劉文斌，張 宏，蘇平磊，潘永慶

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春 130021）

1 工程概況

吉林省中部城市引松供水二期工程位于吉林省中部，為輸水支線工程，共10條線路。奢嶺支線供水工程主要由調(diào)蓄水庫(kù)、奢嶺支線岸邊取水口及提水泵站、奢嶺支線至奢嶺鎮(zhèn)擬建凈水廠供水管線及交叉附屬建筑物組成。

104省道為雙向二車(chē)道公路，路基寬12.00m，高2.60m，兩側(cè)邊坡1∶2.5。為不影響高速公路正常運(yùn)行，輸水管線穿越高速段設(shè)計(jì)采用頂管法施工。此處頂管全長(zhǎng)63.00m，與公路交叉角度為80°。

2 頂管布置

奢嶺支線穿越104省道段輸水管道采用DN900鋼管。為減小對(duì)高速公路影響，需要保證工作井、接收井距路基坡腳的距離及輸水管道的埋置深度。根據(jù)布置，頂管法施工段全長(zhǎng)63.00m，工作井距路基坡腳15.00m，接收井距路基坡腳17.07m，頂進(jìn)管道位于104省道路面下埋深6.00m，最小埋深3.30m。

工作井、接收井采用鋼板樁支護(hù)加鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，鋼板樁采用拉森IV型鋼板樁，混凝土采用C30二級(jí)配混凝土，抗?jié)B等級(jí)P6。

3 頂管設(shè)計(jì)

3.1 頂進(jìn)管道設(shè)計(jì)

頂進(jìn)管道采用柔性接口鋼承口DRCPⅢ級(jí)管，為鋼筋混凝土套管，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，采用HRB400級(jí)鋼筋，抗?jié)B等級(jí)P8，管道內(nèi)徑1.60 m，壁厚0.16m，輸水鋼管于鋼筋混凝土套管內(nèi)穿過(guò)，套管和鋼管之間采用水泥砂漿回填密實(shí)，頂進(jìn)方向結(jié)合管線坡度自低向高頂進(jìn)。

3.1.1 管道荷載計(jì)算

管道荷載根據(jù)GB50332-2002《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)規(guī)范》與CECS246：2008《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)程》）計(jì)算。

3.1.2 管道結(jié)構(gòu)計(jì)算

1）管道允許頂力驗(yàn)算

根據(jù)《規(guī)程》，管道總頂力F0按下式估算：

式中：D1——管道的外徑，m；L——管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度，m；fK——管道外壁與土的平均摩阻力，按《規(guī)程》表12.6.14采用；NF——頂管機(jī)迎面阻力，kN，泥水平衡式機(jī)頭迎面阻力按下式計(jì)算：

式中：Dg——頂管機(jī)外徑，m；γS——土的重度，kN/m3；HS——覆蓋層厚度，m。

工程選用泥水平衡式頂管機(jī)，并采用觸變泥漿減阻措施，管壁與土的平均摩阻力取5.0kN/m2。經(jīng)計(jì)算，管道所需頂力標(biāo)準(zhǔn)值為2258.18kN，設(shè)計(jì)頂力采用2300kN。

鋼筋混凝土頂管傳力面允許最大頂力按下式計(jì)算：

式中：FdC——混凝土管道允許頂力設(shè)計(jì)值，N；φ1——混凝土材料受壓強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.8；φ2——偏心受壓強(qiáng)度提高系數(shù)，取1.05；φ3——材料脆性系數(shù)，取0.85；φ5——混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整系數(shù)，取0.79；fC——混凝土受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，C50混凝土取23.1N/mm2；Ap——管道的最小有效傳力面積，由插口外徑與木墊圈內(nèi)徑計(jì)算得697022mm2；γQd——頂力分項(xiàng)系數(shù)，取1.3；γ——土的容重，kN/m3。

經(jīng)計(jì)算，混凝土管道允許頂力設(shè)計(jì)值為6297 kN，大于設(shè)計(jì)頂力，管道頂進(jìn)時(shí)不會(huì)破壞。

2）管道內(nèi)力計(jì)算

混凝土管道在組合作用下，管道橫截面的環(huán)向內(nèi)力按下式計(jì)算：

式中：M——管道橫截面的最大彎矩設(shè)計(jì)值，kN·m/m；N——管道橫截面的最大軸力設(shè)計(jì)值，kN/m；γ0——管道計(jì)算半徑，即子管道中心至管壁中心的距離，mm；kmi，kni——彎矩、軸力系數(shù)，根據(jù)荷載類(lèi)別取土的支撐角為120°，按《規(guī)程》附錄B確定；Pi——作用在管道上的i項(xiàng)荷載設(shè)計(jì)值，N/m。

各工況荷載組合作用下管道截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各工況荷載組合作用下管道截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

3）配筋及最大裂縫驗(yàn)算

鋼筋混凝土頂管采用柔性接口鋼承口DRCPⅢ級(jí)管，內(nèi)側(cè)環(huán)向配筋為φ8、間距48.5mm，外側(cè)環(huán)向配筋為φ8、間距67.5mm，管道壁厚180.0mm，保護(hù)層厚20.0mm。通過(guò)計(jì)算，選用的DN1600DRCPⅢ級(jí)管配筋滿(mǎn)足承載力與裂縫寬度要求，管道截面配筋及裂縫驗(yàn)算見(jiàn)表2。

表2 管道截面配筋計(jì)算及裂縫驗(yàn)算表

3.2 工作井設(shè)計(jì)

3.2.1 結(jié)構(gòu)尺寸

工作井采用矩形井，結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)《規(guī)程》計(jì)算確定。工作井最小內(nèi)凈長(zhǎng)度按以下兩式計(jì)算結(jié)果最大值選?。?/p>

式中：l——工作井最小內(nèi)凈長(zhǎng)度，m；l1——頂管機(jī)下井式最小長(zhǎng)度，m；l2——下井關(guān)節(jié)長(zhǎng)度，鋼筋混凝土管取3.0m；l3——千斤頂長(zhǎng)度，取2.5m；l4——留在井內(nèi)的管道最小長(zhǎng)度，取0.5m；k——后座和頂鐵的厚度及安裝富余量，取1.6m。

經(jīng)計(jì)算，工作井最小內(nèi)凈長(zhǎng)度l≥8.1m，設(shè)計(jì)沉井內(nèi)徑取9.0m。工作井的出發(fā)口直徑考慮橡膠止水圈的安裝等要求，應(yīng)不小于頂管機(jī)外徑0.2m。根據(jù)泥水平衡機(jī)械參數(shù)資料，DN1800頂管泥水平衡式機(jī)頂管機(jī)外徑約為2.0m，出發(fā)孔直徑取2.2m。

3.2.2 頂推計(jì)算

工作井后背墻穩(wěn)定按《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范》（非開(kāi)挖技術(shù)協(xié)會(huì)）要求計(jì)算，計(jì)算所得后座墻土抗力為頂力的1.2～1.6倍。公式：

式中：R——總推力之反力，kN；α——系數(shù)，取1.5～2.5；β——后座墻寬度，m；H——后座墻高度，m；Kp——被動(dòng)土壓力系數(shù)；c——土的凝聚力，kPa；h——后座墻頂至地面的高度，m。

經(jīng)計(jì)算，R=7408.31kN，安全系數(shù)為3.22，后背土體滿(mǎn)足抗頂推要求。

3.2.3 開(kāi)挖支護(hù)計(jì)算

工作井基坑開(kāi)挖支護(hù)計(jì)算采用理正深基坑7.0PB5軟件。截面驗(yàn)算、整體穩(wěn)定驗(yàn)算、抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算、抗傾覆(踢腳破壞)穩(wěn)定性驗(yàn)算、抗隆起驗(yàn)算、嵌固深度構(gòu)造驗(yàn)算、嵌固段基坑內(nèi)側(cè)土反力驗(yàn)算均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.2.4 襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算

工作井襯砌結(jié)構(gòu)采用C30二級(jí)配混凝土，包括底板、側(cè)墻、后座墻與前止水墻四部分。襯砌結(jié)構(gòu)尺寸：底板、側(cè)墻、后座墻厚0.8m，前墻厚0.6 m，墻計(jì)算高度為3.5m。計(jì)算工況包括非頂進(jìn)工況與頂進(jìn)工況。

1）非頂進(jìn)工況內(nèi)力計(jì)算

未頂進(jìn)時(shí)，四周墻體受主動(dòng)土壓力作用，按三邊固支、一邊自由的板簡(jiǎn)化計(jì)算。側(cè)墻與前墻受主動(dòng)土壓力作用，主動(dòng)土壓力按下式計(jì)算：

式中：Pa——主動(dòng)土壓力強(qiáng)度，kPa；z——深度，m；φ——填土內(nèi)摩擦角。

經(jīng)計(jì)算，墻底土壓力為57.01kN/m2，墻頂土壓力為6.67kN/m2。各墻內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各墻體內(nèi)力計(jì)算結(jié)果kN·m

2）頂進(jìn)工況內(nèi)力計(jì)算

頂管頂進(jìn)時(shí)，為防止頂進(jìn)反力過(guò)于集中而造成后座墻的損壞，在后座墻與主頂油缸之間設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)后靠背，使頂進(jìn)反力較均勻地傳至后座墻上，后座墻近似按獨(dú)立基礎(chǔ)計(jì)算。側(cè)墻、前墻計(jì)算與非頂進(jìn)工況一致。經(jīng)計(jì)算，后座墻最大土抗力為104.79kN/m2，后靠背邊緣處最大彎矩為372.96kN·m。

3）配筋計(jì)算

襯砌結(jié)構(gòu)按SL191-2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》承載能力進(jìn)行配筋計(jì)算，并進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算，二類(lèi)環(huán)境最大裂縫寬度不大于0.3mm。經(jīng)計(jì)算，底板內(nèi)力較小，按墻板節(jié)點(diǎn)處內(nèi)力配筋。

配筋結(jié)果及最大裂縫寬度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 墻配筋計(jì)算及最大裂縫寬度計(jì)算表

3.3 接收井設(shè)計(jì)

3.3.1 結(jié)構(gòu)尺寸

接收井采用矩形井，結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)《規(guī)程》計(jì)算確定。接收井最小內(nèi)凈寬度B按下式計(jì)算，并滿(mǎn)足頂管機(jī)在井內(nèi)拆除和吊出要求：

式中：D1——頂管機(jī)外徑，m。

經(jīng)計(jì)算，接收井最小內(nèi)凈寬度B≥4.0m，考慮到頂管機(jī)吊出等參數(shù)，設(shè)計(jì)沉井內(nèi)徑取4.5m。接收井的出發(fā)口直徑考慮橡膠止水圈的安裝等要求，不小于頂管機(jī)外徑0.3m。根據(jù)泥水平衡機(jī)械參數(shù)資料，DN1800頂管泥水平衡式機(jī)頂管機(jī)外徑約為2.0m，出發(fā)孔直徑取2.3m。

3.3.2 開(kāi)挖支護(hù)計(jì)算

接收井基坑開(kāi)挖支護(hù)計(jì)算采用理正深基坑7.0PB5軟件。截面驗(yàn)算、整體穩(wěn)定驗(yàn)算、抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算、抗傾覆(踢腳破壞)穩(wěn)定性驗(yàn)算、抗隆起驗(yàn)算、嵌固深度構(gòu)造驗(yàn)算、嵌固段基坑內(nèi)側(cè)土反力驗(yàn)算均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.4 沉降計(jì)算與控制路面沉降措施

頂管施工引起的地面沉降采用Peck沉降槽理論計(jì)算，計(jì)算公式：

式中：S（x）——x處地面沉降量，mm；x——頂進(jìn)管道軸線的橫向水平距離，m；i——沉降槽寬度系數(shù)，m；Vs——超挖量，m3；Smax——最大沉降量，mm。

其中：

為減少路面沉降，設(shè)計(jì)采用泥水平衡式頂管機(jī)，采用觸變泥漿減阻施工。施工作業(yè)過(guò)程中，控制頂進(jìn)速度，嚴(yán)格控制出土量；采用合理的壓漿工藝和參數(shù)，注漿飽滿(mǎn)；嚴(yán)格控制管線糾偏，減小對(duì)周邊土體擾動(dòng)，頂管機(jī)糾偏角度小于0.5°；施工完成后及時(shí)進(jìn)行泥漿置換，采用水泥漿置換空隙內(nèi)的觸變泥漿，減小后期沉降。

經(jīng)計(jì)算，采取以上措施后，路中線最大沉降量為17.78mm，小于規(guī)范允許值20.00mm，滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

頂管法是地下管道非開(kāi)挖施工的一種，是一種對(duì)環(huán)境干擾很少的施工方法，對(duì)于交通繁重、人口密集、地面建筑物眾多、地下構(gòu)筑物和管線復(fù)雜的市區(qū)來(lái)說(shuō)是非常重要的，其在具體操作時(shí)，不會(huì)對(duì)實(shí)際路面及建筑物產(chǎn)生影響，如埋藏要求比較高的管道，更加節(jié)省人力、物力及財(cái)力，同時(shí)增加了施工安全性。由于頂管施工的特殊性，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵守相應(yīng)的規(guī)程規(guī)范，避免出現(xiàn)塌方等危險(xiǎn)情況，保證公路鐵路安全，保證交通的正常運(yùn)行。