強風化巖中頂管施工頂力計算的理論分析

劉錦洲 霍少磊 葛云峰

手掘式頂管在我國的應用始于1953年,是最早發展起來的一種頂管施工的方法,至今已走過50多年的發展歷程。手掘式頂管法具有頂管的普遍優點。通過工程實例可發現手掘式頂管的經濟效益可觀,對土質較好的地方或較貧困地區及地下管網復雜的城區,在能保證施工人員安全的前提下,手掘式頂管在很大程度上還有其發展空間和應用價值。

1 工程概況

1.1 工程概況

本工程為武漢市蔡甸區污水處理廠管道工程一標段,施工地點從蔡甸區蓮花大道開始,至蔡甸區漢江防洪大堤,共鋪設兩種不同管徑的污水干管,總計1 601.03 m。其中D1200F型鋼筋混凝土管為1 300.91 m,D1200F型鋼筋混凝土管300.12 m均采用頂管施工。其中W18～W22段管道所在地層為堅硬的強風化石英砂巖,根據現場施工情況及建設單位要求,該段由開槽施工方式改為頂管施工方式。實踐證明手掘式頂管適用于上述各類地質情況以及淤泥、強風化巖等復雜地質情況。

1.2 場地工程地質及水文地質

根據地質勘探報告,本施工段場地土層自上而下分別為:①雜填土:雜色～灰色,松散,稍濕,主要由碎石、土渣及松散黏性土組成,結構松散,分布不均,尚未完成自重固結;②淤泥質黏土:灰褐色,可塑,稍濕,低強度,高壓縮性,含灰條紋少許及云母片;③黏土夾碎石:褐色、棕紅,硬稍濕,硬塑,以褐黃、灰褐色黏土為主,內含鐵錳氧化物及其結核,具蟲孔結構;碎石成分為灰巖和石英砂巖,粒徑在1 cm～5 cm,含量約為20%;④強風化石英砂巖,肉紅色,堅硬,稍濕,該層為泥盆紀五通組石英砂巖強風化層。

1.3 頂管施工工藝選取

管道主要穿越地層為堅硬的強風化石英砂巖層,結合現場實際情況,確定頂管施工方法采用排障方便、成本低廉的敞開式取消工具管,使用風鎬開挖頂進。

2 現場實測數據分析

結合施工情況,對現場頂管施工進行實時測定。內容如下:1)根據千斤頂壓力表的讀數記錄該頂段全段頂力的實際數據,并繪制出頂力頂距變化曲線圖(見圖1);2)測定該段管道的軸線和高程偏差情況;3)實時跟蹤頂管施工,記錄并分析沿途地層變化。

根據工程特點、地質情況及現場實測頂力變化情況,對測定結果進行分析,總結出在強風化巖地質條件下手掘式頂管施工中影響頂力的主要因素有如下幾點:1)地質條件的影響;2)打蠟的影響;3)超徑比的影響;4)管線偏差的影響。

3 頂力計算

3.1 摩阻力分析

本工程為強風化巖中的取消工具管手掘式頂管,不同于一般土層的頂管。在普通土層中頂管施工時主要考慮平衡土壓力、水壓力、管與土之間的粘聚力和控制地面沉降。而本工程在巖層中,使用風鎬進行開挖,在開挖過程中管周存在一定的超挖,且巖層穩定堅硬,能夠維持較長時間不坍落。管道和開挖空洞之間的接觸狀態見圖2。

當在巖石中進行頂管時,因為開挖的直徑必須要大于管道的直徑,管道和開挖空洞之間為點接觸,摩擦阻力的預測可能是在所有情況下最簡單的。計算公式如下[1]:

其中,Pp為摩阻力,kN/m;Wp為管道單位長度重量,kN/m;δp為管道和巖石間的摩擦角;ζ為反力方向與垂直方向的偏角。

3.2 工程基本參數

本工程強風化巖地質的重力密度為20.6 kN/m3,內摩擦角為13.3°,管子的重力為13.23 kN/m,覆土深度為 4.5 m,管外徑為1.44 m,壁厚0.12 m,推進長度100 m。

3.3 規范公式計算頂力

3.3.1 規范公式一[2]

頂力由工具管迎面阻力和管道摩阻力兩部分組成。公式為:

其中,P為計算的總頂力,kN;γ為管道所處土層的重力密度,kN/m3;D1為管道的外徑,m;H為管道頂部以上覆蓋土層的厚度,m;φ為管道所處土層的內摩擦角,(°);ω為管道單位長度的自重,kN/m;L為管道的頂進長度,m;f為頂進時管道表面與其周圍土層之間的摩擦系數;PF為頂進時工具管的迎面阻力,kN。

3.3.2 規范公式二[3]

頂力由工具管迎面阻力和管道摩阻力兩部分組成。公式為:

其中,Fp為頂進阻力,kN;D0為管道的外徑,m;L為管道設計頂進長度,m;fk為管道外壁與土的單位面積平均摩阻力,kN/m2,通過試驗確定;NF為頂管機的迎面阻力,kN。

采用上述公式,對施工時所需的頂力進行計算,并與實測頂力進行了比較分析,由此可以看出,規范公式一計算頂力比實測頂力大得多,尤其是隨著頂力距離的增加,理論頂力隨距離大致呈線性增加;而實測頂力呈曲線上升趨勢。

3.4 反算摩阻力

根據實測頂力來反算管與周圍土的摩阻力,計算公式為規范公式(2),通過計算反算出管與強風化巖的摩擦阻力為2.6 kN/m2～3.5 kN/m2,與式(1)計算的摩阻力接近,可為類似工程提供參考。

3.5 安全系數

在計算頂力后附加一個安全系數,以保證頂管施工的順利進行。安全系數的具體取值可根據工程的實際地質情況確定。

4 結語

1)通過理論分析,結合現場實測數據,在強風化巖地質條件下,采用取消工具管手掘式頂管頂進技術中的頂力計算進行了理論分析,并通過分析實測頂力和摩阻力,得出強風化巖地質條件下采用手掘式頂管掘進技術摩阻力的取值范圍。2)在巖層中采用手掘式頂管法,根據現場施工情況可考慮使用小劑量的爆破開挖,可大幅縮短工期,具體施工可借鑒隧道爆破開挖。3)在頂管施工中,管材表面的光滑程度也是影響頂進阻力的一大因素,大部分管材表面的光滑程度都不太理想,所以在使用之前對管材表面進行打蠟處理,會大大減小管子與周圍土的摩阻力。4)結合本工程,實踐證明手掘式頂管在各類穩定地質情況下均可順利施工,另外只要調整好施工措施,在淤泥等不穩定地質下亦可施工。

[1] 馬寶松,STEIN D,蔣國盛.頂管和微型隧道的相關理論及分析計算[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2] GB 50268-97,給排水管道工程施工及驗收規范[S].

[3] GB 50268-2008,給排水管道工程施工及驗收規范[S].