地下水對頂管結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算的影響分析

苑藜 王志進(jìn) 沙浣鈴

合肥市市政設(shè)計研究總院有限公司 230041

引言

近年來，隨著城市化進(jìn)程的高速推進(jìn)，地面建、構(gòu)筑物鱗次櫛比，地下管線及構(gòu)筑物錯綜復(fù)雜，城市道路及隧道交通繁忙。采用傳統(tǒng)的開槽法在老城區(qū)敷設(shè)新的市政給水、排水地下管線已經(jīng)難以實施。為減少工程建設(shè)對道路交通和市民正常生活的干擾，降低工程建設(shè)對城市環(huán)境衛(wèi)生的影響，并避免重復(fù)建設(shè)，采用非開挖頂管技術(shù)已成為老城區(qū)市政給水、排水工程建設(shè)的最佳選擇。

現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)［1］明確規(guī)定，頂管結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮地下水的影響。目前，國內(nèi)一些參考文獻(xiàn)在頂管結(jié)構(gòu)設(shè)計時，針對地下水的影響，一般采用如下兩種不同的簡化：（1）不考慮地下水影響，頂管結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算時地下水位高程均取至管底及以下［2］；（2）考慮地下水影響，但當(dāng)?shù)叵滤桓叱涛挥诠茼敽凸艿乐行闹g時，其管道自重、管道側(cè)向土壓力以及管腔土荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算式不夠全面［3］。

實際工程中，當(dāng)采用機(jī)械頂管工藝穿越一般土層時，管道周邊始終存在地下水。此時，設(shè)計人員在驗算頂管“施工期間”工況時，如果將地下水位取至管底及其以下，這與實際情況不符；與此同時，頂管使用期間，一般也存在地下水，頂管結(jié)構(gòu)設(shè)計時也不應(yīng)忽略其影響。除此之外，作

用在頂管上且受地下水影響的荷載有：管道自重、管頂豎向土壓力、管腔土荷載、管道側(cè)向土壓力、管道外水壓力。目前，國內(nèi)暫無相關(guān)文獻(xiàn)全面介紹不同地下水高程時，作用在頂管上相關(guān)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計算式。

1 不同地下水位高程時頂管荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算式

依據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)［1］，表1～表5給出不同地下水位高程時管道自重、管頂豎向土壓力、管腔土荷載、管道側(cè)向土壓力、管道外水壓力標(biāo)準(zhǔn)值的計算式。

表5 不同地下水位高程時管外水壓標(biāo)準(zhǔn)值計算式［1］Tab.5 Calculation formula of standard value of external water pressure of pipe under different altitude of groundwater

續(xù)表

表3 不同地下水位高程時管頂土豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值計算式［1］Tab.3 Calculation formula of standard value of vertical soil pressure on the pipe top under different altitude of groundwater

表4 不同地下水位高程時管道側(cè)向土壓力計算式［1］Tab.4 Calculation formula of the lateral soil pressure of the pipe under different altitude of groundwater

續(xù)表

2 作用在頂管上的荷載相關(guān)系數(shù)及組合工況

依據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)［1，4，5］，作用在頂管上的荷載作用種類、分項系數(shù)和準(zhǔn)永久系數(shù)數(shù)值見表6。管道結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0。

表6 作用在頂管上的荷載分項系數(shù)和準(zhǔn)永久系數(shù)值［1，4，5］Tab.6 Partial coefficient and quasi-permanent coefficient of load acting on pipe jacking

3 地下水位高程對頂管內(nèi)力計算的影響分析

工程案例：某頂管工程（圖1），管道內(nèi)徑為3500mm鋼筋混凝土管，壁厚320mm，管頂覆土14m，管道工作內(nèi)壓標(biāo)準(zhǔn)值0.15MPa（設(shè)計內(nèi)壓標(biāo)準(zhǔn)值0.225MPa）。土質(zhì)條件：內(nèi)摩擦角φ=12°，黏聚力C=20kN／m2，重力密度17.5kN／m3，土層均質(zhì)且厚度為30m。作用在頂管上部的荷載計算簡圖見圖2。

圖1 頂管工程案例示意Fig.1 Schematic diagram of pipe jacking case

圖2 頂管荷載計算簡圖Fig.2 load calculation diagram

3.1 對頂管A截面（管內(nèi)底）內(nèi)力計算的影響

由圖3、4知：（1）當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?m（地面）～-14.0m（管頂標(biāo)高）時：A截面（管底內(nèi)側(cè)）彎矩準(zhǔn)永久值（絕對值）和設(shè)計值（絕對值）均逐漸增大；軸向壓力準(zhǔn)永久值（絕對值）小幅增大后又小幅減小，軸向壓力設(shè)計值（絕對值）小幅增大（軸向拉力設(shè)計值的絕對值小幅減?。?。

圖3 地下水位高程對A截面（管底內(nèi)側(cè)）彎矩設(shè)計值和準(zhǔn)永久值影響Fig.3 Influence on design value and quasi-permanent value of bending moment of section A（pipe bottom）of groundwater

（2）當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?14.0m（管頂標(biāo)高）～-16.07m（管中心標(biāo)高）時：A截面彎矩準(zhǔn)永久值（絕對值）逐漸減小，彎矩設(shè)計值（絕對值）先小幅增大后又逐漸減??；軸向壓力準(zhǔn)永久值（絕對值）先小幅增大后小幅減小，軸向壓力設(shè)計值（絕對值）先小幅增大后小幅減?。ㄝS向拉力設(shè)計值的絕對值先小幅減小后小幅增大）。

（3）當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?16.07m（管中心標(biāo)高）～-18.14m（管底標(biāo)高）時：A截面彎矩設(shè)計值（絕對值）和準(zhǔn)永久值（絕對值）先小幅增大然后不變；軸向壓力準(zhǔn)永久值（絕對值）先小幅增大然后不變，軸向壓力設(shè)計值（絕對值）先小幅增大然后不變（軸向拉力設(shè)計值的絕對值先小幅減小然后不變）。

此外，由于管道內(nèi)水壓力在管道內(nèi)力計算時僅引起軸向力的改變，因此，工況二與工況三中管道所有截面處彎矩設(shè)計值（準(zhǔn)永久值）一樣。

3.2 對頂管B截面（管頂）內(nèi)力計算的影響

由圖5、圖6知：

圖5 地下水高程對B截面（管頂內(nèi)側(cè)）彎矩設(shè)計值和準(zhǔn)永久值影響Fig.5 Influence on design value and quasi-permanent value of bending moment of section B（pipe top）of groundwater

圖6 地下水高程對B截面（管頂內(nèi)側(cè)）軸力設(shè)計值和準(zhǔn)永久值影響Fig.6 Influence on design value and quasi-permanent value of axial force of section B（pipe top）of groundwater

（1）當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?m（地面）～-14.0m（管頂標(biāo)高）時：B截面（管底內(nèi)側(cè)）彎矩準(zhǔn)永久值（絕對值）和設(shè)計值（絕對值）均逐漸增大；軸向壓力準(zhǔn)永久值（絕對值）和設(shè)計值（絕對值）逐漸減?。ㄝS向拉力設(shè)計值的絕對值逐漸增大）。

（2）當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?14.0m（管頂標(biāo)高）～-16.07m（管中心標(biāo)高）時：B截面彎矩準(zhǔn)永久值（絕對值）和設(shè)計值（絕對值）逐漸減?。惠S向壓力準(zhǔn)永久值（絕對值）和設(shè)計值（絕對值）逐漸減?。ㄝS向拉力設(shè)計值的絕對值逐漸增大）。

（3）當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?16.07m（管中心標(biāo)高）～-18.14m（管底標(biāo)高）時：B截面彎矩設(shè)計值（絕對值）和準(zhǔn)永久值（絕對值）先小幅增大然后不變；軸向壓力準(zhǔn)永久值（絕對值）和設(shè)計值（絕對值）先小幅減小然后不變（軸向拉力設(shè)計值的絕對值先小幅增大然后不變）。

3.3 對頂管C截面（管側(cè)）內(nèi)力計算的影響

由圖7、圖8知：

圖7 地下水高程對C截面（管外側(cè)）彎矩設(shè)計值和準(zhǔn)永久值（絕對值）影響Fig.7 Influence on design value and quasi-permanent value of bending moment of section C（tube side）of groundwater

圖8 地下水高程對C截面（管外側(cè)）軸力設(shè)計值和準(zhǔn)永久值影響Fig.8 Influence on design value and quasi-permanent value of axial force of section C（tube side）of groundwater

（1）當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?m（地面）～-14.0m（管頂標(biāo)高）時：C截面彎矩準(zhǔn)永久值（絕對值）和設(shè)計值（絕對值）均逐漸增大；軸力壓力準(zhǔn)永久值（絕對值）逐漸減小，軸力壓力設(shè)計值（絕對值）逐漸增大（軸向拉力設(shè)計值的絕對值逐漸減?。?。

圖4 地下水高程對A截面（管底內(nèi)側(cè)）軸力設(shè)計值和準(zhǔn)永久值影響Fig.4 Influence on design value and quasi-permanent value of axial force of section A（pipe bottom）of groundwater

（2）當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?14.0m（管頂標(biāo)高）～-16.07m（管中心標(biāo)高）時：C截面彎矩準(zhǔn)永久值（絕對值）和設(shè)計值（絕對值）逐漸減小。軸力壓力準(zhǔn)永久值（絕對值）逐漸減??；軸向壓力設(shè)計值（絕對值）先小幅增大后又小幅減?。ㄝS向拉力設(shè)計值的絕對值先小幅減小后小幅增大）。

（3）當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?16.07m（管中心標(biāo)高）～-18.14m（管底標(biāo)高）時：C截面彎矩準(zhǔn)永久值（絕對值）和設(shè)計值（絕對值）先小幅增大然后不變。軸向壓力準(zhǔn)永久值（絕對值）和設(shè)計值（絕對值）先小幅增大然后不變（軸向拉力設(shè)計值的絕對值先小幅減小然后不變）。

4 結(jié)論

通過上文計算分析可知：隨著地下水位的降低，頂管結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算時的彎矩準(zhǔn)永久值和設(shè)計值具有一定規(guī)律性。

（1）當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?m（地面）～-14.0m（管頂標(biāo)高）時，隨著地下水位的降低，彎矩準(zhǔn)永久值（絕對值）和設(shè)計值（絕對值）均逐漸增大，基本達(dá)到峰值；

（2）當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?14.0m（管頂標(biāo)高）～-16.07m（管中心標(biāo)高）時，隨著地下水位的降低，彎矩準(zhǔn)永久值（絕對值）和設(shè)計值（絕對值）一般逐漸減?。词褂幸欢ú▌?，但總體呈逐漸減小趨勢）；

（3）當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?16.07m（管中心標(biāo)高）～-18.14m（管底標(biāo)高）時，隨著地下水位的降低，彎矩準(zhǔn)永久值（絕對值）和設(shè)計值（絕對值）先小幅增大然后不變，但數(shù)值均小于峰值。

因此，頂管結(jié)構(gòu)設(shè)計時，當(dāng)?shù)叵滤桓叱倘≈凉艿准捌湟韵?，其彎矩?zhǔn)永久值和設(shè)計值均小于不同地下水位高程計算出的峰值，但誤差率往往小于5%，這在一般工程中屬于可接受的安全允許誤差范圍之內(nèi)。但對于大型、重要、承壓型的鋼筋混凝土頂管管道，其結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)全面考慮工程施工、試驗和運營期間實際地下水位高程對頂管管道自重、管頂豎向土壓力、管腔土荷載、管道側(cè)向土壓力和管道外水壓力標(biāo)準(zhǔn)值的影響，從而準(zhǔn)確計算管道各截面內(nèi)力值，確保管道結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性和可靠性。