强风化岩中顶管施工顶力计算的理论分析

刘锦洲 霍少磊 葛云峰

手掘式顶管在我国的应用始于1953年,是最早发展起来的一种顶管施工的方法,至今已走过50多年的发展历程。手掘式顶管法具有顶管的普遍优点。通过工程实例可发现手掘式顶管的经济效益可观,对土质较好的地方或较贫困地区及地下管网复杂的城区,在能保证施工人员安全的前提下,手掘式顶管在很大程度上还有其发展空间和应用价值。

1 工程概况

1.1 工程概况

本工程为武汉市蔡甸区污水处理厂管道工程一标段,施工地点从蔡甸区莲花大道开始,至蔡甸区汉江防洪大堤,共铺设两种不同管径的污水干管,总计1 601.03 m。其中D1200F型钢筋混凝土管为1 300.91 m,D1200F型钢筋混凝土管300.12 m均采用顶管施工。其中W18～W22段管道所在地层为坚硬的强风化石英砂岩,根据现场施工情况及建设单位要求,该段由开槽施工方式改为顶管施工方式。实践证明手掘式顶管适用于上述各类地质情况以及淤泥、强风化岩等复杂地质情况。

1.2 场地工程地质及水文地质

根据地质勘探报告,本施工段场地土层自上而下分别为:①杂填土:杂色～灰色,松散,稍湿,主要由碎石、土渣及松散黏性土组成,结构松散,分布不均,尚未完成自重固结;②淤泥质黏土:灰褐色,可塑,稍湿,低强度,高压缩性,含灰条纹少许及云母片;③黏土夹碎石:褐色、棕红,硬稍湿,硬塑,以褐黄、灰褐色黏土为主,内含铁锰氧化物及其结核,具虫孔结构;碎石成分为灰岩和石英砂岩,粒径在1 cm～5 cm,含量约为20%;④强风化石英砂岩,肉红色,坚硬,稍湿,该层为泥盆纪五通组石英砂岩强风化层。

1.3 顶管施工工艺选取

管道主要穿越地层为坚硬的强风化石英砂岩层,结合现场实际情况,确定顶管施工方法采用排障方便、成本低廉的敞开式取消工具管,使用风镐开挖顶进。

2 现场实测数据分析

结合施工情况,对现场顶管施工进行实时测定。内容如下:1)根据千斤顶压力表的读数记录该顶段全段顶力的实际数据,并绘制出顶力顶距变化曲线图(见图1);2)测定该段管道的轴线和高程偏差情况;3)实时跟踪顶管施工,记录并分析沿途地层变化。

根据工程特点、地质情况及现场实测顶力变化情况,对测定结果进行分析,总结出在强风化岩地质条件下手掘式顶管施工中影响顶力的主要因素有如下几点:1)地质条件的影响;2)打蜡的影响;3)超径比的影响;4)管线偏差的影响。

3 顶力计算

3.1 摩阻力分析

本工程为强风化岩中的取消工具管手掘式顶管,不同于一般土层的顶管。在普通土层中顶管施工时主要考虑平衡土压力、水压力、管与土之间的粘聚力和控制地面沉降。而本工程在岩层中,使用风镐进行开挖,在开挖过程中管周存在一定的超挖,且岩层稳定坚硬,能够维持较长时间不坍落。管道和开挖空洞之间的接触状态见图2。

当在岩石中进行顶管时,因为开挖的直径必须要大于管道的直径,管道和开挖空洞之间为点接触,摩擦阻力的预测可能是在所有情况下最简单的。计算公式如下[1]:

其中,Pp为摩阻力,kN/m;Wp为管道单位长度重量,kN/m;δp为管道和岩石间的摩擦角;ζ为反力方向与垂直方向的偏角。

3.2 工程基本参数

本工程强风化岩地质的重力密度为20.6 kN/m3,内摩擦角为13.3°,管子的重力为13.23 kN/m,覆土深度为 4.5 m,管外径为1.44 m,壁厚0.12 m,推进长度100 m。

3.3 规范公式计算顶力

3.3.1 规范公式一[2]

顶力由工具管迎面阻力和管道摩阻力两部分组成。公式为:

其中,P为计算的总顶力,kN;γ为管道所处土层的重力密度,kN/m3;D1为管道的外径,m;H为管道顶部以上覆盖土层的厚度,m;φ为管道所处土层的内摩擦角,(°);ω为管道单位长度的自重,kN/m;L为管道的顶进长度,m;f为顶进时管道表面与其周围土层之间的摩擦系数;PF为顶进时工具管的迎面阻力,kN。

3.3.2 规范公式二[3]

顶力由工具管迎面阻力和管道摩阻力两部分组成。公式为:

其中,Fp为顶进阻力,kN;D0为管道的外径,m;L为管道设计顶进长度,m;fk为管道外壁与土的单位面积平均摩阻力,kN/m2,通过试验确定;NF为顶管机的迎面阻力,kN。

采用上述公式,对施工时所需的顶力进行计算,并与实测顶力进行了比较分析,由此可以看出,规范公式一计算顶力比实测顶力大得多,尤其是随着顶力距离的增加,理论顶力随距离大致呈线性增加;而实测顶力呈曲线上升趋势。

3.4 反算摩阻力

根据实测顶力来反算管与周围土的摩阻力,计算公式为规范公式(2),通过计算反算出管与强风化岩的摩擦阻力为2.6 kN/m2～3.5 kN/m2,与式(1)计算的摩阻力接近,可为类似工程提供参考。

3.5 安全系数

在计算顶力后附加一个安全系数,以保证顶管施工的顺利进行。安全系数的具体取值可根据工程的实际地质情况确定。

4 结语

1)通过理论分析,结合现场实测数据,在强风化岩地质条件下,采用取消工具管手掘式顶管顶进技术中的顶力计算进行了理论分析,并通过分析实测顶力和摩阻力,得出强风化岩地质条件下采用手掘式顶管掘进技术摩阻力的取值范围。2)在岩层中采用手掘式顶管法,根据现场施工情况可考虑使用小剂量的爆破开挖,可大幅缩短工期,具体施工可借鉴隧道爆破开挖。3)在顶管施工中,管材表面的光滑程度也是影响顶进阻力的一大因素,大部分管材表面的光滑程度都不太理想,所以在使用之前对管材表面进行打蜡处理,会大大减小管子与周围土的摩阻力。4)结合本工程,实践证明手掘式顶管在各类稳定地质情况下均可顺利施工,另外只要调整好施工措施,在淤泥等不稳定地质下亦可施工。

[1] 马宝松,STEIN D,蒋国盛.顶管和微型隧道的相关理论及分析计算[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2] GB 50268-97,给排水管道工程施工及验收规范[S].

[3] GB 50268-2008,给排水管道工程施工及验收规范[S].