強(qiáng)風(fēng)化巖中頂管施工頂力計(jì)算的理論分析

劉錦洲 霍少磊 葛云峰

手掘式頂管在我國(guó)的應(yīng)用始于1953年,是最早發(fā)展起來(lái)的一種頂管施工的方法,至今已走過(guò)50多年的發(fā)展歷程。手掘式頂管法具有頂管的普遍優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)工程實(shí)例可發(fā)現(xiàn)手掘式頂管的經(jīng)濟(jì)效益可觀,對(duì)土質(zhì)較好的地方或較貧困地區(qū)及地下管網(wǎng)復(fù)雜的城區(qū),在能保證施工人員安全的前提下,手掘式頂管在很大程度上還有其發(fā)展空間和應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況

1.1 工程概況

本工程為武漢市蔡甸區(qū)污水處理廠管道工程一標(biāo)段,施工地點(diǎn)從蔡甸區(qū)蓮花大道開(kāi)始,至蔡甸區(qū)漢江防洪大堤,共鋪設(shè)兩種不同管徑的污水干管,總計(jì)1 601.03 m。其中D1200F型鋼筋混凝土管為1 300.91 m,D1200F型鋼筋混凝土管300.12 m均采用頂管施工。其中W18～W22段管道所在地層為堅(jiān)硬的強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況及建設(shè)單位要求,該段由開(kāi)槽施工方式改為頂管施工方式。實(shí)踐證明手掘式頂管適用于上述各類地質(zhì)情況以及淤泥、強(qiáng)風(fēng)化巖等復(fù)雜地質(zhì)情況。

1.2 場(chǎng)地工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告,本施工段場(chǎng)地土層自上而下分別為:①雜填土:雜色～灰色,松散,稍濕,主要由碎石、土渣及松散黏性土組成,結(jié)構(gòu)松散,分布不均,尚未完成自重固結(jié);②淤泥質(zhì)黏土:灰褐色,可塑,稍濕,低強(qiáng)度,高壓縮性,含灰條紋少許及云母片;③黏土夾碎石:褐色、棕紅,硬稍濕,硬塑,以褐黃、灰褐色黏土為主,內(nèi)含鐵錳氧化物及其結(jié)核,具蟲(chóng)孔結(jié)構(gòu);碎石成分為灰?guī)r和石英砂巖,粒徑在1 cm～5 cm,含量約為20%;④強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖,肉紅色,堅(jiān)硬,稍濕,該層為泥盆紀(jì)五通組石英砂巖強(qiáng)風(fēng)化層。

1.3 頂管施工工藝選取

管道主要穿越地層為堅(jiān)硬的強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖層,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,確定頂管施工方法采用排障方便、成本低廉的敞開(kāi)式取消工具管,使用風(fēng)鎬開(kāi)挖頂進(jìn)。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

結(jié)合施工情況,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)頂管施工進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)定。內(nèi)容如下:1)根據(jù)千斤頂壓力表的讀數(shù)記錄該頂段全段頂力的實(shí)際數(shù)據(jù),并繪制出頂力頂距變化曲線圖(見(jiàn)圖1);2)測(cè)定該段管道的軸線和高程偏差情況;3)實(shí)時(shí)跟蹤頂管施工,記錄并分析沿途地層變化。

根據(jù)工程特點(diǎn)、地質(zhì)情況及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)頂力變化情況,對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行分析,總結(jié)出在強(qiáng)風(fēng)化巖地質(zhì)條件下手掘式頂管施工中影響頂力的主要因素有如下幾點(diǎn):1)地質(zhì)條件的影響;2)打蠟的影響;3)超徑比的影響;4)管線偏差的影響。

3 頂力計(jì)算

3.1 摩阻力分析

本工程為強(qiáng)風(fēng)化巖中的取消工具管手掘式頂管,不同于一般土層的頂管。在普通土層中頂管施工時(shí)主要考慮平衡土壓力、水壓力、管與土之間的粘聚力和控制地面沉降。而本工程在巖層中,使用風(fēng)鎬進(jìn)行開(kāi)挖,在開(kāi)挖過(guò)程中管周存在一定的超挖,且?guī)r層穩(wěn)定堅(jiān)硬,能夠維持較長(zhǎng)時(shí)間不坍落。管道和開(kāi)挖空洞之間的接觸狀態(tài)見(jiàn)圖2。

當(dāng)在巖石中進(jìn)行頂管時(shí),因?yàn)殚_(kāi)挖的直徑必須要大于管道的直徑,管道和開(kāi)挖空洞之間為點(diǎn)接觸,摩擦阻力的預(yù)測(cè)可能是在所有情況下最簡(jiǎn)單的。計(jì)算公式如下[1]:

其中,Pp為摩阻力,kN/m;Wp為管道單位長(zhǎng)度重量,kN/m;δp為管道和巖石間的摩擦角;ζ為反力方向與垂直方向的偏角。

3.2 工程基本參數(shù)

本工程強(qiáng)風(fēng)化巖地質(zhì)的重力密度為20.6 kN/m3,內(nèi)摩擦角為13.3°,管子的重力為13.23 kN/m,覆土深度為 4.5 m,管外徑為1.44 m,壁厚0.12 m,推進(jìn)長(zhǎng)度100 m。

3.3 規(guī)范公式計(jì)算頂力

3.3.1 規(guī)范公式一[2]

頂力由工具管迎面阻力和管道摩阻力兩部分組成。公式為:

其中,P為計(jì)算的總頂力,kN;γ為管道所處土層的重力密度,kN/m3;D1為管道的外徑,m;H為管道頂部以上覆蓋土層的厚度,m;φ為管道所處土層的內(nèi)摩擦角,(°);ω為管道單位長(zhǎng)度的自重,kN/m;L為管道的頂進(jìn)長(zhǎng)度,m;f為頂進(jìn)時(shí)管道表面與其周圍土層之間的摩擦系數(shù);PF為頂進(jìn)時(shí)工具管的迎面阻力,kN。

3.3.2 規(guī)范公式二[3]

頂力由工具管迎面阻力和管道摩阻力兩部分組成。公式為:

其中,Fp為頂進(jìn)阻力,kN;D0為管道的外徑,m;L為管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度,m;fk為管道外壁與土的單位面積平均摩阻力,kN/m2,通過(guò)試驗(yàn)確定;NF為頂管機(jī)的迎面阻力,kN。

采用上述公式,對(duì)施工時(shí)所需的頂力進(jìn)行計(jì)算,并與實(shí)測(cè)頂力進(jìn)行了比較分析,由此可以看出,規(guī)范公式一計(jì)算頂力比實(shí)測(cè)頂力大得多,尤其是隨著頂力距離的增加,理論頂力隨距離大致呈線性增加;而實(shí)測(cè)頂力呈曲線上升趨勢(shì)。

3.4 反算摩阻力

根據(jù)實(shí)測(cè)頂力來(lái)反算管與周圍土的摩阻力,計(jì)算公式為規(guī)范公式(2),通過(guò)計(jì)算反算出管與強(qiáng)風(fēng)化巖的摩擦阻力為2.6 kN/m2～3.5 kN/m2,與式(1)計(jì)算的摩阻力接近,可為類似工程提供參考。

3.5 安全系數(shù)

在計(jì)算頂力后附加一個(gè)安全系數(shù),以保證頂管施工的順利進(jìn)行。安全系數(shù)的具體取值可根據(jù)工程的實(shí)際地質(zhì)情況確定。

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)理論分析,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),在強(qiáng)風(fēng)化巖地質(zhì)條件下,采用取消工具管手掘式頂管頂進(jìn)技術(shù)中的頂力計(jì)算進(jìn)行了理論分析,并通過(guò)分析實(shí)測(cè)頂力和摩阻力,得出強(qiáng)風(fēng)化巖地質(zhì)條件下采用手掘式頂管掘進(jìn)技術(shù)摩阻力的取值范圍。2)在巖層中采用手掘式頂管法,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況可考慮使用小劑量的爆破開(kāi)挖,可大幅縮短工期,具體施工可借鑒隧道爆破開(kāi)挖。3)在頂管施工中,管材表面的光滑程度也是影響頂進(jìn)阻力的一大因素,大部分管材表面的光滑程度都不太理想,所以在使用之前對(duì)管材表面進(jìn)行打蠟處理,會(huì)大大減小管子與周圍土的摩阻力。4)結(jié)合本工程,實(shí)踐證明手掘式頂管在各類穩(wěn)定地質(zhì)情況下均可順利施工,另外只要調(diào)整好施工措施,在淤泥等不穩(wěn)定地質(zhì)下亦可施工。

[1] 馬寶松,STEIN D,蔣國(guó)盛.頂管和微型隧道的相關(guān)理論及分析計(jì)算[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2] GB 50268-97,給排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[3] GB 50268-2008,給排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].