穿山體頂管工程設計探究

孫銘杰

（廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司,廣東 廣州 510635）

某大型引調水項目線路需途經一處大型山體,初步設計階段采用隧洞鉆爆施工,由于初步設計階段與施工圖階段時間跨度較大,項目開工時,已有在村落搬遷至該山體并居住于原隧洞軸線上方,若按原設計進行隧洞鉆爆施工,爆破開挖不僅會對居民生活產生嚴重干擾而且對房屋結構安全影響很大,極易對房屋造成開裂等破壞。故采取頂管工藝替代原隧洞鉆爆施工。線路全長共625 m,采用鋼管D3068×34,Q345B,單管鋪設,施工時需設置4個中繼續間,頂管平均深度為25 m。

1 頂管機選型

常見的頂管機有泥水平衡頂管機、土壓平衡頂管機、矩形頂管機、巖石頂管機、復合式巖石破碎泥水平衡頂管機?，F就相對常用的巖石頂管機、泥水平衡頂管機及復合式巖石破碎泥水平衡頂管機進行簡單比較。泥水平衡機頭一般在地下水壓力較高及土質變化范圍較大的條件下使用,其具有易控制地面沉降,連續出土作業及頂進速度快的特點；巖石頂管機頂進速度較慢但由于其盤面具有滾刀和刮刀,故其可在各種地層進行掘進作業,并具有較強的一次破碎及二次破碎功能；復合式巖石破碎泥水平衡頂管機同樣具有較強的一次破碎及二次破碎功能,且能在地下水壓力較高的情況下工作,缺點是造價相對較高。

根據山體地質鉆孔揭露,山體地層巖性主要為燕山期中粗粒黑云母花崗巖、少部分為細粒花崗巖,花崗斑巖。根據巖石試驗成果,弱風化巖飽和單軸抗壓強度范圍值32.10 MPa～100.00 MPa,平均55 MPa,屬堅硬巖石[1]。

根據該山體地質情況,雖然泥水平衡機頭掘進速度快,但其并不具備破巖能力,而巖石機頭在其滾刀的作用下,可在至少130 MPa以下弱風化花崗巖層等地層進行掘金。但由于頂管平均深度達到25 m,且山體內地下水充沛且水壓較大。故復合式巖石破碎泥水平衡頂管機更適合在山體中進行掘進作業。

2 頂管結構計算

2.1 頂管允許頂力計算

在長距離頂管施工中,為了將整段管道分段推進,減少總頂力和后靠背的反作用力,常設置中繼間,本次長距離頂管共設置4個中繼間。即本段頂管采用平均每隔130m設置一中繼間進行允許頂力計算。

根據《給水排水工程頂管技術規程》（CECS 246-2008）,鋼管傳力面允許的最大頂力采用下式計算：

式中：Fds為鋼管管道允許頂力設計值；?1為鋼材受壓強折減系數,可取1.0；?3為鋼材脆性系數,可取1.0；?4為鋼材頂管穩定系數,可取0.36；當頂進長度小于300 m時,穿越土層又均勻時,可取0.45；fs為鋼材受壓強強度設計值。

鋼管內徑3 m,管壁厚34 mm,最小有效傳力面積為Ap=0.32 m2,鋼材受壓強度設計值fs=295 N/mm2,代入上式可得傳力面允許最大值Fds=26474.36 kN。

《給水排水工程頂管技術規程》（CECS 246-2008）中,給出了大口徑頂管鋼管推薦外形尺寸與允許頂力參考值,對應3 m管徑的允許頂力參考值為14373.8 kN。與公式計算結果相比較小,故綜上所述,頂管施工過程的最大頂力定為14373.8 kN。

2.2 管道荷載計算

計算典型斷面位置的選取與地質條件有關。在巖層中,外水壓力是起控制作用的荷載,圍巖壓力荷載可忽略不計。

2.3 管道內力計算

巖層段頂管抗外壓穩定分析采用《水電站壓力鋼管設計規范》（SL 281-2003）中的式（B.2.1-1）計算:

式中：Pcr為臨界外壓,N/mm2；為鋼材屈服點,N/mm2,按表1的注1取值。

巖層段頂管抗外壓強度分析采用《水電站壓力鋼管設計規范》（SL 281-2003）中的式（6.1.5）計算:

式中：Po為徑向均布壓力,N/；r為鋼管（鋼襯）內半徑,mm；t0為鋼管（鋼襯）管壁計算厚度,mm。

計算結果見表1。

表1 頂管結構計算表

3 出發井及接收井設計

3.1 出發井及接收井尺寸計算

（1）出發井

根據《給水排水工程頂管技術規程》（CECS 246-2008）規定,出發井長度、深度及寬度應滿足：

出發井最小長度由頂管機長度與出發井壁厚共同確定：

根據現場實際情況,頂管機及其操作空間合計需6 m,即Lj=6 m。

出發井最小寬度由管徑與施工過道共同確定：

出發井最小深度由頂管埋深及管徑共同確定,可按以下公式計算：

根據現場實際情況,最小頂管埋深為6 m,管徑為3 m,即h1=6 m ；D0=3 m；h≥ D0+h1=9.0 m。

根據以上計算,并參考類似工作經驗,確定本工程頂管井結構尺寸如下：

頂管出發井采用方形沉井結構,凈長為11 m、凈寬7 m；沉井總高度11 m,井壁為變截面,下部厚1 m,上部厚0.75 m；出發井結構型式及尺寸見圖1、圖2、表2。

圖1 頂管出發井（沉井）平面布置圖

圖2 剖面圖

表2 沉井特性表

（2）接收井

管道出接收井后采用埋管方式鋪設,故接收井采用大開挖方式施工,技術含量較低。本文不作展開討論。

3.2 抗浮計算

（1）沉井下沉驗算

出發井采用沉井的施工方式,采用不排水下沉。根據規范《給水排水工程頂管技術規程》（CECS 246-2008）,使用該方法施工時需進行頂管井分段抗浮驗算,根據現場情況,實測地面高程為27 m,地下水位為26 m。

下沉計算公式：

式中：Ks為下沉系數；G為沉井自重標準值,kN；Fw為下沉過程中水的浮托力標準值,kN；Ff為井壁摩阻力標準值,kN。

根據《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規程》（CECS 137-2015）規定,頂管井下沉時下沉系數Ks≥1.05視為驗算合格；分別下沉至以下標高時的下沉系數見表3。

表3 頂管井下沉時的下沉系數

（2）沉井封底階段抗浮驗算

浮力： F=γdwV排=10.00×1053.200=10532.000 kN

不計井壁與側面土的反摩擦力：

Kf1=G/F=（10307.500+1779.750+3168.000）/10532.000=1.45

大于《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規程》（CECS 137-2015）所規定的允許值1.0。

考慮井壁與側面土的反摩阻力：

單位反摩阻力為：

井壁總的反摩阻力為：

大于《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規程》（CECS 137-2015）所規定的允許值1.15。

綜上計算結論可得出頂管井滿足抗浮要求。

4 頂管施工設計

4.1 頂管施工工藝

根據地勘鉆孔揭示山體巖層硬度大且頂管平均深度達到25 m,山體內地下水水壓較大。復合式巖石破碎泥水平衡頂管機工作時可通過改變泥水倉的送、排水量和頂進速度,使水倉內的泥水壓力穩定并控制在設定的范圍內,從而達到開挖面穩定。

頂管總長度達到625 m,往往會出現長距離施工頂力不足的問題,故該段頂管共設置了4 處中繼間,中繼間的油缸在高壓油路的作用下,以其后部管道為支撐點,將其前段管道向前推進,采用這種方法,將管道分段逐次推進,從而實現長距離頂管。

頂管采用巖石機頭,該機頭直徑略大于管徑,且山體上方存在居民村落,為防止山體頂部出現沉降及地下水沖刷管道,故施工完成后需對管周進行充填灌漿處理,封堵管壁土層之間的縫隙。充填灌漿孔徑5 cm,孔深15 cm,排距3 m,每排3 個灌漿孔,排與排之間呈梅花形布置,灌漿孔位于每節管中部位置。

4.2 頂管井施工工藝

（1）沉井施工

頂管井處地下水位較高,且頂管深度達到11m,根據頂管井處地質特點,其地下均為全風化花崗巖,其遇水會發生軟化。故井內土方開挖需要采用伸縮式挖掘機進行土方開挖,開挖前應先從井底中央重心處成放射形向四周進行施工,使其形成鍋底狀。一般鍋底比刃腳低一米為宜,此時的沉井即可靠沉井自重而下沉,而將刃腳下方土擠向中央鍋底,再從沉井內繼續抓土,沉井即可繼續下沉。

全風化花崗巖中可能存在球狀風化核,俗稱“孤石”,其埋藏分布不均勻,且抗壓強度可達100 MPa以上。其出現在井壁下沉方向阻止井壁下沉的情況也時有發生。遇到該種情況,可采用膠皮水管沿井外壁進行有壓注水以沖刷孤石,使其偏移井壁下沉方向。井壁下沉后應采用細土或砂填充縫隙。

（2）沉井封底處理

頂管井處地下水位較高,故采取不排水沉井法,沉井封底前需對井底進行沖刷,并清理井底石屑。過后可采用垂直導管法灌注混凝土漿液進行水下封底。待滿足混凝土養護時間并達到混凝土設計強度后,才可從井中抽水。

5 結論

本文借助工程實例對長距離頂管穿越山體可能遇見的施工難點進行了分析,對管道的允許頂力及管道內力進行了計算,并對頂管井的尺寸及穩定性進行了驗算。經工程實踐證明,得出的數據及結論可滿足穿山體頂管工程的施工要求,可給同類別頂管井施工方案提供參考,具有重要理論意義及實用價值。但對山體內不同的地質情況仍需進一步研究。