淺談濕陷性黃土區(qū)頂管設(shè)計要點

張林峰

（蘭州市城市建設(shè)設(shè)計院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

在城市快速發(fā)展的同時，地下管網(wǎng)作為城市的大動脈，承擔(dān)著信息傳遞、電力輸送、天然氣輸送、供暖、給水、廢水排放等功能。在地下管道的鋪設(shè)中，傳統(tǒng)的明挖法敷設(shè)管道不僅開挖回填量大，而且管線多沿著路網(wǎng)鋪設(shè)，會阻斷交通，給本就負(fù)重的交通帶來壓力，并且還會涉及拆遷工作，延緩工期，增加造價[1]。頂管法作為一種暗挖方式，其斷面類型多，管節(jié)可工程預(yù)制，從而大幅提高施工效率，而且施工期間對地面交通影響較小，可減少拆遷和土方開挖，對周邊環(huán)境影響較小，是當(dāng)前市政地下管線首選的施工方式。頂管法可以很好地解決下穿既有管線、河流、建筑物等問題。我國地質(zhì)條件復(fù)雜，在頂管設(shè)計過程中會遇到各種問題，其設(shè)計必須因地制宜，有針對性地解決工程問題，確保結(jié)構(gòu)安全[2]。

本文就濕陷性黃土地區(qū)地下雨水管線的頂管法施工設(shè)計要點開展研究，重點介紹頂管頂力值設(shè)計、頂管工作井設(shè)計的主要內(nèi)容，并介紹頂管接頭防水設(shè)計等內(nèi)容，以期為后續(xù)的施工和類似工程提供借鑒和參考。

1 濕陷性黃土工程特性及項目概況

1.1 黃土濕陷性及工程性質(zhì)

黃土濕陷性：黃土在自重或者外荷載作用下，在受到水的浸濕后，土體的結(jié)構(gòu)被迅速破壞并產(chǎn)生較大的濕陷沉降特性，根據(jù)其作用力可以分為自重濕陷性黃土與非自重濕陷性黃土，判別依據(jù)為：當(dāng)自重濕陷量的實測值不大于70 mm時濕陷類型為非自重濕陷性黃土，自重濕陷量的實測值大于70 mm時為自重濕陷性黃土。根據(jù)濕陷系數(shù)δ0可以將其分為4個等級，即δ0＜0.015時為非濕陷性黃土，0.015＜δ0＜0.030時為弱濕陷性黃土，0.030＜δ0＜0.070 時為中等濕陷性黃土，δ0＞0.070時為強濕陷性黃土。

濕陷性黃土產(chǎn)生濕陷性的條件是荷載和水的作用。對于非自重濕陷性黃土，在無外荷載的作用下，無論其容重多大，無論如何浸濕都不會產(chǎn)生濕陷性；對于飽和黃土，由于其在形成的歷史中已經(jīng)產(chǎn)生了濕陷性，且土體已經(jīng)沉降結(jié)束，所以無論外荷載多大，也不會再產(chǎn)生濕陷性沉降，但是當(dāng)土體失水后，土體變得干燥，其濕陷性則會恢復(fù)。通過以上分析可知，當(dāng)基底壓力小于濕陷壓力時，對地基可不做處理；當(dāng)基地壓力大于濕陷性終止壓力時，就必須關(guān)注其沉降量。在沉降變形中，已經(jīng)包括了濕陷沉降量，當(dāng)基地壓力等于天然結(jié)構(gòu)強度時，此時的濕陷性表現(xiàn)最為強烈，設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)可按照最大限度考慮地基濕陷性設(shè)置[3]。

1.2 工程概況

本工程為蘭州市新區(qū)雨水管道項目，頂管共兩種管徑：蘭州市新區(qū)經(jīng)十五支路管徑為1 000 mm，頂管長度420 m；蘭州市新區(qū)緯十二路雨水管的管徑為2 400 mm，頂管段長度為525 m。雨水管道頂管為F型鋼筋混凝土排水管（Ⅲ級），承插連接，橡膠圈柔性接口。

頂管穿越黃土層，根據(jù)地勘測試結(jié)果，表層土具有Ⅳ級（很嚴(yán)重）自重濕陷性。

1.3 頂管設(shè)計對濕陷性地層的要求

頂管技術(shù)被廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、市政工程中，技術(shù)成熟，積累了較多設(shè)計經(jīng)驗。但是在濕陷性黃土地區(qū)，面臨黃土濕陷的可能性，因此在設(shè)計之前，必須就黃土的濕陷性進行測定，判斷濕陷發(fā)生的可能性以及濕陷沉降量，確保頂管的管基不會產(chǎn)生濕陷性變形，影響管道的正常使用。在頂進過程中，管壁外的土體受到擾動，上層土體易形成松動或空洞，引起地面沉降或塌陷[4]。頂管結(jié)束后，從混凝土管內(nèi)部通過注漿孔向管外土體注入加固水泥漿液，對土體進行加固，最大限度消除管底及周圍土體沉降。由于本工程為雨水管道，為防止管道滲漏和地下水涌入，管節(jié)間必須有可靠的防水措施。本工程剛性鋼圈接頭，接頭內(nèi)采用環(huán)齒橡膠密封環(huán)。

在頂管施工過程中，為了盡量減少對濕陷性黃土的浸濕作用，頂管工作應(yīng)盡量從下游向上游方向進行。地下水由工作面流向工作井集水坑，再用泵排出地面；對管道滲水和漏水點，先鑿V形槽，埋入導(dǎo)水水管，用速凝水泥封閉管周，待水泥有一定強度后，用手動泵壓入水泥摻玻璃漿液封堵。

2 頂管頂力設(shè)計

頂管頂力計算是頂管設(shè)計的重要內(nèi)容，也是施工設(shè)計的最基礎(chǔ)內(nèi)容，其計算結(jié)果是千斤頂數(shù)量與型號、后背墻的尺寸和中繼間設(shè)計的依據(jù)，直接影響各類設(shè)備、結(jié)構(gòu)尺寸的選型。

2.1 基本假設(shè)

巖土工程設(shè)計過程中，由于土體模型復(fù)雜，因而需要在計算前進行一些假設(shè)：刃腳切土過程中，會引起前方土體松動和管周土體的松動；所取出的土體是工作面的土體；周圍土與管道組成超靜定系統(tǒng)，但在計算過程中按靜定結(jié)構(gòu)分析。通過以上假設(shè)，可以發(fā)現(xiàn)影響周圍土體對管道荷載的因素主要有：管道的外徑D、土體與管道的剛度、埋深h、地下水位、頂進時間。

2.2 有效高度H有效推導(dǎo)

Terzagtfi等將頂管模型等同于隧道模型進行設(shè)計計算，如圖1所示，推導(dǎo)頂管上部覆土的有效高度H有效。

圖1 頂管土壓力計算模型

定義頂管上部土體對頂管的作用寬度為B，總寬度為2B，根據(jù)模型可以推導(dǎo)出：

式中：b為管道半徑，φ為土體的內(nèi)摩擦角。

管道的外徑D外=2b，D外=h，代入式（1），則頂管上的壓力p為：

式中：γ為土體的容重；λ為土壓力系數(shù)。根據(jù)拱頂理論，頂管上的壓力p為：

根據(jù)土力學(xué)的相關(guān)理論，土壓力p為土體的容重γ與有效高度H有效之積：

代入計算，可以推導(dǎo)出有效高度H有效為：

2.3 頂管頂力計算

根據(jù)摩擦力的基本原理，管周的摩阻力F摩為：

式中：F摩為頂進摩阻力；p為管周土壓力；μ為摩擦系數(shù)，s為接觸面積。

管道的受力簡化模型如圖2所示。根據(jù)之前的推導(dǎo)，管道上部的土壓力p頂為：

圖2 頂管周圍土壓力計算模型

管道直徑較小時，可以假定兩側(cè)的土體參數(shù)相同，即：

管道底部的土壓力p底為：

式中：G為頂管每延米長度的重量。

在計算過程中，無法利用各個方向的土壓力進行計算，需要將各個方向的土壓力進行等效替代。簡化的土壓力p為：

則管道周圍單位面積的摩阻力F為：

則頂管的頂力F頂力為：

式中：L為頂進的長度；γ中為土體平均容重。

2.4 頂力設(shè)計的意義

頂推力是制約頂管頂進的重要因素，在設(shè)計過程中，工作井、管道的抗壓強度和中繼站等需要根據(jù)頂力進行選型和設(shè)計，如果在施工過程中頂力超過設(shè)計值，將會破壞工作井和管節(jié)，甚至?xí)p壞千斤頂；如果實際頂力值遠小于計算值則會造成極大的浪費，因而頂管頂力的設(shè)計是頂管設(shè)計工作的重要一環(huán)。

3 頂管工作井設(shè)計

3.1 布置原則

在頂管設(shè)計過程中，需要根據(jù)管線合理布置工作井和接收井。工作井作為安裝設(shè)備的場地，也是提供頂管始發(fā)反力端頭，同時也是承擔(dān)液壓千斤頂反推力的構(gòu)筑物。在布置時，頂管的一次頂進長度要適宜，不宜過長。如果一次頂進長度過長，工作井和接收井的數(shù)量會降低，但頂推力較大，對頂管結(jié)構(gòu)和工作井結(jié)構(gòu)的強度要求較高，同時施工機械的性能也會提高；如果頂進長度過短，工作井和接收井的數(shù)量會相應(yīng)增加，但會降低施工頂進的難度，降低對結(jié)構(gòu)強度和機械的要求。與此同時，頂管管線的布置還應(yīng)符合交通、電力等行業(yè)對所屬設(shè)施的保護要求，布置的位置應(yīng)交通便利、水電供應(yīng)方便、便于排水；還需要結(jié)合施工頂進的方式來確定布置位置。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

工作井根據(jù)結(jié)構(gòu)的形狀可以分為矩形、圓形、腰圓形、多邊形等，在實際工程中，常用的是矩形工作井，當(dāng)頂管埋深較大時，工作井一般采用圓形，工作井的施工方式主要有明挖法施工與沉井法施工。工作井（接收井）按其結(jié)構(gòu)形式又分為鋼筋混凝土井、鋼板樁井、地下連續(xù)墻井等幾種類型，如果地質(zhì)條件較好，頂力值不大時，還可以采用水泥攪拌樁臨時支護甚至放坡開挖，但是需要結(jié)合后座墻來提供反推力。工作井的尺寸確定要考慮管節(jié)長度、直徑、頂管機的尺寸、頂管設(shè)計標(biāo)高等因素，在設(shè)計過程中，還需要考慮頂管頂力的反作用力對結(jié)構(gòu)的作用。

本工程頂管工作井采用沉井施工技術(shù)，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土整體深井結(jié)構(gòu)；根據(jù)頂管的尺寸，共設(shè)計兩種規(guī)格的工作井：Y1～Y6工作井的凈尺寸為3.00 m×4.50 m×11.00 m×0.40（長×寬×高×厚）、工作井 Y11～Y15，Y25～Y26，Y29～Y30凈尺寸為4.0 m×6.0 m×11.0 m×0.4 m（長×寬×高×厚）。頂管施工完成后，澆筑管周圍混凝土，將工作井作為檢查井。

4 結(jié)語

本文就濕陷性黃土地區(qū)地下雨水管線的頂管法施工設(shè)計要點開展研究，首先介紹濕陷性黃土的特性及其工程分類，并介紹頂管設(shè)計過程中對濕陷性黃土的要求以及避免濕陷性的工程措施，然后介紹頂管頂力的設(shè)計計算過程及其重要性，并介紹頂管工作井布置和設(shè)計的原則，以期為后續(xù)的施工和類似工程提供借鑒和參考。