頂管工作井在特殊地形中的應用

郭茜彥

（西安市政設計研究院有限公司，陜西西安710068）

頂管工作井在特殊地形中的應用

郭茜彥

（西安市政設計研究院有限公司，陜西西安710068）

通過延安地區某廠外給排水管線頂管工程中的頂管工作井設計實例，主要介紹了位于山坡特殊地形上的頂管工作井設計易出現的問題及結構設計過程，有關經驗可供相關專業人員參考。

山坡；頂管工作井；設計問題；計算；扶壁柱

0 引言

頂管施工是繼盾構施工之后而發展起來的一種地下管道施工方法，它不需要開挖面層，并且能夠穿越公路、鐵道、河川、地面建筑物、地下構筑物以及各種地下管線等。頂管施工借助于主頂油缸及管道間中繼間等的推力，把工具管或掘進機從工作井內穿過土層一直推到接收井內吊起。與此同時，也就把緊隨工具管或掘進機后的管道埋設在兩井之間，以期實現非開挖敷設地下管道的施工方法。

這種技術的優點是：不開挖地面；不拆遷，不破壞地面建筑物；不破壞環境；不影響管道的段差變形；省時、高效、安全，綜合造價低。

隨著我國經濟持續穩定地增長，城市化進程的進一步加快，我國的地下管線的需求量也在逐年增加。加之人們對環境保護意識的增強頂管要的地位和作用。非開挖技術的發展必將向規模化、規范化、國際化的方向發展。作者就曾經設計過的延安地區某廠外給排水管線頂管工程中的頂管工作井設計實例，主要介紹了位于山坡上的頂管工作井設計易出現的問題及結構設計過程。

1 工程概況

本工程為延安煤油氣資源綜合利用項目西區事故緩沖池至廠外排洪溝頂管工程。該工程為事故緩沖池排空管道，起于西區事故緩沖池東南角，止于場外排洪溝跌水井，全長約156.5 m。其中S1-S2段管道經過廠區大門口現狀道路，采用DN1800 mm混凝土管機械頂管施工，S2-S3段管道采用明開槽施工（見圖1）。

S2頂管工作井平面尺寸為7 m×5 m，埋深約2.335～5.335 m，頂管井僅作為頂管施工過程中的臨時支護措施，頂管結束后，在頂管井內施工檢查井（見圖2）。

由于該工作井位于埋深較淺，后背墻后無天然土體產生的被動土壓力，后背墻處于懸空狀態，為了防止頂管過程中頂管井整體產生滑移、傾覆及后背墻產生剪切破壞，減小后背墻的厚度，因而沿后背墻外側設計鋼筋混凝土扶壁，以抵抗頂管的頂力。扶壁凈高5.135 m，凈長4.8 m，厚0.5 m，共設置2道。扶壁下采用鋼筋混凝土灌注樁基礎，樁徑Ф1.0 m，樁長6 m,共計6根樁。鋼筋混凝土承臺尺寸為7 m×5.3 mm，厚度為0.8 m（見圖2）。

2 地質條件

2.1 場地位置與地形地貌

項目場地地處延安富縣南部，位于距離富縣縣城以南約14 km的段家莊村。擬建場地原始地貌單元為黃土溝壑前緣斜坡地帶，現已經人工挖填方平整。線路起于西區事故緩沖池東南角，止于場外排洪溝跌水井，擬采用頂管施工方式。管道沿線地面標高約為946.18-951.261口，相對高差約為5.08 m。

2.2 地下水

本次勘察區域內在各勘探孔勘探深度內均未見地下水。

2.3 地層結構及巖性

地層結構及巖性見表1。

圖1 排水管線頂管段平面圖

圖2 頂管工作井詳圖（單位：mm）

表1 地層結構及巖性

2.4 不良地質作用

根據現場工程地質調繪，擬建場地無滑坡崩塌、泥石流等不良地質作用。

3 設計概要

（1）設計標準

本工程結構的安全等級為二級；基坑支護等級為二級；構筑物地基基礎設計等級為丙級；混凝土環境類別為二b類；頂管井為臨時性結構，待頂管結束后廢除。結構設計使用年限為5 a。

（2）設計荷載

本工程設計考慮路面活載：城-A級；施工期間設計考慮地面堆載：10 kN/m2。

（3）建筑材料

混凝土：C30；混凝土抗滲等級P6；抗凍等級F150。

設計采用普通鋼筋：“φ”為H PB300光圓鋼筋，“C”為H RB400螺紋鋼筋。

（4）頂管概況

本次頂管管徑Ф1.8 m,頂管長度120 m，頂管坑后背墻承載頂力不大于8900 kN。要求頂力必須施加在兩側扶壁墻上，頂力距離工作坑地底板頂面500 mm位置。

4 結構計算

（1）基本參數

底摩擦系數0.3,頂力8000 kN,土壓力系數0.333，滑移穩定安全系數1.3，結構重要性系數0.9，側摩阻力標準值30 kPa，土容重18 kN/m3。

（2）樁基計算

底摩擦力:

Ff=（5.335×26×0.5+6×11×0.6-3.14×1.13×1.13×0.5×2+2.1×5.335×0.5×2/2）×25×0.3=829.1 kN

井壁側摩阻力：2.0×8×30×2=960 kN

由表4可知，兩種茼蒿葉片的SPAD值x與葉綠素總含量y（單位：mg/g，下同）之間的相關性如下，其中“小葉茼蒿”的各個模型的相關系數普遍大于“大葉茼蒿”的各個模型的相關系數。“小葉茼蒿”相關性最高的函數模型是線性函數y=0.0355x-0.8439（r=0.943**），“大葉茼蒿”相關性最高的函數模型指數函數是y=0.5196e00068（xr=0.133）。

井壁后土壓力：2.0×18×0.333×6=71.9 kN

樁基頂總水平作用力：F0=（8000-829.1-960-71.9）×1.3=7980.7 kN

樁數6根，樁徑1000 mm，樁長4.0 m。

復合基樁水平承載力計算：

a.基本資料

承臺類型：六樁；計算方向：Y向；承臺底與基土間的摩擦系數μ=0.3;

樁型：灌注樁；樁頂約束情況：固接;

圓樁直徑d=1000 mm；縱向鋼筋的根數、直徑為C20C25；樁身配筋率ρg=1.392%。承臺示意見圖3。

圖3 承臺詳圖

縱向鋼筋凈保護層厚度c=40 mm；鋼筋彈性模量Es=200000 N/ mm;樁頂允許水平位移x0a=27 mm；樁側土水平抗力系數的比例系數m=50 M N/m4；

樁的入土長度h=4 m；

樁列間距Sa=2500 mm;樁行間距Sb=2500 mm;承臺邊緣至樁中心距離Sc=500 mm;

a=2(Sc+Sa)=2×（500+2500）=6000 mm；

b=2Sc+Sb=2×500+2500=3500 mm;

承臺底部底面積Ab=a·b=6×3.5=21 m；

承臺計算域面積A=21 m，總樁數n=6；

樁中心距S=(A/n)0.5=（21000000/6）0.5=1871 mm，承臺寬度Bc=3500 mm；

承臺高度H=600 mm；

地基承載力特征值平均值fak=100 kPa；

計算過程略。

b.計算結果

樁身換算截面受拉邊緣的截面模量W0=0.111395 m。

（3）扶壁配筋計算

按扶壁四點位置設置支撐考慮。扶壁尺寸上部500 mm×500 mm，下部500 mm×2600 mm（見圖4、圖5）。

圖4 扶壁計算簡圖（單位：mm）

圖5 扶壁計算結果

計算過程略。

5 施工順序

放線→打樁→開挖頂管井基坑、扶壁承臺基坑→底板、承臺綁扎鋼筋→底板、承臺澆筑混凝土→綁扎底板以上鋼筋→澆筑混凝土→地面以下基坑回填→承臺板頂以上素土回填土→頂管施工。

結構施工完畢，混凝土強度達到要求，頂管工作進行前，必須在后背墻一側承臺至頂管坑頂回填素土。待基坑回填、后背墻一側素土回填完畢方可進行頂管施工。

6 結語

頂管施工工法目前在全國乃至陜西地區應用很廣，它不僅使用在給排水領域，還使用在電力、通訊、綜合管廊、熱力、再生水、輸油管線等領域。頂管工作井及接收井在砂土、粘土地區主要采用高壓旋噴樁或者無高壓旋噴樁+逆作法施工工藝；在軟土地區主要采用沉井施工工藝，頂管工作井及接收井基本位于平地，井四周有土體。

本項目頂管工作井位于山坡上，采用大開挖施工+鋼筋混凝土灌注樁+扶壁，于2017年3月份竣工，頂管效果良好，運營效果良好。工程的建成為以后在類似延安這種地形、地貌工程采用頂管施工工法積累了經驗。但以后設計遇到的問題可能還很多，都需要我們在實踐中不斷的學習去解決。

TU992.05

B

1009-7716（2017）11-0162-04

2017-06-24

郭茜彥（1964-），女，陜西扶風人，高級工程師，從事市政結構設計工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.049