孫銘杰

（廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司,廣東 廣州 510635）

某大型引調(diào)水項目線路需途經(jīng)一處大型山體,初步設(shè)計階段采用隧洞鉆爆施工,由于初步設(shè)計階段與施工圖階段時間跨度較大,項目開工時,已有在村落搬遷至該山體并居住于原隧洞軸線上方,若按原設(shè)計進(jìn)行隧洞鉆爆施工,爆破開挖不僅會對居民生活產(chǎn)生嚴(yán)重干擾而且對房屋結(jié)構(gòu)安全影響很大,極易對房屋造成開裂等破壞。故采取頂管工藝替代原隧洞鉆爆施工。線路全長共625 m,采用鋼管D3068×34,Q345B,單管鋪設(shè),施工時需設(shè)置4個中繼續(xù)間,頂管平均深度為25 m。

1 頂管機(jī)選型

常見的頂管機(jī)有泥水平衡頂管機(jī)、土壓平衡頂管機(jī)、矩形頂管機(jī)、巖石頂管機(jī)、復(fù)合式巖石破碎泥水平衡頂管機(jī)?，F(xiàn)就相對常用的巖石頂管機(jī)、泥水平衡頂管機(jī)及復(fù)合式巖石破碎泥水平衡頂管機(jī)進(jìn)行簡單比較。泥水平衡機(jī)頭一般在地下水壓力較高及土質(zhì)變化范圍較大的條件下使用,其具有易控制地面沉降,連續(xù)出土作業(yè)及頂進(jìn)速度快的特點；巖石頂管機(jī)頂進(jìn)速度較慢但由于其盤面具有滾刀和刮刀,故其可在各種地層進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè),并具有較強的一次破碎及二次破碎功能；復(fù)合式巖石破碎泥水平衡頂管機(jī)同樣具有較強的一次破碎及二次破碎功能,且能在地下水壓力較高的情況下工作,缺點是造價相對較高。

根據(jù)山體地質(zhì)鉆孔揭露,山體地層巖性主要為燕山期中粗粒黑云母花崗巖、少部分為細(xì)粒花崗巖,花崗斑巖。根據(jù)巖石試驗成果,弱風(fēng)化巖飽和單軸抗壓強度范圍值32.10 MPa～100.00 MPa,平均55 MPa,屬堅硬巖石[1]。

根據(jù)該山體地質(zhì)情況,雖然泥水平衡機(jī)頭掘進(jìn)速度快,但其并不具備破巖能力,而巖石機(jī)頭在其滾刀的作用下,可在至少130 MPa以下弱風(fēng)化花崗巖層等地層進(jìn)行掘金。但由于頂管平均深度達(dá)到25 m,且山體內(nèi)地下水充沛且水壓較大。故復(fù)合式巖石破碎泥水平衡頂管機(jī)更適合在山體中進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。

2 頂管結(jié)構(gòu)計算

2.1 頂管允許頂力計算

在長距離頂管施工中,為了將整段管道分段推進(jìn),減少總頂力和后靠背的反作用力,常設(shè)置中繼間,本次長距離頂管共設(shè)置4個中繼間。即本段頂管采用平均每隔130m設(shè)置一中繼間進(jìn)行允許頂力計算。

根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS 246-2008）,鋼管傳力面允許的最大頂力采用下式計算：

式中：Fds為鋼管管道允許頂力設(shè)計值；?1為鋼材受壓強折減系數(shù),可取1.0；?3為鋼材脆性系數(shù),可取1.0；?4為鋼材頂管穩(wěn)定系數(shù),可取0.36；當(dāng)頂進(jìn)長度小于300 m時,穿越土層又均勻時,可取0.45；fs為鋼材受壓強強度設(shè)計值。

鋼管內(nèi)徑3 m,管壁厚34 mm,最小有效傳力面積為Ap=0.32 m2,鋼材受壓強度設(shè)計值fs=295 N/mm2,代入上式可得傳力面允許最大值Fds=26474.36 kN。

《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS 246-2008）中,給出了大口徑頂管鋼管推薦外形尺寸與允許頂力參考值,對應(yīng)3 m管徑的允許頂力參考值為14373.8 kN。與公式計算結(jié)果相比較小,故綜上所述,頂管施工過程的最大頂力定為14373.8 kN。

2.2 管道荷載計算

計算典型斷面位置的選取與地質(zhì)條件有關(guān)。在巖層中,外水壓力是起控制作用的荷載,圍巖壓力荷載可忽略不計。

2.3 管道內(nèi)力計算

巖層段頂管抗外壓穩(wěn)定分析采用《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》（SL 281-2003）中的式（B.2.1-1）計算:

式中：Pcr為臨界外壓,N/mm2；為鋼材屈服點,N/mm2,按表1的注1取值。

巖層段頂管抗外壓強度分析采用《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》（SL 281-2003）中的式（6.1.5）計算:

式中：Po為徑向均布壓力,N/；r為鋼管（鋼襯）內(nèi)半徑,mm；t0為鋼管（鋼襯）管壁計算厚度,mm。

計算結(jié)果見表1。

表1 頂管結(jié)構(gòu)計算表

3 出發(fā)井及接收井設(shè)計

3.1 出發(fā)井及接收井尺寸計算

（1）出發(fā)井

根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS 246-2008）規(guī)定,出發(fā)井長度、深度及寬度應(yīng)滿足：

出發(fā)井最小長度由頂管機(jī)長度與出發(fā)井壁厚共同確定：

根據(jù)現(xiàn)場實際情況,頂管機(jī)及其操作空間合計需6 m,即Lj=6 m。

出發(fā)井最小寬度由管徑與施工過道共同確定：

出發(fā)井最小深度由頂管埋深及管徑共同確定,可按以下公式計算：

根據(jù)現(xiàn)場實際情況,最小頂管埋深為6 m,管徑為3 m,即h1=6 m ；D0=3 m；h≥ D0+h1=9.0 m。

根據(jù)以上計算,并參考類似工作經(jīng)驗,確定本工程頂管井結(jié)構(gòu)尺寸如下：

頂管出發(fā)井采用方形沉井結(jié)構(gòu),凈長為11 m、凈寬7 m；沉井總高度11 m,井壁為變截面,下部厚1 m,上部厚0.75 m；出發(fā)井結(jié)構(gòu)型式及尺寸見圖1、圖2、表2。

圖1 頂管出發(fā)井（沉井）平面布置圖

圖2 剖面圖

表2 沉井特性表

（2）接收井

管道出接收井后采用埋管方式鋪設(shè),故接收井采用大開挖方式施工,技術(shù)含量較低。本文不作展開討論。

3.2 抗浮計算

（1）沉井下沉驗算

出發(fā)井采用沉井的施工方式,采用不排水下沉。根據(jù)規(guī)范《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS 246-2008）,使用該方法施工時需進(jìn)行頂管井分段抗浮驗算,根據(jù)現(xiàn)場情況,實測地面高程為27 m,地下水位為26 m。

下沉計算公式：

式中：Ks為下沉系數(shù)；G為沉井自重標(biāo)準(zhǔn)值,kN；Fw為下沉過程中水的浮托力標(biāo)準(zhǔn)值,kN；Ff為井壁摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值,kN。

根據(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（CECS 137-2015）規(guī)定,頂管井下沉?xí)r下沉系數(shù)Ks≥1.05視為驗算合格；分別下沉至以下標(biāo)高時的下沉系數(shù)見表3。

表3 頂管井下沉?xí)r的下沉系數(shù)

（2）沉井封底階段抗浮驗算

浮力： F=γdwV排=10.00×1053.200=10532.000 kN

不計井壁與側(cè)面土的反摩擦力：

Kf1=G/F=（10307.500+1779.750+3168.000）/10532.000=1.45

大于《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（CECS 137-2015）所規(guī)定的允許值1.0。

考慮井壁與側(cè)面土的反摩阻力：

單位反摩阻力為：

井壁總的反摩阻力為：

大于《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（CECS 137-2015）所規(guī)定的允許值1.15。

綜上計算結(jié)論可得出頂管井滿足抗浮要求。

4 頂管施工設(shè)計

4.1 頂管施工工藝

根據(jù)地勘鉆孔揭示山體巖層硬度大且頂管平均深度達(dá)到25 m,山體內(nèi)地下水水壓較大。復(fù)合式巖石破碎泥水平衡頂管機(jī)工作時可通過改變泥水倉的送、排水量和頂進(jìn)速度,使水倉內(nèi)的泥水壓力穩(wěn)定并控制在設(shè)定的范圍內(nèi),從而達(dá)到開挖面穩(wěn)定。

頂管總長度達(dá)到625 m,往往會出現(xiàn)長距離施工頂力不足的問題,故該段頂管共設(shè)置了4 處中繼間,中繼間的油缸在高壓油路的作用下,以其后部管道為支撐點,將其前段管道向前推進(jìn),采用這種方法,將管道分段逐次推進(jìn),從而實現(xiàn)長距離頂管。

頂管采用巖石機(jī)頭,該機(jī)頭直徑略大于管徑,且山體上方存在居民村落,為防止山體頂部出現(xiàn)沉降及地下水沖刷管道,故施工完成后需對管周進(jìn)行充填灌漿處理,封堵管壁土層之間的縫隙。充填灌漿孔徑5 cm,孔深15 cm,排距3 m,每排3 個灌漿孔,排與排之間呈梅花形布置,灌漿孔位于每節(jié)管中部位置。

4.2 頂管井施工工藝

（1）沉井施工

頂管井處地下水位較高,且頂管深度達(dá)到11m,根據(jù)頂管井處地質(zhì)特點,其地下均為全風(fēng)化花崗巖,其遇水會發(fā)生軟化。故井內(nèi)土方開挖需要采用伸縮式挖掘機(jī)進(jìn)行土方開挖,開挖前應(yīng)先從井底中央重心處成放射形向四周進(jìn)行施工,使其形成鍋底狀。一般鍋底比刃腳低一米為宜,此時的沉井即可靠沉井自重而下沉,而將刃腳下方土擠向中央鍋底,再從沉井內(nèi)繼續(xù)抓土,沉井即可繼續(xù)下沉。

全風(fēng)化花崗巖中可能存在球狀風(fēng)化核,俗稱“孤石”,其埋藏分布不均勻,且抗壓強度可達(dá)100 MPa以上。其出現(xiàn)在井壁下沉方向阻止井壁下沉的情況也時有發(fā)生。遇到該種情況,可采用膠皮水管沿井外壁進(jìn)行有壓注水以沖刷孤石,使其偏移井壁下沉方向。井壁下沉后應(yīng)采用細(xì)土或砂填充縫隙。

（2）沉井封底處理

頂管井處地下水位較高,故采取不排水沉井法,沉井封底前需對井底進(jìn)行沖刷,并清理井底石屑。過后可采用垂直導(dǎo)管法灌注混凝土漿液進(jìn)行水下封底。待滿足混凝土養(yǎng)護(hù)時間并達(dá)到混凝土設(shè)計強度后,才可從井中抽水。

5 結(jié)論

本文借助工程實例對長距離頂管穿越山體可能遇見的施工難點進(jìn)行了分析,對管道的允許頂力及管道內(nèi)力進(jìn)行了計算,并對頂管井的尺寸及穩(wěn)定性進(jìn)行了驗算。經(jīng)工程實踐證明,得出的數(shù)據(jù)及結(jié)論可滿足穿山體頂管工程的施工要求,可給同類別頂管井施工方案提供參考,具有重要理論意義及實用價值。但對山體內(nèi)不同的地質(zhì)情況仍需進(jìn)一步研究。