穿山体顶管工程设计探究

孙铭杰

（广东省水利电力勘测设计研究院有限公司,广东 广州 510635）

某大型引调水项目线路需途经一处大型山体,初步设计阶段采用隧洞钻爆施工,由于初步设计阶段与施工图阶段时间跨度较大,项目开工时,已有在村落搬迁至该山体并居住于原隧洞轴线上方,若按原设计进行隧洞钻爆施工,爆破开挖不仅会对居民生活产生严重干扰而且对房屋结构安全影响很大,极易对房屋造成开裂等破坏。故采取顶管工艺替代原隧洞钻爆施工。线路全长共625 m,采用钢管D3068×34,Q345B,单管铺设,施工时需设置4个中继续间,顶管平均深度为25 m。

1 顶管机选型

常见的顶管机有泥水平衡顶管机、土压平衡顶管机、矩形顶管机、岩石顶管机、复合式岩石破碎泥水平衡顶管机。现就相对常用的岩石顶管机、泥水平衡顶管机及复合式岩石破碎泥水平衡顶管机进行简单比较。泥水平衡机头一般在地下水压力较高及土质变化范围较大的条件下使用,其具有易控制地面沉降,连续出土作业及顶进速度快的特点；岩石顶管机顶进速度较慢但由于其盘面具有滚刀和刮刀,故其可在各种地层进行掘进作业,并具有较强的一次破碎及二次破碎功能；复合式岩石破碎泥水平衡顶管机同样具有较强的一次破碎及二次破碎功能,且能在地下水压力较高的情况下工作,缺点是造价相对较高。

根据山体地质钻孔揭露,山体地层岩性主要为燕山期中粗粒黑云母花岗岩、少部分为细粒花岗岩,花岗斑岩。根据岩石试验成果,弱风化岩饱和单轴抗压强度范围值32.10 MPa～100.00 MPa,平均55 MPa,属坚硬岩石[1]。

根据该山体地质情况,虽然泥水平衡机头掘进速度快,但其并不具备破岩能力,而岩石机头在其滚刀的作用下,可在至少130 MPa以下弱风化花岗岩层等地层进行掘金。但由于顶管平均深度达到25 m,且山体内地下水充沛且水压较大。故复合式岩石破碎泥水平衡顶管机更适合在山体中进行掘进作业。

2 顶管结构计算

2.1 顶管允许顶力计算

在长距离顶管施工中,为了将整段管道分段推进,减少总顶力和后靠背的反作用力,常设置中继间,本次长距离顶管共设置4个中继间。即本段顶管采用平均每隔130m设置一中继间进行允许顶力计算。

根据《给水排水工程顶管技术规程》（CECS 246-2008）,钢管传力面允许的最大顶力采用下式计算：

式中：Fds为钢管管道允许顶力设计值；ø1为钢材受压强折减系数,可取1.0；ø3为钢材脆性系数,可取1.0；ø4为钢材顶管稳定系数,可取0.36；当顶进长度小于300 m时,穿越土层又均匀时,可取0.45；fs为钢材受压强强度设计值。

钢管内径3 m,管壁厚34 mm,最小有效传力面积为Ap=0.32 m2,钢材受压强度设计值fs=295 N/mm2,代入上式可得传力面允许最大值Fds=26474.36 kN。

《给水排水工程顶管技术规程》（CECS 246-2008）中,给出了大口径顶管钢管推荐外形尺寸与允许顶力参考值,对应3 m管径的允许顶力参考值为14373.8 kN。与公式计算结果相比较小,故综上所述,顶管施工过程的最大顶力定为14373.8 kN。

2.2 管道荷载计算

计算典型断面位置的选取与地质条件有关。在岩层中,外水压力是起控制作用的荷载,围岩压力荷载可忽略不计。

2.3 管道内力计算

岩层段顶管抗外压稳定分析采用《水电站压力钢管设计规范》（SL 281-2003）中的式（B.2.1-1）计算:

式中：Pcr为临界外压,N/mm2；为钢材屈服点,N/mm2,按表1的注1取值。

岩层段顶管抗外压强度分析采用《水电站压力钢管设计规范》（SL 281-2003）中的式（6.1.5）计算:

式中：Po为径向均布压力,N/；r为钢管（钢衬）内半径,mm；t0为钢管（钢衬）管壁计算厚度,mm。

计算结果见表1。

表1 顶管结构计算表

3 出发井及接收井设计

3.1 出发井及接收井尺寸计算

（1）出发井

根据《给水排水工程顶管技术规程》（CECS 246-2008）规定,出发井长度、深度及宽度应满足：

出发井最小长度由顶管机长度与出发井壁厚共同确定：

根据现场实际情况,顶管机及其操作空间合计需6 m,即Lj=6 m。

出发井最小宽度由管径与施工过道共同确定：

出发井最小深度由顶管埋深及管径共同确定,可按以下公式计算：

根据现场实际情况,最小顶管埋深为6 m,管径为3 m,即h1=6 m ；D0=3 m；h≥ D0+h1=9.0 m。

根据以上计算,并参考类似工作经验,确定本工程顶管井结构尺寸如下：

顶管出发井采用方形沉井结构,净长为11 m、净宽7 m；沉井总高度11 m,井壁为变截面,下部厚1 m,上部厚0.75 m；出发井结构型式及尺寸见图1、图2、表2。

图1 顶管出发井（沉井）平面布置图

图2 剖面图

表2 沉井特性表

（2）接收井

管道出接收井后采用埋管方式铺设,故接收井采用大开挖方式施工,技术含量较低。本文不作展开讨论。

3.2 抗浮计算

（1）沉井下沉验算

出发井采用沉井的施工方式,采用不排水下沉。根据规范《给水排水工程顶管技术规程》（CECS 246-2008）,使用该方法施工时需进行顶管井分段抗浮验算,根据现场情况,实测地面高程为27 m,地下水位为26 m。

下沉计算公式：

式中：Ks为下沉系数；G为沉井自重标准值,kN；Fw为下沉过程中水的浮托力标准值,kN；Ff为井壁摩阻力标准值,kN。

根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS 137-2015）规定,顶管井下沉时下沉系数Ks≥1.05视为验算合格；分别下沉至以下标高时的下沉系数见表3。

表3 顶管井下沉时的下沉系数

（2）沉井封底阶段抗浮验算

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

不计井壁与侧面土的反摩擦力：

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

大于《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS 137-2015）所规定的允许值1.0。

考虑井壁与侧面土的反摩阻力：

单位反摩阻力为：

井壁总的反摩阻力为：

大于《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS 137-2015）所规定的允许值1.15。

综上计算结论可得出顶管井满足抗浮要求。

4 顶管施工设计

4.1 顶管施工工艺

根据地勘钻孔揭示山体岩层硬度大且顶管平均深度达到25 m,山体内地下水水压较大。复合式岩石破碎泥水平衡顶管机工作时可通过改变泥水仓的送、排水量和顶进速度,使水仓内的泥水压力稳定并控制在设定的范围内,从而达到开挖面稳定。

顶管总长度达到625 m,往往会出现长距离施工顶力不足的问题,故该段顶管共设置了4 处中继间,中继间的油缸在高压油路的作用下,以其后部管道为支撑点,将其前段管道向前推进,采用这种方法,将管道分段逐次推进,从而实现长距离顶管。

顶管采用岩石机头,该机头直径略大于管径,且山体上方存在居民村落,为防止山体顶部出现沉降及地下水冲刷管道,故施工完成后需对管周进行充填灌浆处理,封堵管壁土层之间的缝隙。充填灌浆孔径5 cm,孔深15 cm,排距3 m,每排3 个灌浆孔,排与排之间呈梅花形布置,灌浆孔位于每节管中部位置。

4.2 顶管井施工工艺

（1）沉井施工

顶管井处地下水位较高,且顶管深度达到11m,根据顶管井处地质特点,其地下均为全风化花岗岩,其遇水会发生软化。故井内土方开挖需要采用伸缩式挖掘机进行土方开挖,开挖前应先从井底中央重心处成放射形向四周进行施工,使其形成锅底状。一般锅底比刃脚低一米为宜,此时的沉井即可靠沉井自重而下沉,而将刃脚下方土挤向中央锅底,再从沉井内继续抓土,沉井即可继续下沉。

全风化花岗岩中可能存在球状风化核,俗称“孤石”,其埋藏分布不均匀,且抗压强度可达100 MPa以上。其出现在井壁下沉方向阻止井壁下沉的情况也时有发生。遇到该种情况,可采用胶皮水管沿井外壁进行有压注水以冲刷孤石,使其偏移井壁下沉方向。井壁下沉后应采用细土或砂填充缝隙。

（2）沉井封底处理

顶管井处地下水位较高,故采取不排水沉井法,沉井封底前需对井底进行冲刷,并清理井底石屑。过后可采用垂直导管法灌注混凝土浆液进行水下封底。待满足混凝土养护时间并达到混凝土设计强度后,才可从井中抽水。

5 结论

本文借助工程实例对长距离顶管穿越山体可能遇见的施工难点进行了分析,对管道的允许顶力及管道内力进行了计算,并对顶管井的尺寸及稳定性进行了验算。经工程实践证明,得出的数据及结论可满足穿山体顶管工程的施工要求,可给同类别顶管井施工方案提供参考,具有重要理论意义及实用价值。但对山体内不同的地质情况仍需进一步研究。