某大直径钢管顶管施工计算和中继间设置

柯海鹏,陆慧群

(1.浙江富春紫光环保股份有限公司,浙江 杭州 310013；2.浙江双良商达环保有限公司,浙江 杭州 310030)

1 工程概况

某市第二污水处理工程进水管道穿越城区道路和高架桥管段长度为177 m,管中标高-3.5 m,最大覆土厚度12.9 m,采用顶管施工,顶管为DN2 400(壁厚为26 mm)钢管,材质为Q235B的碳素结构钢,焊接接口,设计允许最大顶力为8 000 kN。共设顶管工作井1座,接收井1座。顶管工作井采用咬合桩围护,现浇钢筋混凝土结构,设计允许最大顶力也为8 000 kN。

2 地质、水文条件

1)根据本工程地质勘察资料,顶管管段均位于⑦1A层全风化粉砂质泥岩中。⑦1A层全风化粉砂质泥岩,母岩强烈风化呈土状,以粉质黏土为主,局部夹中风化岩块,遇水易软化,土层渗透性较差,对顶管施工有利。地基土力学性能情况见表1。

表1 地基土承载力建议值

2)地下水

经详勘,在勘探深度范围内,道路沿线场地有2层地下水存在。详勘期间在勘探孔内(仅陆域部分)测得潜水稳定水位约在现地表下2.70～3.80 m左右,相当于1985国家高程基准6.93～7.14 m之间。该浅层地下水主要受大气降水及地下同层侧向径流补给,邻近地表水体处与河水互补,并随季节性有所变化,年均水位变化幅度值约1.0 m。本工程陆域部分,承压水含水层分布不连续,且厚度较薄,并同潜水相连通,对工程建设影响不大。

3 施工顶进阻力计算

本工程顶管工作井、管材的设计允许最大顶力均为8 000 kN,根据《给水排水管道工程施工及验收规范(GB 50268—2008)》规定,顶管顶进阻力计算如下：

Fp=π·Do·L·fk+NF

(1)

式(1)中:Fp为顶进阻力；

Do为管道的外径(m),本工程中Do=2.500 m；

L为管道设计顶进长度(m),本工程中L=177 m；

fk为管道外壁与土的单位面积平均摩阻力(kN/m2),本工程采用触变泥浆减阻技术后,根据GB 50268—2008规范中表6.3.4-2规定,取fk=8.0 kN/m2；

NF为顶管机的迎面阻力( kN),本工程采用泥水平衡顶管机,根据GB50268—2008规范中表6.3.4-1规定,NF=πDg2P/4。式中Dg为顶管机外径(mm),本工程中Dg=2.500,P为控制土压力,其值同管中最大覆土深度(m)×9.8kN,本工程中p=12.9×9.8=126.42 kN/m2

所以,Fp=3.14×2.500×177×8+3.14×2.5002×126.42÷4= 13 596 kN

经计算得知顶管的顶进阻力为13 596 kN,大于顶管工作井管材的设计允许最大顶力8 000 kN,顶管时只能用其90%,8 000×0.9=7 200 kN。主顶使用每只最大推力为2 000 kN的油缸6只,在推进时,每只油缸的最大顶力不得超过1 200 kN,则剩余顶力需要设置中继间来解决。

4 最大顶距计算和中继间的设置

本工程的Φ2 400顶管最大顶力限制在7 200 kN以下,顶进长度较长,因此要用到中继间接力顶进。一个中继间设计总推力F′=6 400 kN(可由20只320 kN千斤顶组成)。经计算得知顶管的顶进阻力为13 596 kN,则需要由中继间分担的剩余顶力为13 596 kN-7 200 kN=6 396 kN。所以需要设置单个推力F′=6 400 kN(由20只320 kN千斤顶组成)的中继间1个能满足顶力要求。

计算如下：

F=π·Do·L·fk

(2)

F为最大许用顶力(kN),F=7 200 kN；

Do为管节外径(m),D=2.500 m；

L为主顶油缸推动的管节长度(m)；

fk为管道外壁与土的单位面积平均摩阻力(kN/m2),本工程采用触变泥浆减阻技术后,根据GB 50268—2008规范中表6.3.4-2规定,取fk=8.0 kN/m2；

F=3.14×2.500×8×177=11 115 kN；

所以L=F/π·Do·fk=7 200/(3.14×2.500×8)=114.6 m,取110 m；

主顶油缸推动的管节长度最大为110 m。

迎面阻力NF=π/4·Dg2·P=3.14×2.5×2.5×126.42/4=620 kN；

其中：Dg为顶管机外径(m)；

P为控制土压力,P=126.42；

MF=F′-NF=6 400-620=5 780 kN;

中继间可以推动的管节长度最大为L′=MF/πDofk=5 780/(3.14×2.5×8)=92 m,取90 m。

因此,全长177 m的顶管段,可以在顶管开始80 m处布置一个中继间。

中继间由前壳体、千斤顶及后壳体组成。前壳体与前接管连接,后壳体与后接管连接,前后壳体间为承插式连接,两者间依靠橡胶止水带密封,防止管道外水土和浆液倒流入管道内。钢壳体结构进行精加工,以保证其在使用过程中不发生变形,外壳在安装前进行防腐处理；中继间壳体外径与管节外径相同,可减少土体扰动、地面沉降和顶进阻力；中继间的启动和拆除由前向后依次进行。

5 后靠墙的复核计算

后靠墙在顶力作用下,产生压缩,压缩方向与顶力作用方向一致。当停止顶进,顶力消失,压缩变形随之消失,这种弹性变形是正常的。顶管中,后背墙不应当被破坏,产生不允许的压缩变形。后背墙不允许出现上下或左右的不均匀压缩,否则,千斤顶在余面后背上,会造成顶进偏差。为了保证顶进质量和施工安全,施工时应对后背墙的强度和刚度计算。靠背受力分析见图1。

图1 靠背受力分析图

后靠背受力计算公式：

(3)

式(3)中：R为总推力之反力(一般大于推力的1.2～1.6)；

a为系数(取1.5～2.5之间),此处取2；

B为后座墙的宽度(m),此处取5 m；

γ为土的容重(kN/m3)；

H为后座墙的高度(m),此处取5 m；

Kp为被动土压系数tg2(450+φ/2),为1.5195；

c为土的内聚力(kPa) 一般情况下取10；

h为地面到后座墙顶部土体的高度(m),此处取10 m；

=2×5(18.9×5×5×1.5195/2+2×10×10×1.2327+18.9×10×5×1.5195)

=19 820 kN

按上式计算,工作井后靠墙能承受19 820 kN顶力。

根据设计图纸,并考虑结构影响因素,其工作井设计允许最大顶力为8 000 kN大于实际最大顶力7 200 kN,满足要求。

6 结 语

经过对施工组织过程计算分析,合理设置了中继间,施工时并对其采取有效措施保证其密封性,并通过对后背墙受力复核,从而确保了施工安全。目前该工程已经竣工投入使用,运行良好。