奢嶺支線管線穿越104省道頂管設計方案

劉文斌，張 宏，蘇平磊，潘永慶

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春 130021）

1 工程概況

吉林省中部城市引松供水二期工程位于吉林省中部，為輸水支線工程，共10條線路。奢嶺支線供水工程主要由調蓄水庫、奢嶺支線岸邊取水口及提水泵站、奢嶺支線至奢嶺鎮擬建凈水廠供水管線及交叉附屬建筑物組成。

104省道為雙向二車道公路，路基寬12.00m，高2.60m，兩側邊坡1∶2.5。為不影響高速公路正常運行，輸水管線穿越高速段設計采用頂管法施工。此處頂管全長63.00m，與公路交叉角度為80°。

2 頂管布置

奢嶺支線穿越104省道段輸水管道采用DN900鋼管。為減小對高速公路影響，需要保證工作井、接收井距路基坡腳的距離及輸水管道的埋置深度。根據布置，頂管法施工段全長63.00m，工作井距路基坡腳15.00m，接收井距路基坡腳17.07m，頂進管道位于104省道路面下埋深6.00m，最小埋深3.30m。

工作井、接收井采用鋼板樁支護加鋼筋混凝土襯砌結構，鋼板樁采用拉森IV型鋼板樁，混凝土采用C30二級配混凝土，抗滲等級P6。

3 頂管設計

3.1 頂進管道設計

頂進管道采用柔性接口鋼承口DRCPⅢ級管，為鋼筋混凝土套管，混凝土強度等級C50，采用HRB400級鋼筋，抗滲等級P8，管道內徑1.60 m，壁厚0.16m，輸水鋼管于鋼筋混凝土套管內穿過，套管和鋼管之間采用水泥砂漿回填密實，頂進方向結合管線坡度自低向高頂進。

3.1.1 管道荷載計算

管道荷載根據GB50332-2002《給水排水工程管道結構設規范》與CECS246：2008《給水排水工程頂管技術規程》（以下簡稱《規程》）計算。

3.1.2 管道結構計算

1）管道允許頂力驗算

根據《規程》，管道總頂力F0按下式估算：

式中：D1——管道的外徑，m；L——管道設計頂進長度，m；fK——管道外壁與土的平均摩阻力，按《規程》表12.6.14采用；NF——頂管機迎面阻力，kN，泥水平衡式機頭迎面阻力按下式計算：

式中：Dg——頂管機外徑，m；γS——土的重度，kN/m3；HS——覆蓋層厚度，m。

工程選用泥水平衡式頂管機，并采用觸變泥漿減阻措施，管壁與土的平均摩阻力取5.0kN/m2。經計算，管道所需頂力標準值為2258.18kN，設計頂力采用2300kN。

鋼筋混凝土頂管傳力面允許最大頂力按下式計算：

式中：FdC——混凝土管道允許頂力設計值，N；φ1——混凝土材料受壓強度折減系數，取0.8；φ2——偏心受壓強度提高系數，取1.05；φ3——材料脆性系數，取0.85；φ5——混凝土強度標準調整系數，取0.79；fC——混凝土受壓強度設計值，C50混凝土取23.1N/mm2；Ap——管道的最小有效傳力面積，由插口外徑與木墊圈內徑計算得697022mm2；γQd——頂力分項系數，取1.3；γ——土的容重，kN/m3。

經計算，混凝土管道允許頂力設計值為6297 kN，大于設計頂力，管道頂進時不會破壞。

2）管道內力計算

混凝土管道在組合作用下，管道橫截面的環向內力按下式計算：

式中：M——管道橫截面的最大彎矩設計值，kN·m/m；N——管道橫截面的最大軸力設計值，kN/m；γ0——管道計算半徑，即子管道中心至管壁中心的距離，mm；kmi，kni——彎矩、軸力系數，根據荷載類別取土的支撐角為120°，按《規程》附錄B確定；Pi——作用在管道上的i項荷載設計值，N/m。

各工況荷載組合作用下管道截面內力計算結果見表1。

表1 各工況荷載組合作用下管道截面內力計算結果

3）配筋及最大裂縫驗算

鋼筋混凝土頂管采用柔性接口鋼承口DRCPⅢ級管，內側環向配筋為φ8、間距48.5mm，外側環向配筋為φ8、間距67.5mm，管道壁厚180.0mm，保護層厚20.0mm。通過計算，選用的DN1600DRCPⅢ級管配筋滿足承載力與裂縫寬度要求，管道截面配筋及裂縫驗算見表2。

表2 管道截面配筋計算及裂縫驗算表

3.2 工作井設計

3.2.1 結構尺寸

工作井采用矩形井，結構尺寸根據《規程》計算確定。工作井最小內凈長度按以下兩式計算結果最大值選取：

式中：l——工作井最小內凈長度，m；l1——頂管機下井式最小長度，m；l2——下井關節長度，鋼筋混凝土管取3.0m；l3——千斤頂長度，取2.5m；l4——留在井內的管道最小長度，取0.5m；k——后座和頂鐵的厚度及安裝富余量，取1.6m。

經計算，工作井最小內凈長度l≥8.1m，設計沉井內徑取9.0m。工作井的出發口直徑考慮橡膠止水圈的安裝等要求，應不小于頂管機外徑0.2m。根據泥水平衡機械參數資料，DN1800頂管泥水平衡式機頂管機外徑約為2.0m，出發孔直徑取2.2m。

3.2.2 頂推計算

工作井后背墻穩定按《頂管施工技術及驗收規范》（非開挖技術協會）要求計算，計算所得后座墻土抗力為頂力的1.2～1.6倍。公式：

式中：R——總推力之反力，kN；α——系數，取1.5～2.5；β——后座墻寬度，m；H——后座墻高度，m；Kp——被動土壓力系數；c——土的凝聚力，kPa；h——后座墻頂至地面的高度，m。

經計算，R=7408.31kN，安全系數為3.22，后背土體滿足抗頂推要求。

3.2.3 開挖支護計算

工作井基坑開挖支護計算采用理正深基坑7.0PB5軟件。截面驗算、整體穩定驗算、抗傾覆穩定性驗算、抗傾覆(踢腳破壞)穩定性驗算、抗隆起驗算、嵌固深度構造驗算、嵌固段基坑內側土反力驗算均滿足規范要求。

3.2.4 襯砌結構計算

工作井襯砌結構采用C30二級配混凝土，包括底板、側墻、后座墻與前止水墻四部分。襯砌結構尺寸：底板、側墻、后座墻厚0.8m，前墻厚0.6 m，墻計算高度為3.5m。計算工況包括非頂進工況與頂進工況。

1）非頂進工況內力計算

未頂進時，四周墻體受主動土壓力作用，按三邊固支、一邊自由的板簡化計算。側墻與前墻受主動土壓力作用，主動土壓力按下式計算：

式中：Pa——主動土壓力強度，kPa；z——深度，m；φ——填土內摩擦角。

經計算，墻底土壓力為57.01kN/m2，墻頂土壓力為6.67kN/m2。各墻內力計算結果見表3。

表3 各墻體內力計算結果kN·m

2）頂進工況內力計算

頂管頂進時，為防止頂進反力過于集中而造成后座墻的損壞，在后座墻與主頂油缸之間設置鋼結構后靠背，使頂進反力較均勻地傳至后座墻上，后座墻近似按獨立基礎計算。側墻、前墻計算與非頂進工況一致。經計算，后座墻最大土抗力為104.79kN/m2，后靠背邊緣處最大彎矩為372.96kN·m。

3）配筋計算

襯砌結構按SL191-2008《水工混凝土結構設計規范》承載能力進行配筋計算，并進行裂縫寬度驗算，二類環境最大裂縫寬度不大于0.3mm。經計算，底板內力較小，按墻板節點處內力配筋。

配筋結果及最大裂縫寬度計算結果見表4。

表4 墻配筋計算及最大裂縫寬度計算表

3.3 接收井設計

3.3.1 結構尺寸

接收井采用矩形井，結構尺寸根據《規程》計算確定。接收井最小內凈寬度B按下式計算，并滿足頂管機在井內拆除和吊出要求：

式中：D1——頂管機外徑，m。

經計算，接收井最小內凈寬度B≥4.0m，考慮到頂管機吊出等參數，設計沉井內徑取4.5m。接收井的出發口直徑考慮橡膠止水圈的安裝等要求，不小于頂管機外徑0.3m。根據泥水平衡機械參數資料，DN1800頂管泥水平衡式機頂管機外徑約為2.0m，出發孔直徑取2.3m。

3.3.2 開挖支護計算

接收井基坑開挖支護計算采用理正深基坑7.0PB5軟件。截面驗算、整體穩定驗算、抗傾覆穩定性驗算、抗傾覆(踢腳破壞)穩定性驗算、抗隆起驗算、嵌固深度構造驗算、嵌固段基坑內側土反力驗算均滿足規范要求。

3.4 沉降計算與控制路面沉降措施

頂管施工引起的地面沉降采用Peck沉降槽理論計算，計算公式：

式中：S（x）——x處地面沉降量，mm；x——頂進管道軸線的橫向水平距離，m；i——沉降槽寬度系數，m；Vs——超挖量，m3；Smax——最大沉降量，mm。

其中：

為減少路面沉降，設計采用泥水平衡式頂管機，采用觸變泥漿減阻施工。施工作業過程中，控制頂進速度，嚴格控制出土量；采用合理的壓漿工藝和參數，注漿飽滿；嚴格控制管線糾偏，減小對周邊土體擾動，頂管機糾偏角度小于0.5°；施工完成后及時進行泥漿置換，采用水泥漿置換空隙內的觸變泥漿，減小后期沉降。

經計算，采取以上措施后，路中線最大沉降量為17.78mm，小于規范允許值20.00mm，滿足要求。

4 結語

頂管法是地下管道非開挖施工的一種，是一種對環境干擾很少的施工方法，對于交通繁重、人口密集、地面建筑物眾多、地下構筑物和管線復雜的市區來說是非常重要的，其在具體操作時，不會對實際路面及建筑物產生影響，如埋藏要求比較高的管道，更加節省人力、物力及財力，同時增加了施工安全性。由于頂管施工的特殊性，施工時應嚴格遵守相應的規程規范，避免出現塌方等危險情況，保證公路鐵路安全，保證交通的正常運行。