奢岭支线管线穿越104省道顶管设计方案

1工程概况

吉林省中部城市引松供水二期工程位于吉林省中部，为输水支线工程，共10条线路。奢岭支线供水工程主要由调蓄水库、奢岭支线岸边取水口及提水泵站、奢岭支线至奢岭镇拟建净水厂供水管线及交叉附属建筑物组成。

104省道为双向二车道公路，路基宽12.00m，高2.60m，两侧边坡1：2.5。为不影响高速公路正常运行，输水管线穿越高速段设计采用顶管法施工。此处顶管全长63.00m，与公路交叉角度为80°。

2顶管布置

奢岭支线穿越104省道段输水管道采用DN900钢管。为减小对高速公路影响，需要保证工作井、接收井距路基坡脚的距离及输水管道的埋置深度。根据布置，顶管法施工段全长63.00m，工作井距路基坡脚15.00m，接收井距路基坡脚17.07m，顶进管道位于104省道路面下埋深6.00m，最小埋深3.30m。

工作井、接收井采用钢板桩支护加钢筋混凝土衬砌结构，钢板桩采用拉森IV型钢板桩，混凝土采用C30二级配混凝土，抗渗等级P6。

3顶管设计

3.1顶进管道设计

顶进管道采用柔性接口钢承口DRCPⅢ级管，为钢筋混凝土套管，混凝土强度等级C50，采用HRB400级钢筋，抗渗等级P8，管道内径1.60m，壁厚0.16m，输水钢管于钢筋混凝土套管内穿过，套管和钢管之间采用水泥砂浆回填密实，顶进方向结合管线坡度自低向高顶进。

3.1.1管道荷载计算

管道荷载根据GB50332-2002《给水排水工程管道结构设规范》与CECS246：2008《给水排水工程顶管技术规程》（以下简称《规程》）计算。

3.1.2管道结构计算

1）管道允许顶力验算

根据《规程），管道总顶力F。按下式估算：

F_o=πD₁Lf_k+N_F  （1）式中：D₁——管道的外径，m；L——管道设计顶进长度，m；f_k——管道外壁与土的平均摩阻力，按《规程》表12.6.14采用；N_F——顶管机迎面阻力，kN，泥水平衡式机头迎面阻力按下式计算：

式中：D_g—一顶管机外径，m；γ_s——土的重度，kN/m²；H_s——覆盖层厚度，m。

工程选用泥水平衡式顶管机，并采用触变泥浆减阻措施，管壁与土的平均摩阻力取5.0kN/m²。经计算，管道所需顶力标准值为2258.18kN，设计顶力采用2300kN。

钢筋混凝土顶管传力面允许最大顶力按下式计算：

（3）式中：

F_dC——混凝土管道允许顶力设计值，N；

ψ1——混凝土材料受压强度折减系数，取0.8；

ψ2——偏心受压强度提高系数，取1.05；

ψ3—材料脆性系数，取0.85；

ψ5——混凝土强度标准调整系数，取0.79；

f_c——混凝土受压强度设计值，C50混凝土取23.1N/mm²；

A_p——管道的最小有效传力面积，由插口外径与木垫圈内径计算得697022mm²；

γ_Qd——顶力分项系数，取1.3；

γ——土的容重，kN/m³。

经计算，混凝土管道允许顶力设计值为6297kN，大于设计顶力，管道顶进时不会破坏。

2）管道内力计算

混凝土管道在组合作用下，管道横截面的环向内力按下式计算：

各工况荷载组合作用下管道截面内力计算结果见表1。

3）配筋及最大裂缝验算

钢筋混凝土顶管采用柔性接口钢承口DRCPⅢ级管，内侧环向配筋为8、间距48.5mm，外侧环向配筋为o8、间距67.5mm，管道壁厚180.0mm，保护层厚20.0mm。通过计算，选用的DN1600DRCPⅢ级管配筋满足承载力与裂缝宽度要求，管道截面配筋及裂缝验算见表2。

3.2工作井设计

3.2.1结构尺寸

工作井采用矩形井，结构尺寸根据《规程》计算确定。工作井最小内净长度按以下两式计算结果最大值选取：

经计算，工作井最小内净长度l=8.1m，设计沉井内径取9.0m。工作井的出发口直径考虑橡胶止水圈的安装等要求，应不小于顶管机外径0.2m。

根据泥水平衡机械参数资料，DN1800顶管泥水平衡式机顶管机外径约为2.0m，出发孔直径取2.2m。

3.2.2顶推计算

工作井后背墙稳定按《顶管施工技术及验收规范》（非开挖技术协会）要求计算，计算所得后座墙土抗力为顶力的1.2~1.6倍。公式：

式中：R——总推力之反力，kN；α——系数，取1.5~2.5；β——后座墙宽度，m；H—一后座墙高度，m；Kp——被动土压力系数；c——土的凝聚力，kPa；h—一后座墙顶至地面的高度，m。

经计算，R=7408.31kN，安全系数为3.22，后背土体满足抗顶推要求。

3.2.3开挖支护计算

工作井基坑开挖支护计算采用理正深基坑7.0PB5软件。截面验算、整体稳定验算、抗倾覆稳定性验算、抗倾覆（踢脚破坏）稳定性验算、抗隆起验算、嵌固深度构造验算、嵌固段基坑内侧土反力验算均满足规范要求。

3.2.4衬砌结构计算

工作井衬砌结构采用C30二级配混凝土，包括底板、侧墙、后座墙与前止水墙四部分。衬砌结构尺寸：底板、侧墙、后座墙厚0.8m，前墙厚0.6m，墙计算高度为3.5m。计算工况包括非顶进工况与顶进工况。

1）非顶进工况内力计算

未顶进时，四周墙体受主动土压力作用，按三边固支、一边自由的板简化计算。侧墙与前墙受主动土压力作用，主动土压力按下式计算：

2）顶进工况内力计算

顶管顶进时，为防止顶进反力过于集中而造成后座墙的损坏，在后座墙与主顶油缸之间设置钢结构后靠背，使顶进反力较均匀地传至后座墙上，后座墙近似按独立基础计算。侧墙、前墙计算与非顶进工况一致。经计算，后座墙最大土抗力为104.79kN/m2，后靠背边缘处最大弯矩为372.96kN·m。

3）配筋计算

衬砌结构按SL191-2008《水工混凝土结构设计规范》承载能力进行配筋计算，并进行裂缝宽度验算，二类环境最大裂缝宽度不大于0.3mm。经计算，底板内力较小，按墙板节点处内力配筋。
配筋结果及最大裂缝宽度计算结果见表4。

3.3接收井设计

3.3.1结构尺寸

接收井采用矩形井，结构尺寸根据《规程〉计算确定。接收井最小内净宽度B按下式计算，并满足顶管机在井内拆除和吊出要求：

B ≥ D₁ + 2 × 1000  （10）

式中：D，——顶管机外径，m。

经计算，接收井最小内净宽度B≥4.0m，考虑到顶管机吊出等参数，设计沉井内径取4.5m。接收井的出发口直径考虑橡胶止水圈的安装等要求，不小于顶管机外径0.3m。根据泥水平衡机械参数资料，DN1800顶管泥水平衡式机顶管机外径约为2.0m，出发孔直径取2.3m。

3.3.2开挖支护计算

接收井基坑开挖支护计算采用理正深基坑7.0PB5软件。截面验算、整体稳定验算、抗倾覆稳定性验算、抗倾覆（踢脚破坏）稳定性验算、抗隆起验算、嵌固深度构造验算、嵌固段基坑内侧土反力验算均满足规范要求。

3.4沉降计算与控制路面沉降措施

顶管施工引起的地面沉降采用Peck沉降槽理论计算，计算公式：

式中：S（x）——x处地面沉降量，mm；x——顶进管道轴线的横向水平距离，m；i——沉降槽宽度系数，m；Vs——超挖量，m2；S——最大沉降量，mm。

为减少路面沉降，设计采用泥水平衡式顶管机，采用触变泥浆减阻施工。施工作业过程中，控制顶进速度，严格控制出土量；采用合理的压浆工艺和参数，注浆饱满；严格控制管线纠偏，减小对周边土体扰动，顶管机纠偏角度小于0.5°；施工完成后及时进行泥浆置换，采用水泥浆置换空隙内的触变泥浆，减小后期沉降。

经计算，采取以上措施后，路中线最大沉降量为17.78mm，小于规范允许值20.00mm，满足要求。

4结语

顶管法是地下管道非开挖施工的一种，是一种对环境干扰很少的施工方法，对于交通繁重、人口密集、地面建筑物众多、地下构筑物和管线复杂的市区来说是非常重要的，其在具体操作时，不会对实际路面及建筑物产生影响，如埋藏要求比较高的管道，更加节省人力、物力及财力，同时增加了施工安全性。由于顶管施工的特殊性，施工时应严格遵守相应的规程规范，避免出现塌方等危险情况，保证公路铁路安全，保证交通的正常运行。

 

本文摘自《东北水利水电》中的《奢岭支线管线穿越104省道顶管设计方案》刘文斌;张宏;苏平磊;潘永庆，如有侵权请联系我们删除。