黎城县污水管网工程顶管穿越长邯高速模拟数值分析
2019-11-22李燕
李 燕
（山西交通养护集团有限公司，山西 太原 030006）
随着乡村城市化进程的发展，各种服务配套措施的跟进也是必不可少的。当布设市政管线时，与已建成的高速公路有交叉[4-5]，顶管法就显示了它的优点，在不影响高速运营的情况下将管道敷设完毕。
本文以黎城县污水管网工程顶管穿越长邯高速为背景，通过建立荷载结构模型，对该穿越处顶管结构进行计算分析，得出结构的受力特性，为之后类似的顶管工程提供借鉴参考。
1 工程概况
黎城县污水管网工程位于山西省长治市黎城县境内，起点位于城南G207，终点位于黎城华府小区，全长22.546 km，其中管径为d500 的管道长1.15 km，管径为d400 的管道长1.776 km，管径为d300 的管道长19.62 km。检查井816 座。穿越公路段污水管道直径为d500 钢管，污水管道下穿长邯高速时与公路的交叉角度为64°。污水管网穿越方式为顶套管穿越，长度为100 m，顶管规格采用DRCP Ⅲ（800×2 000×80）mm。
长邯高速，目前采用双向四车道高速公路，为缓解该段高速急剧增长的交通流量，现在正实施八车道改扩建工程，设计速度为100 km/h，改扩建以后八车道路基宽度41 m，汽车荷载等级公路-Ⅰ级，沥青混凝土路面。
穿越段工程地质条件为管线在山前倾斜平原中通过，地形稍起伏。沿线地层为低液限黏土，结构松散，厚2.0-10 m，其天然含水率为9.1%～27.6%；天然密度为1.32～1.78 g/cm3；孔隙比为0.809～1.362；天然压缩系数为0.16～1.55 MPa-1，多具中等- 高压缩性；湿限系数为0～0.123，多数为0.018～0.123，具轻微- 强烈湿陷性，地下水低于管底。
图1 顶管穿越位置图
2 顶管结构设计
黎城县污水管网工程顶管穿越长邯高速处套管内径0.8 m，外径0.96 m，管壁厚度0.08 m；套管管材为C50 双插式预制钢筋混凝土管，接缝处采用钢板内涨圈加固接口，套管长度为1 m；套管最大覆土深度为9.085 m。
3 有限元分析
3.1 顶管模型概况
针对本项目顶管穿越情况，取套管长度方向1 m 进行计算，采用梁单元模拟套管，采用管四周受压土弹簧模拟结构与土之间的相互作用，运用Midas Civil 有限元建立数值模型进行分析[6-7]。根据工程经验，此次计算底板垂直基床系数为40 MPa/m，本模型共有24 个节点，24 个单元，有限元模型见图2。
图2 有限元模型
3.2 模型计算参数
a）混凝土重度 γ=25.0 kN/m3，弹性模量 Ec=3.45×104MPa；
b）管顶填土重度 γ=19.0 kN/m3；
c）HPB300 级钢弹性模量 Es=2.1×105MPa。
3.3 荷载及荷载组合
a）恒载 管顶填土压力，管节自重；b）活载 车辆荷载，覆土厚度大于0.5 m 不计冲击力；c）荷载组合见表1。
表1 荷载组合
3.4 截面强度验算
钢筋混凝土套管管内环向筋采用φ7 冷轧带肋钢筋，钢筋螺距 45.5 mm，22 环/m。由公桥规第5.2.2-3 条规定的，受压区高度双层配筋是考虑管节任一位置均能承受双向弯矩而设置，设计中仍按单筋截面计算。通过模型在基本组合下计算得到，套管最大正弯矩为4.9 kN·m，最大负弯矩为-4.9 kN·m，最大正、负弯矩出现在管顶和套管两侧。根据式（1）、式（2）
得到套管的承载力为14.09 kN·m，故套管的弯矩设计值小于其抗弯承载力，满足截面强度要求。
图3 基本组合下套管弯矩图（单位：kN·m）
3.5 裂缝宽度验算
通过模型在频遇组合和准永久组合下计算得到，套管最大正弯矩为4.0 kN·m，最大负弯矩为-4.0 kN·m，管顶和套管两侧为最大弯矩处。根据公桥规[8]第 6.4.3 条与式（3）
得到Wcr=0.028 mm＜0.2 mm，裂缝宽度满足规范要求。
图4 频遇组合下套管弯矩图（单位：kN·m）
图5 准永久组合下套管弯矩图（单位:kN·m）
4 结论
以黎城县污水管网工程顶管穿越长邯高速为背景，通过建立荷载结构模型，对该穿越处顶管结构进行计算分析，得出以下结论与认识：
a）根据有限元计算结果，本文从截面强度和裂缝宽度研究了顶管施工时套管的受力情况，顶管法穿越公路路基时，套管截面强度、裂缝宽度均满足公桥规规定的允许值。
b）针对顶管穿越处套管的结构计算，顶管法穿越公路路基时，套管管顶和套管两侧的弯矩最大，管底弯矩次之。在荷载组合作用下，套管管顶和管底的内壁受拉，套管两侧的外壁受拉，受压区高度双层配筋已考虑到管节任一位置均能承受双向弯矩。套管的承载力远大于其弯矩设计值，裂缝宽度也小于规范允许值，顶管穿越时安全度较大。同时顶管法施工时对公路运营的影响较小，减少了施工安全隐患。
