頂管法綜合管廊結構設計與計算研究

苗現國，苗雷強，陳葉，付華萌

（1.河北中核巖土工程有限責任公司，河北　石家莊　050021；2.河北建研科技有限公司，河北　石家莊　050021；3.河北建研工程技術有限公司，河北　石家莊　050021）

頂管法綜合管廊結構設計與計算研究

苗現國1，苗雷強2，陳葉3，付華萌3

（1.河北中核巖土工程有限責任公司，河北石家莊050021；2.河北建研科技有限公司，河北石家莊050021；3.河北建研工程技術有限公司，河北石家莊050021）

隨著城市化建設的快速發展，城市地下綜合管廊建設方興未艾。綜合管廊施工方法多樣，文章結合作者工程經驗，對頂管法綜合管廊的結構設計與計算進行了歸納整理，內容包括上部的作用、結構設計、混凝土管道內力計算等，并對部分設計與計算問題進行了討論。

頂管法；綜合管廊；結構設計；內力計算

0　前言

隨著我國經濟建設的高速發展和城市人口的增加，許多城市出現道路交通擁擠、城市基礎設施不足和環境污染等問題，城市綜合管廊建設可很好地解決上述問題。所謂綜合管廊是指在城市地下建造的市政公用隧道空間，將市政、通信、電力、供水、燃氣等公用管線，根據城市規劃的要求集中敷設在一個構筑物內，實施統一規劃、設計、施工和管理［1］。

當前我國綜合管廊工程建設中，常用的施工方法主要有明挖法、暗挖法、頂管法和盾構法等［2］，綜合管廊選用何種方法進行施工，應根據施工環境、地質情況、施工設備等情況進行選取。當綜合管廊需橫穿鐵路、公路等情況且施工場地為軟土地基時，可考慮采用頂管法進行施工。頂管法是地下管道非開挖施工的一種，利用液壓頂進工作站從頂進工作井將待鋪設的管道頂入，在頂管機之后直接鋪設管道的非開挖地下管道施工技術［3］。由于頂管法和綜合管廊建設在我國均起步較晚，頂管法綜合管廊結構設計與計算理論仍需進一步研究。

1　結構上的作用

頂管法綜合管廊結構上的作用主要分為永久作用和可變作用。永久作用主要包括：結構及收容管線自重、土壓力、地基沉降、預應力、頂管軸線偏差引起的作用；可變作用主要包括：地面堆積荷載、地面車輛及人群荷載、地下水壓力、凍脹力等。

頂管綜合管廊結構設計時，對不同性質的作用采用不同的代表值。對永久作用，采用標準值作為代表值；對于可變作用，根據設計要求采用標準值、組合值或標準值作為代表值。

2　結構設計

2.1設計規定

頂管法綜合管廊結構通常采用鋼筋混凝土管道，需按剛性管進行計算。管道結構采用以概率理論為基礎的極限狀態設計方法，以可靠指標度量管道的結構可靠度。除管道穩定驗算外，均采用分項系數的設計表達式進行設計。管道結構計算時，需驗算承載能力和正常使用兩種極限狀態。

2.2作用效應的組合設計值

頂管綜合管廊荷載作用效應組合設計值，可按下式進行確定［4］：

式中：γG1為管廊及管線自重作用的分項系數，可取γG1=1.2；γG，sv為豎向水土壓力作用的分項系數，可取γG，sv=1.27；γGh為側向水土壓力作用分項系數，可取γGh=1.27；γG1、γsv、γh分別為管廊及管線結構自重、豎向和側向水土壓力的作用效應系數；γGv、γGm分別為地面車輛荷載、地面堆積荷載的作用效應系數；γ1k為管廊及管線自重標準值；Fsv，k為豎向土壓力標準值；Fh，k為側向土壓力標準值；Qvk車行荷載產生的豎向壓力標準值；Qmk為地面堆積荷載作用標準值；為可變荷載組合系數，對于鋼筋混凝土管道取=1.0。

當驗算鋼筋混凝土管道構件截面的最大裂縫開裂寬度時，可按準永久組合作用計算。作用組合效應的組合設計值按公式（2）進行確定：

式中：Ψqj為第j個可變作用的準永久值系數，可根據參考文獻［5］有關規定選取；CGi、Cqi分別為永久荷載和可變荷載作用效應系數；Cik、Cjk分別為永久荷載和可變荷載標準值。

需注意的是，鋼筋混凝土管道在準永久組合作用下，最大裂縫寬度不應大于0.2mm。

3　混凝土管道內力計算

頂管綜合管廊的混凝土管道在組合作用下，管道橫截面的環向內力可根據公式（3）、（4）進行計算：

式中：M為管道橫截面的最大彎矩設計值（N mm/m）；N為管道橫截面的軸力設計值（N/m）；γ0為圓管的計算直徑（mm），即自圓管中心至管壁中心的距離；kmi、kni分別為彎矩系數、軸力系數，均應根據作用土體類別取土的支承角為120°，按參考文獻［4］附錄B確定；Pi為作用在管道上的第i項作用設計值（N/m）。

4　問題討論

①在綜合管廊頂管施工期間，在頂管頂進過程中加注泥漿以減小其頂進阻力，此時管道和周圍土體之間存在有一定壓力的減阻泥漿填充，管道處于懸浮狀態，該狀態工況較正常運營狀態為非控制狀態。如果頂進施工停頓，泥漿壓力降低為零，該狀態的受力可按空管進行分析。

②土壓力計算時采用水土分算，這是由于水對于管廊的作用是均勻的，而土壓力豎向作用和側向水平作用不同［6］。

③管廊周圍土體為原狀土，土壓力計算時采用勘察報告的c、ψ值，不能采用折算摩擦角，更不能忽略c值，否則計算的土壓力將偏大。

④混凝土最大裂縫寬度限值應根據運營狀況確定，規范規定的最大裂縫寬度是指長期運行的工況，0.2mm的裂縫寬度限值是指潮濕環境下的裂縫限值，如驗算管道受力面長期處于干燥環境中，則最大裂縫限值可按干燥環境取值。

⑤地面堆積荷載傳遞到管廊頂部的豎向壓力標準值可取10kN/m2。綜合管廊一般都與車輛行進方向在同一方向上，在車輛荷載計算時應考慮車輛前后輪的影響，單個輪壓傳遞到管道上的豎向壓力標準值可按公式（5）進行計算［7］。

式中：qvk為輪壓傳遞到管道上豎向壓力標準值（kN/m2）；Qvi,k為車倆的第i個車輪承擔的單個輪壓標準值（kN）；ai為i個車輪的著地分布長度（m）；bi為i個車輪的著地分布寬度（m）；H為自車行地面至管頂的深度（m）；μd為動力系數，參見表1。當管廊埋置深度大于5.0m時可不考慮車輛荷載，當管廊頂部蓋層厚度大于2.0m時，可不考慮動力系數。地面堆積荷載與車輛荷載不考慮同時作用，可取大值計算。

動力系數　表1

5　結論

綜合管廊建設是城市基礎設施建設的發展方向，其頂管法施工在綜合管廊建設的浪潮中不斷改進，頂管法綜合管廊設計與計算理論也在不斷的完善和成熟。本文對頂管法綜合管廊結構設計與計算進行了歸納總結，為今后同類工程的設計與計算提供借鑒。

［1］DG/TJ08-2007，世博園區綜合管溝建設標準［S］.

［2］張帥軍.盾構法在城市地下共同管溝施工中的運用前景分析［J］.隧道建設，2011，31（S1）：365-368.

［3］DB13（J）/T183-2015，城市地下綜合管廊建設技術規程［S］.

［4］葛春輝.頂管工程設計與施工［M］.中國建筑工業出版社，2012.

［5］CECS246：2008，給水排水工程技術規程［S］.

［6］葛春暉，等.頂管的荷載作用研究［J］.特種結構，2007，24（3）：14-16.

［7］榮哲，孫玉品.城市綜合管廊設計與計算［J］.工業建筑，2013，43（S1）：230-232.

TU311.4

A

1007-7359（2016）04-0125-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.050

苗現國（1977-），男，高級工程師，研究方向：巖土工程設計及施工。