頂管法綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算研究

苗現(xiàn)國，苗雷強(qiáng)，陳葉，付華萌

（1.河北中核巖土工程有限責(zé)任公司，河北　石家莊　050021；2.河北建研科技有限公司，河北　石家莊　050021；3.河北建研工程技術(shù)有限公司，河北　石家莊　050021）

頂管法綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算研究

苗現(xiàn)國1，苗雷強(qiáng)2，陳葉3，付華萌3

（1.河北中核巖土工程有限責(zé)任公司，河北石家莊050021；2.河北建研科技有限公司，河北石家莊050021；3.河北建研工程技術(shù)有限公司，河北石家莊050021）

隨著城市化建設(shè)的快速發(fā)展，城市地下綜合管廊建設(shè)方興未艾。綜合管廊施工方法多樣，文章結(jié)合作者工程經(jīng)驗(yàn)，對頂管法綜合管廊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算進(jìn)行了歸納整理，內(nèi)容包括上部的作用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、混凝土管道內(nèi)力計(jì)算等，并對部分設(shè)計(jì)與計(jì)算問題進(jìn)行了討論。

頂管法；綜合管廊；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；內(nèi)力計(jì)算

0　前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展和城市人口的增加，許多城市出現(xiàn)道路交通擁擠、城市基礎(chǔ)設(shè)施不足和環(huán)境污染等問題，城市綜合管廊建設(shè)可很好地解決上述問題。所謂綜合管廊是指在城市地下建造的市政公用隧道空間，將市政、通信、電力、供水、燃?xì)獾裙霉芫€，根據(jù)城市規(guī)劃的要求集中敷設(shè)在一個構(gòu)筑物內(nèi)，實(shí)施統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和管理［1］。

當(dāng)前我國綜合管廊工程建設(shè)中，常用的施工方法主要有明挖法、暗挖法、頂管法和盾構(gòu)法等［2］，綜合管廊選用何種方法進(jìn)行施工，應(yīng)根據(jù)施工環(huán)境、地質(zhì)情況、施工設(shè)備等情況進(jìn)行選取。當(dāng)綜合管廊需橫穿鐵路、公路等情況且施工場地為軟土地基時，可考慮采用頂管法進(jìn)行施工。頂管法是地下管道非開挖施工的一種，利用液壓頂進(jìn)工作站從頂進(jìn)工作井將待鋪設(shè)的管道頂入，在頂管機(jī)之后直接鋪設(shè)管道的非開挖地下管道施工技術(shù)［3］。由于頂管法和綜合管廊建設(shè)在我國均起步較晚，頂管法綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算理論仍需進(jìn)一步研究。

1　結(jié)構(gòu)上的作用

頂管法綜合管廊結(jié)構(gòu)上的作用主要分為永久作用和可變作用。永久作用主要包括：結(jié)構(gòu)及收容管線自重、土壓力、地基沉降、預(yù)應(yīng)力、頂管軸線偏差引起的作用；可變作用主要包括：地面堆積荷載、地面車輛及人群荷載、地下水壓力、凍脹力等。

頂管綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，對不同性質(zhì)的作用采用不同的代表值。對永久作用，采用標(biāo)準(zhǔn)值作為代表值；對于可變作用，根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用標(biāo)準(zhǔn)值、組合值或標(biāo)準(zhǔn)值作為代表值。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)規(guī)定

頂管法綜合管廊結(jié)構(gòu)通常采用鋼筋混凝土管道，需按剛性管進(jìn)行計(jì)算。管道結(jié)構(gòu)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，以可靠指標(biāo)度量管道的結(jié)構(gòu)可靠度。除管道穩(wěn)定驗(yàn)算外，均采用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。管道結(jié)構(gòu)計(jì)算時，需驗(yàn)算承載能力和正常使用兩種極限狀態(tài)。

2.2作用效應(yīng)的組合設(shè)計(jì)值

頂管綜合管廊荷載作用效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值，可按下式進(jìn)行確定［4］：

式中：γG1為管廊及管線自重作用的分項(xiàng)系數(shù)，可取γG1=1.2；γG，sv為豎向水土壓力作用的分項(xiàng)系數(shù)，可取γG，sv=1.27；γGh為側(cè)向水土壓力作用分項(xiàng)系數(shù)，可取γGh=1.27；γG1、γsv、γh分別為管廊及管線結(jié)構(gòu)自重、豎向和側(cè)向水土壓力的作用效應(yīng)系數(shù)；γGv、γGm分別為地面車輛荷載、地面堆積荷載的作用效應(yīng)系數(shù)；γ1k為管廊及管線自重標(biāo)準(zhǔn)值；Fsv，k為豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值；Fh，k為側(cè)向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值；Qvk車行荷載產(chǎn)生的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值；Qmk為地面堆積荷載作用標(biāo)準(zhǔn)值；為可變荷載組合系數(shù)，對于鋼筋混凝土管道取=1.0。

當(dāng)驗(yàn)算鋼筋混凝土管道構(gòu)件截面的最大裂縫開裂寬度時，可按準(zhǔn)永久組合作用計(jì)算。作用組合效應(yīng)的組合設(shè)計(jì)值按公式（2）進(jìn)行確定：

式中：Ψqj為第j個可變作用的準(zhǔn)永久值系數(shù)，可根據(jù)參考文獻(xiàn)［5］有關(guān)規(guī)定選取；CGi、Cqi分別為永久荷載和可變荷載作用效應(yīng)系數(shù)；Cik、Cjk分別為永久荷載和可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

需注意的是，鋼筋混凝土管道在準(zhǔn)永久組合作用下，最大裂縫寬度不應(yīng)大于0.2mm。

3　混凝土管道內(nèi)力計(jì)算

頂管綜合管廊的混凝土管道在組合作用下，管道橫截面的環(huán)向內(nèi)力可根據(jù)公式（3）、（4）進(jìn)行計(jì)算：

式中：M為管道橫截面的最大彎矩設(shè)計(jì)值（N mm/m）；N為管道橫截面的軸力設(shè)計(jì)值（N/m）；γ0為圓管的計(jì)算直徑（mm），即自圓管中心至管壁中心的距離；kmi、kni分別為彎矩系數(shù)、軸力系數(shù)，均應(yīng)根據(jù)作用土體類別取土的支承角為120°，按參考文獻(xiàn)［4］附錄B確定；Pi為作用在管道上的第i項(xiàng)作用設(shè)計(jì)值（N/m）。

4　問題討論

①在綜合管廊頂管施工期間，在頂管頂進(jìn)過程中加注泥漿以減小其頂進(jìn)阻力，此時管道和周圍土體之間存在有一定壓力的減阻泥漿填充，管道處于懸浮狀態(tài)，該狀態(tài)工況較正常運(yùn)營狀態(tài)為非控制狀態(tài)。如果頂進(jìn)施工停頓，泥漿壓力降低為零，該狀態(tài)的受力可按空管進(jìn)行分析。

②土壓力計(jì)算時采用水土分算，這是由于水對于管廊的作用是均勻的，而土壓力豎向作用和側(cè)向水平作用不同［6］。

③管廊周圍土體為原狀土，土壓力計(jì)算時采用勘察報(bào)告的c、ψ值，不能采用折算摩擦角，更不能忽略c值，否則計(jì)算的土壓力將偏大。

④混凝土最大裂縫寬度限值應(yīng)根據(jù)運(yùn)營狀況確定，規(guī)范規(guī)定的最大裂縫寬度是指長期運(yùn)行的工況，0.2mm的裂縫寬度限值是指潮濕環(huán)境下的裂縫限值，如驗(yàn)算管道受力面長期處于干燥環(huán)境中，則最大裂縫限值可按干燥環(huán)境取值。

⑤地面堆積荷載傳遞到管廊頂部的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值可取10kN/m2。綜合管廊一般都與車輛行進(jìn)方向在同一方向上，在車輛荷載計(jì)算時應(yīng)考慮車輛前后輪的影響，單個輪壓傳遞到管道上的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值可按公式（5）進(jìn)行計(jì)算［7］。

式中：qvk為輪壓傳遞到管道上豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；Qvi,k為車倆的第i個車輪承擔(dān)的單個輪壓標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；ai為i個車輪的著地分布長度（m）；bi為i個車輪的著地分布寬度（m）；H為自車行地面至管頂?shù)纳疃龋╩）；μd為動力系數(shù)，參見表1。當(dāng)管廊埋置深度大于5.0m時可不考慮車輛荷載，當(dāng)管廊頂部蓋層厚度大于2.0m時，可不考慮動力系數(shù)。地面堆積荷載與車輛荷載不考慮同時作用，可取大值計(jì)算。

動力系數(shù)　表1

5　結(jié)論

綜合管廊建設(shè)是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展方向，其頂管法施工在綜合管廊建設(shè)的浪潮中不斷改進(jìn)，頂管法綜合管廊設(shè)計(jì)與計(jì)算理論也在不斷的完善和成熟。本文對頂管法綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算進(jìn)行了歸納總結(jié)，為今后同類工程的設(shè)計(jì)與計(jì)算提供借鑒。

［1］DG/TJ08-2007，世博園區(qū)綜合管溝建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］張帥軍.盾構(gòu)法在城市地下共同管溝施工中的運(yùn)用前景分析［J］.隧道建設(shè)，2011，31（S1）：365-368.

［3］DB13（J）/T183-2015，城市地下綜合管廊建設(shè)技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］葛春輝.頂管工程設(shè)計(jì)與施工［M］.中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［5］CECS246：2008，給水排水工程技術(shù)規(guī)程［S］.

［6］葛春暉，等.頂管的荷載作用研究［J］.特種結(jié)構(gòu)，2007，24（3）：14-16.

［7］榮哲，孫玉品.城市綜合管廊設(shè)計(jì)與計(jì)算［J］.工業(yè)建筑，2013，43（S1）：230-232.

TU311.4

A

1007-7359（2016）04-0125-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.050

苗現(xiàn)國（1977-），男，高級工程師，研究方向：巖土工程設(shè)計(jì)及施工。