黎城縣污水管網工程頂管穿越長邯高速模擬數值分析

李 燕

（山西交通養護集團有限公司，山西 太原 030006）

隨著鄉村城市化進程的發展，各種服務配套措施的跟進也是必不可少的。當布設市政管線時，與已建成的高速公路有交叉[4-5]，頂管法就顯示了它的優點，在不影響高速運營的情況下將管道敷設完畢。

本文以黎城縣污水管網工程頂管穿越長邯高速為背景，通過建立荷載結構模型，對該穿越處頂管結構進行計算分析，得出結構的受力特性，為之后類似的頂管工程提供借鑒參考。

1 工程概況

黎城縣污水管網工程位于山西省長治市黎城縣境內，起點位于城南G207，終點位于黎城華府小區，全長22.546 km，其中管徑為d500 的管道長1.15 km，管徑為d400 的管道長1.776 km，管徑為d300 的管道長19.62 km。檢查井816 座。穿越公路段污水管道直徑為d500 鋼管，污水管道下穿長邯高速時與公路的交叉角度為64°。污水管網穿越方式為頂套管穿越，長度為100 m，頂管規格采用DRCP Ⅲ（800×2 000×80）mm。

長邯高速，目前采用雙向四車道高速公路，為緩解該段高速急劇增長的交通流量，現在正實施八車道改擴建工程，設計速度為100 km/h，改擴建以后八車道路基寬度41 m，汽車荷載等級公路-Ⅰ級，瀝青混凝土路面。

穿越段工程地質條件為管線在山前傾斜平原中通過，地形稍起伏。沿線地層為低液限黏土，結構松散，厚2.0-10 m，其天然含水率為9.1%～27.6%；天然密度為1.32～1.78 g/cm3；孔隙比為0.809～1.362；天然壓縮系數為0.16～1.55 MPa-1，多具中等- 高壓縮性；濕限系數為0～0.123，多數為0.018～0.123，具輕微- 強烈濕陷性，地下水低于管底。

圖1 頂管穿越位置圖

2 頂管結構設計

黎城縣污水管網工程頂管穿越長邯高速處套管內徑0.8 m，外徑0.96 m，管壁厚度0.08 m；套管管材為C50 雙插式預制鋼筋混凝土管，接縫處采用鋼板內漲圈加固接口，套管長度為1 m；套管最大覆土深度為9.085 m。

3 有限元分析

3.1 頂管模型概況

針對本項目頂管穿越情況，取套管長度方向1 m 進行計算，采用梁單元模擬套管，采用管四周受壓土彈簧模擬結構與土之間的相互作用，運用Midas Civil 有限元建立數值模型進行分析[6-7]。根據工程經驗，此次計算底板垂直基床系數為40 MPa/m，本模型共有24 個節點，24 個單元，有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型

3.2 模型計算參數

a）混凝土重度 γ=25.0 kN/m3，彈性模量 Ec=3.45×104MPa；

b）管頂填土重度 γ=19.0 kN/m3；

c）HPB300 級鋼彈性模量 Es=2.1×105MPa。

3.3 荷載及荷載組合

a）恒載 管頂填土壓力，管節自重；b）活載 車輛荷載，覆土厚度大于0.5 m 不計沖擊力；c）荷載組合見表1。

表1 荷載組合

3.4 截面強度驗算

鋼筋混凝土套管管內環向筋采用φ7 冷軋帶肋鋼筋，鋼筋螺距 45.5 mm，22 環/m。由公橋規第5.2.2-3 條規定的，受壓區高度雙層配筋是考慮管節任一位置均能承受雙向彎矩而設置，設計中仍按單筋截面計算。通過模型在基本組合下計算得到，套管最大正彎矩為4.9 kN·m，最大負彎矩為-4.9 kN·m，最大正、負彎矩出現在管頂和套管兩側。根據式（1）、式（2）

得到套管的承載力為14.09 kN·m，故套管的彎矩設計值小于其抗彎承載力，滿足截面強度要求。

圖3 基本組合下套管彎矩圖（單位：kN·m）

3.5 裂縫寬度驗算

通過模型在頻遇組合和準永久組合下計算得到，套管最大正彎矩為4.0 kN·m，最大負彎矩為-4.0 kN·m，管頂和套管兩側為最大彎矩處。根據公橋規[8]第 6.4.3 條與式（3）

得到Wcr=0.028 mm＜0.2 mm，裂縫寬度滿足規范要求。

圖4 頻遇組合下套管彎矩圖（單位：kN·m）

圖5 準永久組合下套管彎矩圖（單位:kN·m）

4 結論

以黎城縣污水管網工程頂管穿越長邯高速為背景，通過建立荷載結構模型，對該穿越處頂管結構進行計算分析，得出以下結論與認識：

a）根據有限元計算結果，本文從截面強度和裂縫寬度研究了頂管施工時套管的受力情況，頂管法穿越公路路基時，套管截面強度、裂縫寬度均滿足公橋規規定的允許值。

b）針對頂管穿越處套管的結構計算，頂管法穿越公路路基時，套管管頂和套管兩側的彎矩最大，管底彎矩次之。在荷載組合作用下，套管管頂和管底的內壁受拉，套管兩側的外壁受拉，受壓區高度雙層配筋已考慮到管節任一位置均能承受雙向彎矩。套管的承載力遠大于其彎矩設計值，裂縫寬度也小于規范允許值，頂管穿越時安全度較大。同時頂管法施工時對公路運營的影響較小，減少了施工安全隱患。