南水北调配套工程顶管施工关键数据的计算

□ 孟繁琪 □ 陈松杰 □ 王 斌（漯河市水利工程处）

1 工程概况

本工程位于漯河市，为南水北调配套工程。外部混凝土套管为DN1800mm，内部涂塑复合钢管为DN1200mm,混凝土套管采用泥水平衡顶管施工。

2 地质概况

本顶管工程地面下1m左右为人工填土，地面下2～12m为低液限粘土。工程区地下水位埋深一般2.70～5.90m，水位高程54.50～57.70m。由于施工时间在地下水位在工作井开挖面下，不存在施工降水

3 工艺流程及施工准备

本工程顶管施工的基本工艺流程为:施工准备→工作井开挖支护→顶管设备安装、调试、试运行→顶进→掘进机接收→涂塑复合钢管安装→设备拆除、转场→功能性试验

3.1 施工准备

3.1.1 施工场地地质条件、施工内容、范围确定

场地地质条件是选择施工方法的前提，工程施工前，根据业主提供的地堪报告确定施工工艺，必要时应进行补充勘察；工程施工前，组织施工人员认真学习了施工图纸、相关规范、标准，明确工程施工内容和技术要求，对图纸中与现场不符内容联系设计人员进行补充设计或变更设计。

3.1.2 对沿线管线的调查

开工前对工作井周围、顶管沿线地下管线、构筑物进行全面现场调查，标注与设计管线交叉的管线，并结合现场实际提出解决方案，确保掘进机安全顶进。

3.1.3 施工工艺确定

根据场地地质条件、顶管设备及工艺参数确定施工工艺。施工工艺主要包括:初始顶进的方案及措施；测量及纠偏的方法；长距离顶进减阻的方案及措施等。

3.1.4 设备安装调试的技术措施

施工设备的安装、调试的技术措施主要包括:施工设备的安装位置、安装精度和牢固要求、安装顺序、调试方法和要求等。

3.1.5 施工过程控制的技术措施

施工过程控制的技术措施主要包括以下内容:工作坑内管材的吊运的安装、泥水处理、测量等作业的空间布置以及平行或交叉作业的安排等；顶管入洞及出洞措施等。

3.1.6 质量安全技术措施

质量及安全技术措施主要包括:控制顶进轴线、高程误差及其他质量因素的措施；顶进操作及设备维护的技术与安全措施；控制地面隆起、沉降的措施；穿越重要构筑物的技术与安全措施。

3.1.7 应对突发事件的预案

进行施工过程中技术、质量、安全的风险分析，制定处理风险事件的应急措施。

3.1.8 顶管施工记录

记录包括顶进过程中的顶进长度、顶力数值或油泵压力表数值、管位偏差及其校正情况、机械运转情况使用情况、土质水位变化及出现的问题等。

3.1.9 顶力计算

最大推力计算，采用经验公式，按最大顶距76m计算:F=F0+NF

式中:F—总推力；NF—端阻力；F0—侧壁摩阻力。

NF=πDgγsHs

式中:Dg—管外径，2.16m；Hs—埋深,4.31m；γ—土的重量，取1.80t/m3。

F0=πD1Lfk

式中:fk—管外表面综合磨擦阻力，采用触变泥浆，取值10 kPa；D1—管外径,2.16m；L—顶距 76m；F=1809.25kN。

3.1.10 泥浆量计算

本工程中所用的泥浆泵功率为22kW,产生的泥浆流量为260m3/h，穿越长度为72m。根据以往类似地质中顶管经验，每小时转进1m计算的出泥浆量为:260×1×72=18720m3。在现场准备泥浆池，并及时同有关部门联系，将泥浆妥善处理，避免对环境造成破坏。

4 工作井支护开挖

根据设计部门移交的控制桩以及工作井底面几何尺寸、开挖深度定出工作井开挖边线。依据施工现场平面布置，划出施工场地边线。在工作井工作面周围布置隔离带。完成施工场地范围内拆迁和地上、地下已有设施的探明并采取保护措施。铺设临时水、电管线。整平场地后根据设计图纸上的工作井坐标，放出工作井坐标位置。

4.1 工作井尺寸计算

本次工作井根据使用情况采用矩形井，参照《给水排水管道工程施工及验收规范》，矩形工作井的底部应符合下列公式要求:

B=D1+S；L=L1+L2+L3+L4+L5

式中:B—矩形工作井的底部宽度（m）；D1—管道外径（m）；S—操作宽度（mm），取2.40～3.20m；L—矩形工作井的底部长度（m）；L1—工具管长度（m）。当采用管道第一节管作为工具管时，钢筋混凝土管≥0.30m；钢管≥0.60m；L2—管节长度（m）；L3—运土工作间长度（m）；L4—千斤顶长度（m）；L5—后背墙的厚度（m）。

工作井深度应符合下列公式要求:H1=h1+h2+h3；H2=h1+h3

式中:H1—顶进井地面至坑底的深度 （m）；H2—接受井地面至坑底的深度（m）；h1—地面至管道底部外缘的深度（m）；h2—管道外缘底部至导轨底面的高度（m）；h3—基础及其垫层的厚底。但不应小于该处井室的基础及垫层厚度（m）。

综合以上计算公式的计算结果，同时更具实际情况加以局部调整，本次设计工作井为矩形沉井结构，长度9m，宽度6m，深度6.70m。

4.2 工作井支护开挖

确定工作井开挖尺寸后，先放出工作井的边线后再使用槽钢进行支护，严禁先开挖后再进行支护。开挖采用人工配合机械开挖，使用挖掘机开挖至工作井底30cm处进行人工开挖。对工作井基底进行平整后，浇筑混凝土垫层，使其具有足够的承载力后，并及时浇筑混凝土靠背。混凝土靠背尺寸为4.50m×4.00m×0.70m,采用钢筋混凝土结构，所用钢筋为直径为180mm的HRB325钢筋，在靠背中设置钢筋笼钢筋的纵横间距均为200mm。

在工作井底部设置集水井集水，并及时抽除，保持工作井底面土层的干燥。工作井周边设置截水沟，防止雨水或排水流进工作井内。

4.3 后背承载力计算

后背墙在顶进过程中承受全部阻力，应有足够的稳定性。为保证顶进质量及施工安全，应进行后背墙承载能力的计算。计算公式为:Fe=KrBoH（h+H／2）r×Kp式中:Fe—后座墙的承载力．kN；Bo—后座墙的宽度，m，本工程为4.50m；H—后座墙的高度，m，本工程为3m；h—后座墙的厚度，m，本工程为0.70m；r—土的容重，kN/m3，经查阅《建筑结构荷载规范》的规定，黏土的容重为18kN／m3；Kp—被动土壤系数{与土的内摩擦角Φ有关，其计算公式为:Kp=tan2（45°+Φ／2），经查阅资料黏土的内摩擦角，度数为28～36°，取Φ=28°；Kr—后座墙的土坑系数（当埋深浅，不需打钢板桩、墙与土直接接触时，Kr=0．85，当埋深较大，打入钢板桩时，Kr=0.90+5h／H）。有此得出:Fс=KrBoH（h+H/2）r×Kp=（0.90+5×0.70/3）×4.50×3×（0.70+3/2）×18×tan2（45°+28/2）=3060kN。