浅谈穿越公路顶管设计-顾光富-2017.4.doc

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浅谈穿越公路顶管设计

顾光富

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津，300250）

摘要：

顶管穿越是在穿越铁路、高速公路、河流、建筑物等障碍物时，常采用的一种特殊施工方法。

它可以不拆除或少拆除地面障碍物，不中断地面交通；在穿越河流时既不影响正常通航，也不需要修建围堰或进行水下作业。

文章以南水北调配套工程隆华线供水工程中一个穿越公路顶管设计为例，详细介绍了顶管设计过程。

顶管施工使输水管道在不中断公路交通情况下顺利穿越公路，满足输水要求。

顶管设计在该类工程穿越中起到了很好的效果。

该设计可以为其他配套输水管道穿越等级公路设计提供参考和依据。

关键词：

穿越公路顶管设计

中图分类号：

TV672

Briefintroductiondesignofpipejackinghighwaycrossing

GUGuang-fu

（HebeiResearchInstituteofInvestigationandDesignofWaterConservancyandHydropower，Tianjin300250，China）

Abstract:

Whenpipejackingiscrossingthroughtheobstaclerailwayshighwaysriversbuildingsetc.Aspecialconstructionmethodoftenused.Itcanbedismantledwithoutremovingtheobstaclesonthegroundorlesswithoutinterruptiongroundtransportation,whencrossingtheriverwillnotaffectthenormalnavigationanddoesnotrequiretheconstructionofcofferdamorunderwateroperations.Inthispaper,adesignofpipejackinghighwaycrossinginSouth-to-NorthwatertransferssupportingprojectsLonghuaLineWaterSupplyProjectasanexample,introducedthedesignofpipejackingprocess.Pipejackingintheroadtrafficconditionswithoutinterruptingthesmoothcrossingroads,tomeetwaterdemands.Thedesignofpipejackingplayedaverygoodeffectinsuchprojectscrossing.Thedesigncanprovidereferenceandbasisforthedesignofotherwaterpipelinecrossinggradehighway.

Keywords:

HighwaycrossingPipejackingDesign

1工程概况

南水北调配套工程隆华线[1]是由南水北调中线总干渠向新建隆尧水厂及华龙水厂供水。

隆华线从总干渠黑沙村口门引水，干渠计引水位为80.931m，计流量为1.01m3/s。

输水线路总长37.981km，其中隆尧线24.151km，华龙支线长13.830km。

工程输水主管材为径1000～1200mm的球墨铸铁管（DIP），等级为K9，计内水压力0.8～1.2MPa[2]。

本线路穿越S328省道时套管采用直径1400mm钢筋混凝土管道顶管，输水管道采用直径1000mm钢管，穿越公路位置桩号K6+700，顶进总长50m。

顶管主要设计指标如下：

（1）结构安全等级为二级。

（2）设计荷载：

公路-Ⅰ级[3]。

（3）顶管管材采用选用专用的DRCP管[4]，管材级别为Ⅲ级管径为1400mm。

（4）管顶埋深4.0m。

（5）顶管与公路交叉角度90°。

（6）工作井尺寸：

8.0长度（m）×4.5宽度（m）×6.18高度（m）；接收井尺寸：

5.0长度（m）×4.5宽度（m）×6.18高度（m）。

2顶管工程地质概况

工程区地表出露及钻孔揭露的地层岩性主要有第四系全新统人工堆积（Q4s）杂填土，第四系全新统冲洪积（Q4pal）壤土、砂壤土、粘土、细砂、中砂、粗砂，第四系上更新统中段冲洪积（Q32pal）黄土状壤土、黄土状砂壤土，第四系上更新统下段冲洪积（Q31pal）粗砂，第四系下更新统冰水积（Q1fgl）泥砾、壤土、中砂、粗砂，奥陶系下统亮甲山组（O1L）灰岩等。

根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）划分，隆尧县地震动峰值加速度为0.10g，地震动反应谱特征周期为0.35s，相当于地震基本烈度7度，设计地震分组为第一组。

勘察期间未发现地表水，勘察深度范围内未揭露地下水。

经布置本工程顶管位于砂壤土层。

3顶管设计

3.1设计原则

顶管套管以上覆土厚度不小于1.5倍的套管外径，且不小于3m。

以免造成大的变形，影响交通安全。

工作井及接收井布置原则：

（1）有边沟时，工作井、接收井设置在边沟外侧3m；

（2）无边沟时，工作井、接收井设置在路基坡脚外8m；（3）受现场条件限制时，可适当调整。

依据《顶进施工法用钢筋混凝土排水管》[4]（JC/T640-2010）要求，顶管选用专用的DRCP管，管材级别为Ⅲ级，管道接口为柔性接口C型钢承口型式。

3.2顶进力计算

设计顶力值按《给水排水工程顶管技术规程》[5]（CECS246：

2008）中公式（12.4.1）计算：

F0=πD1Lfk+NF

式中：

F0—总顶力标准值（kN）；

D1—管道的外径（m）；

L—管道设计顶进长度（m）；

fk—管道外壁与土的平均摩阻力（kN/m2）；

NF—顶管机的迎面阻力（kN）。

人工挖掘式顶管机的迎面阻力计算可按《给水排水工程顶管技术规程》[5]（CECS246：

2008）中表12.4.2选用相应公式进行。

NF=π（Dg-t）tR

式中：

Dg—顶管机外径（m）；

t—刃口厚度（m）；

R—挤压阻力（kN/m2），可取R=300~500kN/m2。

经计算，该顶管的顶进力为3520kN。

3.2工作井、接收井设计

工作井和接收井可分为圆形、矩形和多边形三种，本工程采用矩形工作井和接收井。

矩形工作井的底部尺寸按下列三公式计算，同时L取式（3.2-1）和式（3.2-2）计算结果中较大值。

B=D1+（2.0~2.4）（3.2-1）

L≥L1+L3+k（3.2-2）

L≥L2+L3+L4+k（3.2-3）

式中：

B—矩形工作工作井内净宽度（m）；

D1—管道外径（m）；

L—矩形工作井最小内净长度（m）；

L1—顶管机下井时最小长度长度（m）；

L2—下井管节长度（m），钢筋混凝土管可取2.5~3.0m；

L3—千斤顶长度（m），一般可取2.5m；

L4—留在井内的管道最少长度，可取0.5m；

k—后座和顶铁的厚度及安装富余量，可取1.6m。

工作井底板面深度应按式（3.2-4）计算：

H=Hs+D1+h（3.2-4）

式中：

H—顶进井底面最小深度（m）；

HS—管顶覆土层厚度（m）；

h—管底操作空间（m）；

接收井内净最小宽度应按式（3.2-5）计算：

B=D1+2×1.0（3.2-5）

式中：

B—矩形接收井内净最小宽度（m）；

D1—顶管机外径（m）。

接收井的最小内净长度应满足顶管机在井内拆除和吊出的需求。

接收井的尺寸应满足工艺管道连接的要求。

根据上述公式计算并结合现场情况确定工作井和接收井尺寸，详见表1。

表1工作井、接收井尺寸汇总表

输水管道名称

穿越公路名称

工作坑

接收坑

长度（m）

宽度（m）

高度（m）

长度（m）

宽度（m）

高度（m）

保定市（郑家佐）输水管道

津保北线

9.0

13.0

7.86

5.0

13.0

7.50

工作井

接收井

长度（m）

宽度（m）

高度（m）

长度（m）

宽度（m）

高度（m）

8.0

4.5

6.18

5.0

4.5

6.18

3.3顶管施工工艺

顶管采用人工手掘式顶进施工，施工工艺详见“图1顶管工艺流程图”。

图1顶管工艺流程图

挖工作井

设施安装

测量复核

工具管入洞

后背铁

导轨

开洞

入土

工具管出洞

正常顶进

泥浆置换

工具管出井

出土

下管

顶进

开洞

顶出

完成

主油缸

临时支护

后背墙

基础

3.4顶管施工监控及信息化管理

施工监控包括对顶进管涵的测量监控，顶进过程中对路面的监控，以及为保证公路稳定而必须进行的掌子面、管涵自身结构情况、基坑等的监控。

对施工监控的成果进行信息化管理，出现异常情况时管理系统能及时准确地做出反应，快速地根据情况采取强有力的措施。

施工监控及信息化管理流程详见“图2信息化管理流程图”。

图2信息化管理流程图

信息化管理部署

人员、职责安排

监控设备、材料准备

监控点、监控器布设

按要求监控、记录，初步分析

汇报，总指挥全盘

分析

下道工序施工

对问题进行处理

调整监控部署

４结语

南水北调配套工程隆华线供水工程是河北省南水北调配套工程重要组成部分。

该工程上接南水北调总干渠黑沙村口门，下至隆尧县、华龙工业区2个目标水厂。

工程实施后，通过南水北调来水与当地水的联合调度运用，基本解决上述供水目标的城市生活及工业用水，缓解当地水资源紧缺状况，改善水环境，保障当地社会经济可持续发展。

隆华线输水管道穿越S328省道时采用穿越公路顶管设计，既满足了输水管道的输水要求，又满足在不中断公路交通和影响公路运行安全的情况下施工，顶管设计在该类工程穿越中起到了很好的效果。

通过本设计可以为其他配套输水管道穿越等级公路设计提供参考和依据。

参考文献：

[1]河北省水利水电勘测设计研究院.邢台市南水北调配套工程水厂以上输水管道工程第一设计单元初步设计报告[R].2013.

[2]河北省水利水电勘测设计研究院.邢台市南水北调配套工程水厂以上输水管道工程第一设计单元招标设计报告[R].2014.

[3]JTGD60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[4]JC/T640-2010，顶进施工法用钢筋混凝土排水管[S].

[5]CECS246：

2008，给水排水工程顶管技术规程[S].

[作者简介]：

顾光富（1979-），男（汉族），江苏赣榆人，高级工程师，现从事道路桥梁工程、水利工程设计工作，（Tel）02226154657。