出流改道工程顶管工程设计.docVIP

星云湖、抚仙湖出流改道工程顶管设计玉溪市水利电力勘测设计院 何文云摘要：顶管作为软土工程中的新型工艺，90年代以来得到广泛运用，出流改道工程进口湖积层和第三系采取钢筋砼顶管方案，施工极为顺利，本文从方案选择、管路布置、结构计算方面对顶管作了介绍，并谈了设计中应该注意的一些问题。关键词：出流改道 顶管 设计1工程概况抚仙湖、星云湖位于云南省玉溪市江川、澄江、华宁三县境内，是云南九大高原湖泊中的姐妹湖，属珠江流域南盘江水系。星云湖水面面积34km2，相应湖容量2亿m3，平均水深7m；抚仙湖流域面积1053km2（含星云湖378km2），水面面积212km2，相应湖容量191亿m3，平均水深90m。星云湖是抚仙湖的上游湖泊，湖水通过约2.2km长隔河（唯一出流口）流向抚仙湖，经海口河汇入南盘江。星云湖、抚仙湖是玉溪市发展经济、保障生存的重要水源。同时对生态环境也起着重要的调节作用。随着两湖流域工农业生产的发展，绝大部分污水未经处理就排入湖内，两湖水质污染而下降。出流改道工程为等工程，任务是：保护抚仙湖；有条件地逐步改善星云湖水质；合理配置玉溪市红塔区水资源。经比较，选定星云湖P=10%以下频率的洪水均从出流改道隧洞泄流、不入抚仙湖，引水规模为9.2m3/s。工程包括水利工程和水质处理。水利工程主要由引水工程、旁通泄水道工程组成。其中引水工程东起星云湖下大河咀，西至九溪马家庄，全长12.7km，含进出口闸、暗渠、顶管和隧洞等。2 工程地质条件顶管段长3719m，地面高程17251754m，已接近湖盆地边缘，地表仍为平坦耕地，地下水位深1.52.1m，顶管埋深约为641m。桩号K3096.9m前后为地层分界，前段为第四系湖积层（QL），表层为耕作土，下部由灰白色、灰紫色粉砂质粘土、粉砂、细砂组成，以粉砂、细纱为主，砂层呈饱和松散状，并星点状分布有螺壳；后段第三系（N）为粉细砂、炭质粘土和砂质粘土，半成岩状态，有的虽较疏松，似砂状，有半成岩特征。经标贯判定，部分地段在度地震时可能会产生液化。据2001年实施的1/400万“中国地震动参数区划图”，工程区地震动峰值加速度为0.2g，反映谱特征周期为0.4S，对应的基本烈度为度。3 顶管选择及布置顶管就是利用预留孔口的施工井，通过井内安装的千斤顶设备，以工具管为先导，按设计轴线逐节将预制管节顶入土层中，直至进入另一端接收井。主要施工设备为工具管、中继环、顶进设备和出泥设备，顶进中可及时进行纠偏。3.1 顶管选择根据地形地质情况，0+7904+509段选用暗渠和顶管进行技术经济比较，均采用预制钢筋砼管，考虑工程量、工程占地、工程造价、施工方法及施工难度等因素。当暗渠开挖深度大于8.6m时，顶管较经济，但为了避免施工挖断江澄二级公路，影响交通，增加投资，同时充分结合施工场地布置，顶管起点选在江澄公路以东50m，公路采用顶管穿越。近10年来顶管技术得到了很大的发展，钢筋砼管有逐步替代钢管的趋势。设计时对两种管材作了比较：管径均为2.5m，砼管壁厚250mm，钢管壁厚2838mm。两种结构中，钢筋砼顶管尺寸、重量较大，施工顶进力要求较大，需要现场制作，但可减少防腐费用，运行维护方便，现行施工设备可以满足施工要求，工程总造价低；钢管顶管尺寸、重量较小，施工顶进较方便，进度快，但运行维护工作量大，费用高，工程总造价比前者约高3040%。综合考虑两者造价和技术可行，结合当地建材生产情况，施工方法和设备能力，顶管设计采用钢筋砼管。考虑到顶管穿越段主要为粉、细砂，选择泥水平衡顶管法，它具有快速高效和地面沉降小等优点，刀盘切削下来的土砂以泥水形式通过管道排放至地面泥水分离装置。3.2顶管布置顶管顶进时主要通过克服管壁和机头正面的摩阻力实现。顶管承受的顶力通常按1600t考虑，而沉井承受顶力则按1400t计。为安全计，总站常采用顶力1200t(四个300t千斤顶)。对于长距离的顶管，通常在管段之间设置一些由中继油缸组成的移动式顶推站（即中继站），同时管壁四周注入触变泥浆，充分减少摩阻力。计算时一般可取0.40.6t/m2。考虑顶管单向顶进的理想长度为700900m，结合土体分类和引水线路布置，共设6个施工井。具体桩号和顶进方向见图1，其中1、4和6为接收井，2和4为工作井，3即是工作井，又是接收井。分段长度415.9m993.1m。施工井除6外均采用沉井施工工艺，采用排水下沉法施工，最深33.9m，内径6.510m，C25钢筋砼衬砌。为使水面衔接平顺，顶管与暗渠、隧洞连接处设渐变段，长度5m。工作井和接收井施工完成后永久保留，改造作为管道的检修、通气孔，便于工程运行的管理。3.3 顶管技术参数顶管管节技术参数必须大于或等于规范中级管的要求，一般砼标号不得低于C40，管节出厂时的砼强度不应低于设计强度的90。本工程管径和埋深较大，管节砼采用C50，壁厚一般为管径的1/10。钢筋砼管的技术参数表直径（mm）壁厚（mm）管节长（mm）裂缝荷载（kN/m）破坏荷载（kN/m）内水压检验（Mpa）250025030001722600.10管节接头是保证施工质量的关键，设计时选择钢承口F型接头，接口内橡胶圈采用滑动胶圈，压缩率可达4045，是目前最好的接头型式，具体见图2。4 顶管计算4.1水力计算设计流量Q设9.2m3/s，设计底坡i1/700，按明渠均匀流进行水力计算。立制法制管所用的砼和易性好，制管精度高，管节表面非常光滑，糙率可近似钢管一样，故设计时糙率n取0.013，管内水深1.732m，顶部空间为26，大于规范不小于15的规定。4.2 结构计算按沿线不同的覆盖和岩土参数分段计算，本文以12管段为例，位于桩号K0+790K1+160，最大埋深10m，管线所经地层为第四系粉砂，地表约0.5m厚耕植土，地下水位在地表以下1.52.1m间变动。4.2.1基本计算参数（1）管节：见“钢筋砼管技术参数表”。（2）钢筋：选用普通低碳热轧圆盘条，受力筋采用III级钢筋，强度设计值为360Mpa；分布筋为级，强度设计值300Mpa。（3）C50混凝土：轴心抗压强度设计值23.1Mpa，轴心抗拉强度设计值1.89Mpa，弹性模量3.45X104Mpa。（4）岩土参数：地勘建议值密度1.86g/cm3，粘聚力6.4Kpa，内摩擦角8，地基承载力特征值80100 Kpa。4.2.2管道作用荷载（1）自重按单位长管段自重计算，容重取25KN/m3，计算标准值为53.97KN/m。（2）管道上的竖向土压力管顶竖向土压力标准值按下式计算：式中：不开槽施工土压力系数；管顶上部土压力传递至管顶处的影响宽度（m）；管顶上原状土主动土压力系数与内摩擦系数的乘积，取0.19；管侧土的内摩擦角，取25o；管段外径(m)，取3.0m；管顶土体容重，KN/m3，此处取18.6 KN/m3；管顶至设计地面的高度(m)，此处为7m。计算结果：。（3）管道上的侧向土压力作用在管道上的侧向土压力标准值按下式计算：式中： 主动土压力系数，取0.33； 管侧土体容重，取18.6 KN/m3；管侧土体浮容重，取9.2 KN/m3；自地面至计算截面管道中心处的深度，取8.5m；自地面至地下水位处的深度，取平均值1.8m。计算结果：。（4）管道外围的静水压力顶管四周的水压力按静水压力公式计算，取管道中点处的平均值，标准值为67KN/m2。（5）管道上的浮力，每延米管段标准值为70.65KN/m。（6）运营期管道内水体重，每延米管段标准值为49.06KN/m。（7）施工期管道外侧润滑浆液压力，取100Kpa。（8）运营期管道内侧静水压力按静水压力公式计算，顶端为0，管壁中点为25 Kpa，管底为50 Kpa，沿管道周边非线性分布。（9）基底反力基底反力运营期和施工期应分别计算，结合地基承载力验算进行。4.2.3计算工况分别按施工期、运营期计算，对上述管道作用荷载进行组合，注意润滑浆液压力只作用于施工期。4.2.4 结构及配筋计算 结构内力计算采用承载能力极限状态计算表达式，式中：管道重要性系数，取1.0； 作用效应组合的设计值，按GB50332-2002计算； 管道结构抗力强度设计值。按单位长度荷载分布情况，计算确定顶管属于大偏心受压构件，根据偏心受压计算并按照对称配筋。为便于施工，管节配筋型式不宜过多，出流改道工程三种管节的配筋结果和适用桩号见表。4.3 地基承载力验算地基承载力分施工期、运营期和地震工况验算。按GB50007-2002修正后的地基承载力特征值为218Kpa，经计算，各工况的承载力均满足要求。4.4 抗浮验算抗浮验算控制工况为施工期，取单位长度管段计算。式中：抗浮稳定性系数；作用方向向下的总竖向力标准值；作用方向向上的浮力设计值。计算得到，抗浮验算满足要求5 设计体会和建议5.1顶管段上覆土体厚度宜在40m以下，设计中必须根据不同土的特性和覆土厚度合理选择机头，认真研究顶管出洞技术，这是顶管顺利实施的保障。5.2 土层的性质对顶管设备组成、出土方式及力学计算起着决定性的作用，必须通过数量和深度足够的钻孔来查明地质情况，通常间距为3050m，但是勘查时轴线钻孔内不能留有金属残留物。5.3 如在顶管段的土层中含有部分粘土，由于形成一定的土拱效应，对结构有利，可以适当减少管材配筋。但必须对粘土样做化学分析，看是否含有亲水性矿物成分，因为具有膨胀性的粘土将大大增加管壁的摩阻力，无法正常顶进。5.4 顶进时必须严格做好轴线控制，如顶进轨迹变化大，甚至发生管路弯曲，将严重影响管壁与土体之间触变