大口径超长距离顶管施工中继间设置计算要点

大口径超长距离顶管施工中继间设置计算要点
发表时间：2020-06-09T01:44:45.787Z 来源：《防护工程》2020年6期作者：李振刚[导读]
阜阳市供水总公司
阜阳市三水厂建设供水规模为40万m3/d，水源水为淮河干流地表水，取水泵站设在阜南县郜台乡曹台村淮堤背水侧，原水管道设计为两根DN1800钢管，输水规模为40万m3/d，沿线穿越淮堤、濛堤、北副坝三处堤坝，穿越退洪通道、濛河、运河三处河道，以及铁路、高速公路、国省干道等，其中穿越濛河段受河道治理、航道等级升级等因素制约，一次管道顶进长度约800米，最大埋设深度约16米。

一、工程概况和设计方案简介
项目位于阜南县郜台乡濛洼蓄洪区，处于农田及河道内，周围无建（构）筑物。

地址勘察显示此处微地貌单元属河漫滩，根据钻探揭露场地土层分为5层：高压缩性素填土、均一性差、平均厚1.01米、层底高程平均21.17米；高压缩性粉质粘土、厚5.80米、层底平均15.37米；中压缩性粉砂夹粉土、平均厚3.74米，层底高程平均11.56米；中压缩性粉质粘土、平均厚5.16米、层底高程平均6.25米；中偏低压缩性粉砂夹粉土，本次勘察未揭穿此层，最大探明厚度9.00米，至高程-2.90米。

勘察期间测得钻孔中稳定水位21.68～21.77米，平均21.73米，水位埋深0.40～0.50米。

三、中继间设置计算
主要施工技术参数的确定：推顶力不仅受设备的制约，而且受工作井后靠土体稳定的允许反力和管材轴向允许承压力的限制，因此顶管施工中允许推顶力受诸多因素中的最小允许承载力来决定；顶管中继间的设置与顶管允许推顶力有关。

管道的顶进总阻力，由掘进机的正面阻力和管道外壁的摩阻力组成。

1、管道的顶进总阻力
公式R=π×D2/4×Pt+π×f×D×L
其中：D---管道的外径，D=1.820m
Pt---机头底部以上1/3×D处的被动土压力（KN/㎡） Pt=γ×（H+2/3×D）×tg2（45°+φ/2） γ---土的天然容重
H---管顶土层厚度
φ---土的内摩擦角
f---管壁四周的平均摩阻力系数，因注浆和管外壁打蜡减摩，f=5KN/㎡ L---管道的入土长度（m）取值D=1.820m；L=792m；φ=25o；f=5KN/m2；H=8.7m；γ=18.9KN/m3 Pt=γ×（H+2/3×D）×tg2（45°+φ/2）=250.5KN/㎡则R=π×D2/4×Pt+π×f×D×L=23555.8KN 2、钢管顶管传力面允许最大顶力 Fds=ф1×ф3×ф4×fs×Ap/rQd 式中：Fds---钢管管道允许顶力设计值（KN）； ф1---钢材受压强度折减系数，可取1.00； ф3---钢材脆性系数，可取1.00； ф4---钢管顶管稳定系数，可取0.36：当顶进长度<300m时，穿越土层有比较均匀时，可取0.45，本次取0.36； rQd---顶力分项系数，可取1.3； fs---钢材受压强度设计值（N/mm2）235 N/mm2 Ap---管道的最小有效传力面积（mm2），计算得114296mm2（DN1800，壁厚20mm）由上式可计算得钢管顶管传力面允许最大顶力为：Fds?=7438KN/M2 3、中继间安放位置和需要数量的计算顶管施工中，顶管中继间位置的设置与顶管允许推顶力有关。

管道的顶进总推力由掘进机的正面阻力和管道外围的摩阻力组成。

R=π×D2/4×Pt+π×f×D×L 经前面计算R=23555.8KN，而钢管允许最大顶力Fds=7438KN 根据计算结果可知：Fds?=7438KN<R=23555.8KN，且沉井设计允许顶力为3500KN；由此可知沉井和钢管都满足不了顶进的需要，必须安装中继间分段顶进，以保证顶力满足要求。

（1）、第一个中继间安装位置计算： Ld=（P“-F1）×K1/f2式中Ld-1号中继间安装位置（m）： P“—中继间设计顶力（3500KN，额定工作压力25.0MPa） F1—工具管正面阻力（KN） f2—单位长度管道摩阻力（28.9/M） K1—工作系数取K1=0.60 F1=π×D2×1/4×250.5=680.3KN 经计算得：Ld=58.5米
（2）、中继环间距计算：
L0=P“×K2/f2
式中L0--中继间间距（m）：
P“—中继间设计顶力（3500KN，额定工作压力25.0MPa）
f2—单位长度管道摩阻力（28.9KN/M）
K2—工作系数，组合密封中继间取K2=0.70
经计算得：L0=84.7m
（3）、主站顶进长度计算：
Lm=P/×K3/f2
式中Lm--主站顶推管道最大长度（m）：
P/—主站的最大允许顶力（取3500KN）
f2—单位长度管道摩阻力（28.9KN/M）
K3—工作系数取K3=0.90
经计算得：Lm=109米
（4）、中继间数量：
n=（L- Ld- Lm）/ L0＋1
经计算得：n=9个
根据以上计算结果，顶管段需要设9个中继间。

计算结果仅作为参考依据，施工过程中可根据实际情况进行适当调整。

结论与建议：该段管道历时两个半月实施完成，实施过程较为顺利，也存在一些问题：如顶进开始时，对于顶管工作井周围应进行打桩加固，避免机头出井后向下探头，一旦探头将很难矫正回来。

随着远距离输水工程实施，顶进工程技术将会越来越多、规模也会越来越大，施工技术和机械设备等发展更新的也必将越来越好。

参考文献：
[1]《给水排水管道工程施工及验收规范》GB50268-2008
[2]《顶管施工技术及验收规范》中国非开挖技术协会行业标准（试行-2006年12月）
[3]《市政管道工程施工手册》（中国建筑工业出版社，2010年第一版）。