某大直徑鋼管頂管施工計算和中繼間設(shè)置

柯海鵬,陸慧群

(1.浙江富春紫光環(huán)保股份有限公司,浙江 杭州 310013；2.浙江雙良商達(dá)環(huán)保有限公司,浙江 杭州 310030)

1 工程概況

某市第二污水處理工程進(jìn)水管道穿越城區(qū)道路和高架橋管段長度為177 m,管中標(biāo)高-3.5 m,最大覆土厚度12.9 m,采用頂管施工,頂管為DN2 400(壁厚為26 mm)鋼管,材質(zhì)為Q235B的碳素結(jié)構(gòu)鋼,焊接接口,設(shè)計允許最大頂力為8 000 kN。共設(shè)頂管工作井1座,接收井1座。頂管工作井采用咬合樁圍護(hù),現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),設(shè)計允許最大頂力也為8 000 kN。

2 地質(zhì)、水文條件

1)根據(jù)本工程地質(zhì)勘察資料,頂管管段均位于⑦1A層全風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖中。⑦1A層全風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖,母巖強烈風(fēng)化呈土狀,以粉質(zhì)黏土為主,局部夾中風(fēng)化巖塊,遇水易軟化,土層滲透性較差,對頂管施工有利。地基土力學(xué)性能情況見表1。

表1 地基土承載力建議值

2)地下水

經(jīng)詳勘,在勘探深度范圍內(nèi),道路沿線場地有2層地下水存在。詳勘期間在勘探孔內(nèi)(僅陸域部分)測得潛水穩(wěn)定水位約在現(xiàn)地表下2.70～3.80 m左右,相當(dāng)于1985國家高程基準(zhǔn)6.93～7.14 m之間。該淺層地下水主要受大氣降水及地下同層側(cè)向徑流補給,鄰近地表水體處與河水互補,并隨季節(jié)性有所變化,年均水位變化幅度值約1.0 m。本工程陸域部分,承壓水含水層分布不連續(xù),且厚度較薄,并同潛水相連通,對工程建設(shè)影響不大。

3 施工頂進(jìn)阻力計算

本工程頂管工作井、管材的設(shè)計允許最大頂力均為8 000 kN,根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范(GB 50268—2008)》規(guī)定,頂管頂進(jìn)阻力計算如下：

Fp=π·Do·L·fk+NF

(1)

式(1)中:Fp為頂進(jìn)阻力；

Do為管道的外徑(m),本工程中Do=2.500 m；

L為管道設(shè)計頂進(jìn)長度(m),本工程中L=177 m；

fk為管道外壁與土的單位面積平均摩阻力(kN/m2),本工程采用觸變泥漿減阻技術(shù)后,根據(jù)GB 50268—2008規(guī)范中表6.3.4-2規(guī)定,取fk=8.0 kN/m2；

NF為頂管機的迎面阻力( kN),本工程采用泥水平衡頂管機,根據(jù)GB50268—2008規(guī)范中表6.3.4-1規(guī)定,NF=πDg2P/4。式中Dg為頂管機外徑(mm),本工程中Dg=2.500,P為控制土壓力,其值同管中最大覆土深度(m)×9.8kN,本工程中p=12.9×9.8=126.42 kN/m2

所以,Fp=3.14×2.500×177×8+3.14×2.5002×126.42÷4= 13 596 kN

經(jīng)計算得知頂管的頂進(jìn)阻力為13 596 kN,大于頂管工作井管材的設(shè)計允許最大頂力8 000 kN,頂管時只能用其90%,8 000×0.9=7 200 kN。主頂使用每只最大推力為2 000 kN的油缸6只,在推進(jìn)時,每只油缸的最大頂力不得超過1 200 kN,則剩余頂力需要設(shè)置中繼間來解決。

4 最大頂距計算和中繼間的設(shè)置

本工程的Φ2 400頂管最大頂力限制在7 200 kN以下,頂進(jìn)長度較長,因此要用到中繼間接力頂進(jìn)。一個中繼間設(shè)計總推力F′=6 400 kN(可由20只320 kN千斤頂組成)。經(jīng)計算得知頂管的頂進(jìn)阻力為13 596 kN,則需要由中繼間分擔(dān)的剩余頂力為13 596 kN-7 200 kN=6 396 kN。所以需要設(shè)置單個推力F′=6 400 kN(由20只320 kN千斤頂組成)的中繼間1個能滿足頂力要求。

計算如下：

F=π·Do·L·fk

(2)

F為最大許用頂力(kN),F=7 200 kN；

Do為管節(jié)外徑(m),D=2.500 m；

L為主頂油缸推動的管節(jié)長度(m)；

fk為管道外壁與土的單位面積平均摩阻力(kN/m2),本工程采用觸變泥漿減阻技術(shù)后,根據(jù)GB 50268—2008規(guī)范中表6.3.4-2規(guī)定,取fk=8.0 kN/m2；

F=3.14×2.500×8×177=11 115 kN；

所以L=F/π·Do·fk=7 200/(3.14×2.500×8)=114.6 m,取110 m；

主頂油缸推動的管節(jié)長度最大為110 m。

迎面阻力NF=π/4·Dg2·P=3.14×2.5×2.5×126.42/4=620 kN；

其中：Dg為頂管機外徑(m)；

P為控制土壓力,P=126.42；

MF=F′-NF=6 400-620=5 780 kN;

中繼間可以推動的管節(jié)長度最大為L′=MF/πDofk=5 780/(3.14×2.5×8)=92 m,取90 m。

因此,全長177 m的頂管段,可以在頂管開始80 m處布置一個中繼間。

中繼間由前殼體、千斤頂及后殼體組成。前殼體與前接管連接,后殼體與后接管連接,前后殼體間為承插式連接,兩者間依靠橡膠止水帶密封,防止管道外水土和漿液倒流入管道內(nèi)。鋼殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行精加工,以保證其在使用過程中不發(fā)生變形,外殼在安裝前進(jìn)行防腐處理；中繼間殼體外徑與管節(jié)外徑相同,可減少土體擾動、地面沉降和頂進(jìn)阻力；中繼間的啟動和拆除由前向后依次進(jìn)行。

5 后靠墻的復(fù)核計算

后靠墻在頂力作用下,產(chǎn)生壓縮,壓縮方向與頂力作用方向一致。當(dāng)停止頂進(jìn),頂力消失,壓縮變形隨之消失,這種彈性變形是正常的。頂管中,后背墻不應(yīng)當(dāng)被破壞,產(chǎn)生不允許的壓縮變形。后背墻不允許出現(xiàn)上下或左右的不均勻壓縮,否則,千斤頂在余面后背上,會造成頂進(jìn)偏差。為了保證頂進(jìn)質(zhì)量和施工安全,施工時應(yīng)對后背墻的強度和剛度計算。靠背受力分析見圖1。

圖1 靠背受力分析圖

后靠背受力計算公式：

(3)

式(3)中：R為總推力之反力(一般大于推力的1.2～1.6)；

a為系數(shù)(取1.5～2.5之間),此處取2；

B為后座墻的寬度(m),此處取5 m；

γ為土的容重(kN/m3)；

H為后座墻的高度(m),此處取5 m；

Kp為被動土壓系數(shù)tg2(450+φ/2),為1.5195；

c為土的內(nèi)聚力(kPa) 一般情況下取10；

h為地面到后座墻頂部土體的高度(m),此處取10 m；

=2×5(18.9×5×5×1.5195/2+2×10×10×1.2327+18.9×10×5×1.5195)

=19 820 kN

按上式計算,工作井后靠墻能承受19 820 kN頂力。

根據(jù)設(shè)計圖紙,并考慮結(jié)構(gòu)影響因素,其工作井設(shè)計允許最大頂力為8 000 kN大于實際最大頂力7 200 kN,滿足要求。

6 結(jié) 語

經(jīng)過對施工組織過程計算分析,合理設(shè)置了中繼間,施工時并對其采取有效措施保證其密封性,并通過對后背墻受力復(fù)核,從而確保了施工安全。目前該工程已經(jīng)竣工投入使用,運行良好。