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1、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,
2、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III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
3、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K3+096.9m 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M度地震时可能会产生液化。据2001年实施的1/400万“中国地震
4、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V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
5、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
6、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
7、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II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
8、筋砼管的技术参数表直径壁厚管节长裂缝荷载破坏荷载内水压检验(mm)(mm)(mm)(kN/m)(kN/m)(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40%45%，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 ”=9.2m3/s，设计底坡i= 1/700，按明渠均匀流进行水力计 设算。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
9、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II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 3.45X10Mpa。(4) 岩土参数：地勘建议值密度1.86g/cm，粘聚
10、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/n。( 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：F = C 丫 B D sv , kj s t 1B = D1 + tg f 45 一叮 f 1 I 2 丿1 一 exp - 2 K 卩式中：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25。；D1管段外径(m),取3.0m；管顶土体容重，KN/诫，此处取18.6
11、 KN/nf；H 管顶至设计地面的高度(m),此处为7m。计算结果：f = 301 .59 KN / m。sv , k3)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：F = K b z +1G - z) ep , k式中： K 主动土压力系数,取0.33；1S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：N / m 2。 ep , k4)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)6)管道
12、上的浮力，每延米管段标准值为70.65KN/m。7)施工期管道外侧润滑浆液压力，取1 OOKpa。8)运营期管道内侧静水压力运营期管道内水体重，每延米管段标准值为49.06KN/m。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,Y S 1.1FFF式中： K 抗浮稳定性系数；FV 作用方向向下的总竖向力
13、标准值；F 作用方向向上的浮力设计值。F计算得到k = 355 -56 = 3.99 1.1，抗浮验算满足要求F 89 .025 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
14、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泥浆的通畅，或者被挤掉，局部摩阻力将 会迅速增加。6 结语6.1钢筋砼顶管将逐步代替钢管，采用柔性F型接口后，可允许轴线方向 2030mm的变形不产生渗漏，对土体的适应性强，易于维护。6.2，在市政工程中，它解决了钢材耐腐蚀性差、使用范围受限制的问题， 减少了对周边建筑物、管线和道路等的影响，顶管的应用前景广阔，特别 是近年来曲线顶管工艺也非常成熟。6.3从工程实践看，顶管工艺速度快，每天812m，质量和安全易保证。图1 沉井平面位置图匕h 41图2管节接头大样图 ,翟
