位移x0a=27 mm；樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m=50 M N/m4；

樁的入土長(zhǎng)度h=4 m；

樁列間距Sa=2500 mm;樁行間距Sb=2500 mm;承臺(tái)邊緣至樁中心距離Sc=500 mm;

a=2(Sc+Sa)=2×（500+2500）=6000 mm；

b=2Sc+Sb=2×500+2500=3500 mm;

承臺(tái)底部底面積Ab=a·b=6×3.5=21 m；

承臺(tái)計(jì)算域面積A=21 m，總樁數(shù)n=6；

樁中心距S=(A/n)0.5=（21000000/6）0.5=1871 mm，承臺(tái)寬度Bc=3500 mm；

承臺(tái)高度H=600 mm；

地基承載力特征值平均值fak=100 kPa；

計(jì)算過(guò)程略。

b.計(jì)算結(jié)果

樁身?yè)Q算截面受拉邊緣的截面模量W0=0.111395 m。

（3）扶壁配筋計(jì)算

按扶壁四點(diǎn)位置設(shè)置支撐考慮。扶壁尺寸上部500 mm×500 mm，下部500 mm×2600 mm（見(jiàn)圖4、圖5）。

圖4 扶壁計(jì)算簡(jiǎn)圖（單位：mm）

圖5 扶壁計(jì)算結(jié)果

計(jì)算過(guò)程略。

5 施工順序

放線(xiàn)→打樁→開(kāi)挖頂管井基坑、扶壁承臺(tái)基坑→底板、承臺(tái)綁扎鋼筋→底板、承臺(tái)澆筑混凝土→綁扎底板以上鋼筋→澆筑混凝土→地面以下基坑回填→承臺(tái)板頂以上素土回填土→頂管施工。

結(jié)構(gòu)施工完畢，混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求，頂管工作進(jìn)行前，必須在后背墻一側(cè)承臺(tái)至頂管坑頂回填素土。待基坑回填、后背墻一側(cè)素土回填完畢方可進(jìn)行頂管施工。

6 結(jié)語(yǔ)

頂管施工工法目前在全國(guó)乃至陜西地區(qū)應(yīng)用很廣，它不僅使用在給排水領(lǐng)域，還使用在電力、通訊、綜合管廊、熱力、再生水、輸油管線(xiàn)等領(lǐng)域。頂管工作井及接收井在砂土、粘土地區(qū)主要采用高壓旋噴樁或者無(wú)高壓旋噴樁+逆作法施工工藝；在軟土地區(qū)主要采用沉井施工工藝，頂管工作井及接收井基本位于平地，井四周有土體。

本項(xiàng)目頂管工作井位于山坡上，采用大開(kāi)挖施工+鋼筋混凝土灌注樁+扶壁，于2017年3月份竣工，頂管效果良好，運(yùn)營(yíng)效果良好。工程的建成為以后在類(lèi)似延安這種地形、地貌工程采用頂管施工工法積累了經(jīng)驗(yàn)。但以后設(shè)計(jì)遇到的問(wèn)題可能還很多，都需要我們?cè)趯?shí)踐中不斷的學(xué)習(xí)去解決。

TU992.05

B

1009-7716（2017）11-0162-04

2017-06-24

郭茜彥（1964-），女，陜西扶風(fēng)人，高級(jí)工程師，從事市政結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.049