蔣平 宋曉陽(yáng) 王強(qiáng) 黃意兵 王長(zhǎng)祥

(中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 天津300381)

引言

目前,隨著我國(guó)海綿城市建設(shè)的發(fā)展,對(duì)城市水環(huán)境、水安全提出了更高的要求,其中深層排水管道發(fā)揮了非常重要的作用[1]。由于排水管道越埋越深,直徑越來(lái)越大,造成了管道內(nèi)水壓和口徑超出已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土和鋼筋混凝土排水管》 (GB/T11836-2009)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《頂進(jìn)施工法用鋼筋混凝土排水管》(JC/T640-2010)中規(guī)定的內(nèi)徑上限為DN3500,內(nèi)水壓力最大為0.1MPa。

某海綿城市溢流污染綜合治理工程中的截流主干管建設(shè),是實(shí)現(xiàn)源頭削減、中途轉(zhuǎn)輸和末端調(diào)蓄全流程綜合性技術(shù)手段的重點(diǎn)工程。截流主干管工程擬采用頂進(jìn)法施工工藝,采用的鋼筋混凝土管(DRCP-F)是國(guó)內(nèi)應(yīng)用較早、比較傳統(tǒng)的頂管管材,較為典型的參考工程有云南滇池昆明主城污水處理廠尾水外排及資源化利用建設(shè)工程(DN4000,覆土深度約15m,單次最大頂進(jìn)距離1193m),該工程管道采用內(nèi)徑4m 鋼承口式鋼筋混凝土頂管,覆土深度近30m,管內(nèi)內(nèi)水工作壓力0.2MPa,管外外水壓力達(dá)0.275MPa,且經(jīng)常需要排空檢修,對(duì)管材的抗?jié)B性能和接口的密封性能有較高要求,單次曲線(xiàn)最大頂進(jìn)距離1304m,這些難點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)和施工都具有很大的挑戰(zhàn)。

為了實(shí)現(xiàn)截流主干管建設(shè)的安全、經(jīng)濟(jì)和高效,確保本工程的安全實(shí)施和運(yùn)行,管材的受力性能和結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。本文針對(duì)上述荷載條件對(duì)管材進(jìn)行了內(nèi)力計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并通過(guò)混凝土原型管材結(jié)構(gòu)受力性能及密封性能試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證,為大口徑鋼筋混凝土頂管管節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算、管節(jié)制作和頂進(jìn)施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的制定提供技術(shù)支持,同時(shí)為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)提供參照。

1 工程概況

截流主干管道采用內(nèi)徑4m 鋼承口式鋼筋混凝土頂管,管節(jié)壁厚320mm,管內(nèi)最大工作壓力0.2MPa,全長(zhǎng)5506m,管道路由如圖1 所示。

圖1 截流主干管路由Fig.1 Interception pipeline routing

工程特點(diǎn): 頂進(jìn)距離超長(zhǎng)(單次最長(zhǎng)頂進(jìn)段達(dá)1304m),水下曲線(xiàn)頂管施工(最小曲率半徑R800),工程管徑超規(guī)范,管頂覆土深(最大埋深為27.7m),承受較大內(nèi)壓和外壓(管內(nèi)工作壓力為0.2MPa,管外水壓力為0.275MPa),降雨前需要排空檢修。

2 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)域土層自上而下可分為五層:

①素填土: 灰黃色為主,局部色雜,稍濕-飽和,松散,夾有植根、碎磚等,堆積時(shí)間大于5年。層厚0.20m～2.90m。

②淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土: 灰色,飽和,流塑狀態(tài),夾有機(jī)質(zhì)碎屑,局部夾薄層粉砂,干強(qiáng)度中,韌性低,無(wú)光澤,無(wú)搖震反應(yīng)。層厚4.20m～14.30m,地基承載力特征值fak=70kPa。

③粉質(zhì)粘土夾薄層粉砂: 灰褐色、灰色,飽和,土質(zhì)不均勻,以軟塑狀灰褐色粉質(zhì)粘土夾薄層粉砂為主,見(jiàn)云母片,夾腐殖物,具層理。局部為互層狀或粉砂富集,粉砂呈稍密狀態(tài)。層厚3.30m～10.70m,地基承載力特征值fak=95kPa。

④粉砂: 青灰色,飽和,中密狀態(tài),具層理,局部夾薄層粉土,礦物成分為石英、云母,呈圓形～亞圓形,局部呈互層狀。層厚2.50m～9.70m,地基承載力特征值fak=140kPa。

⑤粉砂: 青灰色,飽和,密實(shí)狀態(tài),具層理,見(jiàn)云母碎片,顆粒呈亞圓形,主要礦物成分為石英。最大揭露厚度10.80m,地基承載力特征值fak=170kPa。

本工程頂管主要穿越②淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土土層。

3 內(nèi)徑4m鋼筋混凝土頂管管節(jié)設(shè)計(jì)

3.1 采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋼筋混凝土管進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),首先要選擇合適的設(shè)計(jì)規(guī)范,能夠?qū)λ璧母黜?xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行全面的分析計(jì)算。《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50332-2002)、《給水排水頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS246: 2008)和《給水排水工程埋地預(yù)制混凝土圓形管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(CECS143-2002)是我國(guó)鋼筋混凝土排水管普遍采取的設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 管節(jié)設(shè)計(jì)

圖2 為內(nèi)徑4m鋼承口式鋼筋混凝土排水管外型圖。內(nèi)徑4m鋼筋混凝土管基本尺寸如表1 所示。

圖2 管節(jié)外型圖Fig.2 Pipe shape diagram

表1 管節(jié)基本尺寸(單位： mm)Tab.1 Basic pipe dimensions(Unit: mm)

3.3 設(shè)計(jì)條件

內(nèi)徑4m鋼承口式鋼筋混凝土頂管,管節(jié)壁厚320mm,管道工作壓力為0.2MPa,設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力標(biāo)準(zhǔn)值為0.3MPa;管道外水壓力為0.275MPa,設(shè)計(jì)外水壓力標(biāo)準(zhǔn)值為0.35MPa;管道結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)在路由沿線(xiàn)選取以下兩個(gè)不利斷面:

斷面一: 管頂覆土最小(8m),計(jì)算水位最高(5.6m);

斷面二: 管頂覆土最大(23m),計(jì)算水位最低(2.5m)。

3.4 工程材料

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,抗?jié)B等級(jí)為S10;鋼筋:?R為CRB550,鋼筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值500N/mm2,?為HPB300,鋼筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值300N/mm2,為HRB400,鋼筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值400N/mm2。

3.5 管材內(nèi)力計(jì)算

考慮上述兩種不利斷面,按《給水排水頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS246: 2008)規(guī)定的方法進(jìn)行荷載計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

管道截面內(nèi)力計(jì)算,斷面一和斷面二管道不同位置處管道截面彎矩M和軸力N如圖3 所示。

3.6 管道配筋設(shè)計(jì)和試驗(yàn)荷載的確定

通過(guò)管道內(nèi)力計(jì)算分析,斷面二為控制斷面,進(jìn)一步通過(guò)裂縫控制計(jì)算對(duì)管道進(jìn)行配筋設(shè)計(jì),如表3 所示。通過(guò)等效集中荷載計(jì)算確定管節(jié)三點(diǎn)法試驗(yàn)裂縫荷載值為220kN/m,破壞荷載值為280kN/m。管道試驗(yàn)內(nèi)水壓力為0.3MPa,管道試驗(yàn)外水壓力為0.35MPa。

表2 計(jì)算斷面下管道所受荷載Tab.2 Load on pipe under calculation section

圖3 管道截面內(nèi)力Fig.3 Pipe internal force

表3 管節(jié)配筋Tab.3 Pipe reinforcement

4 管道試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)成果,確保其工程實(shí)施的可靠性、可行性和安全性,進(jìn)一步對(duì)上述管材進(jìn)行原型管試驗(yàn)[1,2],試驗(yàn)內(nèi)容包括: 管節(jié)三點(diǎn)法外荷載試驗(yàn)、管節(jié)內(nèi)水壓試驗(yàn)、管節(jié)接口內(nèi)水壓試驗(yàn)、管節(jié)接口張角內(nèi)水壓試驗(yàn)。

4.1 管節(jié)三點(diǎn)法外荷載試驗(yàn)

本試驗(yàn)的目的是為了檢驗(yàn)管節(jié)所能承受的最大外壓荷載,檢測(cè)依據(jù)《混凝土和鋼筋混凝土排水管試驗(yàn)方法》(GB/T 16752-2006)。選取一節(jié)管節(jié)進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)裝置如圖4 所示。外壓試驗(yàn)荷載值計(jì)算按:

式中:F為總荷載值(kN);L為管體實(shí)際受壓長(zhǎng)度(m);P為試驗(yàn)荷載值(kN/m)。

圖4 管節(jié)三點(diǎn)法外荷載試驗(yàn)Fig.4 Three points method of external load test

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)檢測(cè),管節(jié)裂縫荷載為253kN/m,破壞荷載大于336kN/m,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。詳細(xì)檢測(cè)數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 管節(jié)三點(diǎn)法外壓荷載試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Result of three points method of external load test

4.2 管節(jié)內(nèi)水壓試驗(yàn)

本試驗(yàn)的目的是為了檢驗(yàn)管節(jié)在內(nèi)水壓情況下的滲漏情況,檢測(cè)依據(jù)《混凝土和鋼筋混凝土排水管試驗(yàn)方法》(GB/T 16752-2006)。選取一節(jié)管節(jié)進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)裝置如圖5 所示。

圖5 管節(jié)內(nèi)水壓試驗(yàn)Fig.5 Internal hydraulic pressure test

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),管內(nèi)充水,在1min 內(nèi)均勻加壓至0.3MPa,保持 10min,在升壓過(guò)程中及0.3MPa 壓力下,管節(jié)表面無(wú)潮片及水珠流淌,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.3 管節(jié)接口內(nèi)水壓試驗(yàn)

本試驗(yàn)的目的是為了檢驗(yàn)管節(jié)連接部分在內(nèi)水壓情況下的滲漏情況。由于規(guī)范中沒(méi)有對(duì)管節(jié)接口試驗(yàn)的具體內(nèi)容,因此管節(jié)接口水壓試驗(yàn)方法參考《混凝土和鋼筋混凝土排水管試驗(yàn)方法》(GB/T 16752-2006)中第7 節(jié)“內(nèi)水壓力”的相關(guān)檢測(cè)方法。抽取兩節(jié)管節(jié)對(duì)接進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)裝置如圖6 所示。

圖6 管節(jié)接口內(nèi)水壓試驗(yàn)Fig.6 Internal hydraulic pressure test of pipe interface

試驗(yàn)過(guò)程中,在1min 內(nèi)均勻升壓至0.3MPa,保持10min,在升壓過(guò)程中及0.3MPa 壓力下,管節(jié)表面無(wú)潮片及水珠流淌,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.4 管節(jié)接口張角內(nèi)水壓試驗(yàn)

本試驗(yàn)的目的是為了檢驗(yàn)管節(jié)對(duì)接后在最大張角情況下,管節(jié)連接部分內(nèi)水壓情況下的滲漏情況。檢測(cè)方法同內(nèi)水壓試驗(yàn)。本次試驗(yàn)管節(jié)間單側(cè)最大張開(kāi)量為24mm。抽取兩節(jié)管節(jié)對(duì)接進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)裝置如圖7 所示。

圖7 管節(jié)接口張角內(nèi)水壓試驗(yàn)Fig.7 Internal hydraulic pressure test of pipe interface in a angle

試驗(yàn)過(guò)程中,在1min 內(nèi)均勻升壓至0.3MPa,保持10min,在升壓過(guò)程中及0.3MPa 壓力下,管節(jié)表面無(wú)潮片及水珠流淌,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原型管材的試驗(yàn)驗(yàn)證,管道結(jié)構(gòu)和密封性能均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。由于外水壓的存在,對(duì)于內(nèi)徑4m的鋼承口式鋼筋混凝土DRCP-F 頂管管道,在內(nèi)水壓力超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)0.1MPa 的情況下,采用《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50332-2002)、《給水排水頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS246: 2008)和《給水排水工程埋地預(yù)制混凝土圓形管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(CECS143-2002)進(jìn)行設(shè)計(jì)也是安全可行的,通過(guò)借鑒參考文獻(xiàn)和進(jìn)一步對(duì)管道接口密封性的研究工作,制定管道的設(shè)計(jì)計(jì)算、管節(jié)制作和頂進(jìn)施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),為本工程的設(shè)計(jì)和施工提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持,也為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的修訂積累了經(jīng)驗(yàn)。