南水北調(diào)配套工程頂管施工關(guān)鍵數(shù)據(jù)的計算

□ 孟繁琪 □ 陳松杰 □ 王 斌（漯河市水利工程處）

1 工程概況

本工程位于漯河市，為南水北調(diào)配套工程。外部混凝土套管為DN1800mm，內(nèi)部涂塑復(fù)合鋼管為DN1200mm,混凝土套管采用泥水平衡頂管施工。

2 地質(zhì)概況

本頂管工程地面下1m左右為人工填土，地面下2～12m為低液限粘土。工程區(qū)地下水位埋深一般2.70～5.90m，水位高程54.50～57.70m。由于施工時間在地下水位在工作井開挖面下，不存在施工降水

3 工藝流程及施工準(zhǔn)備

本工程頂管施工的基本工藝流程為:施工準(zhǔn)備→工作井開挖支護→頂管設(shè)備安裝、調(diào)試、試運行→頂進→掘進機接收→涂塑復(fù)合鋼管安裝→設(shè)備拆除、轉(zhuǎn)場→功能性試驗

3.1 施工準(zhǔn)備

3.1.1 施工場地地質(zhì)條件、施工內(nèi)容、范圍確定

場地地質(zhì)條件是選擇施工方法的前提，工程施工前，根據(jù)業(yè)主提供的地堪報告確定施工工藝，必要時應(yīng)進行補充勘察；工程施工前，組織施工人員認(rèn)真學(xué)習(xí)了施工圖紙、相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，明確工程施工內(nèi)容和技術(shù)要求，對圖紙中與現(xiàn)場不符內(nèi)容聯(lián)系設(shè)計人員進行補充設(shè)計或變更設(shè)計。

3.1.2 對沿線管線的調(diào)查

開工前對工作井周圍、頂管沿線地下管線、構(gòu)筑物進行全面現(xiàn)場調(diào)查，標(biāo)注與設(shè)計管線交叉的管線，并結(jié)合現(xiàn)場實際提出解決方案，確保掘進機安全頂進。

3.1.3 施工工藝確定

根據(jù)場地地質(zhì)條件、頂管設(shè)備及工藝參數(shù)確定施工工藝。施工工藝主要包括:初始頂進的方案及措施；測量及糾偏的方法；長距離頂進減阻的方案及措施等。

3.1.4 設(shè)備安裝調(diào)試的技術(shù)措施

施工設(shè)備的安裝、調(diào)試的技術(shù)措施主要包括:施工設(shè)備的安裝位置、安裝精度和牢固要求、安裝順序、調(diào)試方法和要求等。

3.1.5 施工過程控制的技術(shù)措施

施工過程控制的技術(shù)措施主要包括以下內(nèi)容:工作坑內(nèi)管材的吊運的安裝、泥水處理、測量等作業(yè)的空間布置以及平行或交叉作業(yè)的安排等；頂管入洞及出洞措施等。

3.1.6 質(zhì)量安全技術(shù)措施

質(zhì)量及安全技術(shù)措施主要包括:控制頂進軸線、高程誤差及其他質(zhì)量因素的措施；頂進操作及設(shè)備維護的技術(shù)與安全措施；控制地面隆起、沉降的措施；穿越重要構(gòu)筑物的技術(shù)與安全措施。

3.1.7 應(yīng)對突發(fā)事件的預(yù)案

進行施工過程中技術(shù)、質(zhì)量、安全的風(fēng)險分析，制定處理風(fēng)險事件的應(yīng)急措施。

3.1.8 頂管施工記錄

記錄包括頂進過程中的頂進長度、頂力數(shù)值或油泵壓力表數(shù)值、管位偏差及其校正情況、機械運轉(zhuǎn)情況使用情況、土質(zhì)水位變化及出現(xiàn)的問題等。

3.1.9 頂力計算

最大推力計算，采用經(jīng)驗公式，按最大頂距76m計算:F=F0+NF

式中:F—總推力；NF—端阻力；F0—側(cè)壁摩阻力。

NF=πDgγsHs

式中:Dg—管外徑，2.16m；Hs—埋深,4.31m；γ—土的重量，取1.80t/m3。

F0=πD1Lfk

式中:fk—管外表面綜合磨擦阻力，采用觸變泥漿，取值10 kPa；D1—管外徑,2.16m；L—頂距 76m；F=1809.25kN。

3.1.10 泥漿量計算

本工程中所用的泥漿泵功率為22kW,產(chǎn)生的泥漿流量為260m3/h，穿越長度為72m。根據(jù)以往類似地質(zhì)中頂管經(jīng)驗，每小時轉(zhuǎn)進1m計算的出泥漿量為:260×1×72=18720m3。在現(xiàn)場準(zhǔn)備泥漿池，并及時同有關(guān)部門聯(lián)系，將泥漿妥善處理，避免對環(huán)境造成破壞。

4 工作井支護開挖

根據(jù)設(shè)計部門移交的控制樁以及工作井底面幾何尺寸、開挖深度定出工作井開挖邊線。依據(jù)施工現(xiàn)場平面布置，劃出施工場地邊線。在工作井工作面周圍布置隔離帶。完成施工場地范圍內(nèi)拆遷和地上、地下已有設(shè)施的探明并采取保護措施。鋪設(shè)臨時水、電管線。整平場地后根據(jù)設(shè)計圖紙上的工作井坐標(biāo)，放出工作井坐標(biāo)位置。

4.1 工作井尺寸計算

本次工作井根據(jù)使用情況采用矩形井，參照《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》，矩形工作井的底部應(yīng)符合下列公式要求:

B=D1+S；L=L1+L2+L3+L4+L5

式中:B—矩形工作井的底部寬度（m）；D1—管道外徑（m）；S—操作寬度（mm），取2.40～3.20m；L—矩形工作井的底部長度（m）；L1—工具管長度（m）。當(dāng)采用管道第一節(jié)管作為工具管時，鋼筋混凝土管≥0.30m；鋼管≥0.60m；L2—管節(jié)長度（m）；L3—運土工作間長度（m）；L4—千斤頂長度（m）；L5—后背墻的厚度（m）。

工作井深度應(yīng)符合下列公式要求:H1=h1+h2+h3；H2=h1+h3

式中:H1—頂進井地面至坑底的深度 （m）；H2—接受井地面至坑底的深度（m）；h1—地面至管道底部外緣的深度（m）；h2—管道外緣底部至導(dǎo)軌底面的高度（m）；h3—基礎(chǔ)及其墊層的厚底。但不應(yīng)小于該處井室的基礎(chǔ)及墊層厚度（m）。

綜合以上計算公式的計算結(jié)果，同時更具實際情況加以局部調(diào)整，本次設(shè)計工作井為矩形沉井結(jié)構(gòu)，長度9m，寬度6m，深度6.70m。

4.2 工作井支護開挖

確定工作井開挖尺寸后，先放出工作井的邊線后再使用槽鋼進行支護，嚴(yán)禁先開挖后再進行支護。開挖采用人工配合機械開挖，使用挖掘機開挖至工作井底30cm處進行人工開挖。對工作井基底進行平整后，澆筑混凝土墊層，使其具有足夠的承載力后，并及時澆筑混凝土靠背。混凝土靠背尺寸為4.50m×4.00m×0.70m,采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，所用鋼筋為直徑為180mm的HRB325鋼筋，在靠背中設(shè)置鋼筋籠鋼筋的縱橫間距均為200mm。

在工作井底部設(shè)置集水井集水，并及時抽除，保持工作井底面土層的干燥。工作井周邊設(shè)置截水溝，防止雨水或排水流進工作井內(nèi)。

4.3 后背承載力計算

后背墻在頂進過程中承受全部阻力，應(yīng)有足夠的穩(wěn)定性。為保證頂進質(zhì)量及施工安全，應(yīng)進行后背墻承載能力的計算。計算公式為:Fe=KrBoH（h+H／2）r×Kp式中:Fe—后座墻的承載力．kN；Bo—后座墻的寬度，m，本工程為4.50m；H—后座墻的高度，m，本工程為3m；h—后座墻的厚度，m，本工程為0.70m；r—土的容重，kN/m3，經(jīng)查閱《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定，黏土的容重為18kN／m3；Kp—被動土壤系數(shù){與土的內(nèi)摩擦角Φ有關(guān)，其計算公式為:Kp=tan2（45°+Φ／2），經(jīng)查閱資料黏土的內(nèi)摩擦角，度數(shù)為28～36°，取Φ=28°；Kr—后座墻的土坑系數(shù)（當(dāng)埋深淺，不需打鋼板樁、墻與土直接接觸時，Kr=0．85，當(dāng)埋深較大，打入鋼板樁時，Kr=0.90+5h／H）。有此得出:Fс=KrBoH（h+H/2）r×Kp=（0.90+5×0.70/3）×4.50×3×（0.70+3/2）×18×tan2（45°+28/2）=3060kN。