东陆路 (金海路 ~新金桥路 )雨水管道顶管设计

东陆路 (金海路 ~新金桥路 )雨水管道顶管设计

熊宝

同济大学建筑设计研究院 (集团 )有限公司 上海市 200092

摘要：结合实际项目，着重从顶管顶力计算及维护结构展开论述，此项目为多段顶管，沿途需穿越箱涵、城市道路路面，最终进入泵站。沿线存在架空线，新金桥路地下管线纵多，给顶管设计造成了较大难度。

关键词：雨水管道；顶管

项目概况

东陆路(金海路~新金桥路)改扩建工程，是在原东陆公路的基础上，进行的改扩建，北边起始于金海路，南边终止于新金桥路，改造范围全长772.94米，道路红线宽40米，雨水管道随道路同步实施。顶管位置位于城市建成区和改建区，其中改建区处于征地范围。根据规划，雨水管道设计管径为d1200mm~d1500mm，沿线雨水管道需穿越泵站出水箱涵，同时随新金桥路铺设一段，最终接入金桥1#雨水泵站。在Y19~Y23管段采用顶管施工，管段埋深7.67m~8.26m。管径d1200~d1500，其中Y19~Y20由于采用倒虹设计，设计管径d1200，其余顶管管道均为d1500。详见下图：

地质及管线情况

顶管段所处于的地层，主要位于③号土层，为灰色淤泥质粉质粘土层，只有Y19~Y20管段底部进入③_夹灰色粘质粉土层顶部。前者厚度约3m，后者厚度约1.4m。流塑状，高压缩性，为道路主要软弱压缩土层，地基承载力特征值分别为60kpa和105kpa。渗透系数分别为3×10^-6cm/s和1.0×10^-4cm/s。场地的地下水情况：属于 潜水类型，埋深一般位于地表以下0.5m~0.7m。

东陆路沿线管道情况：DN300污水压力管，为拖拉管施工，管道埋深为弧形渐变，1.5m~4.5m深度范围；DN200给水管，埋深约1.5m；一路架空电力线；一路架空通信线，架空高度约5m，其中架空电力线在实施顶管前已完成迁改，DN200给水管道在实施顶管前已废除。

新金桥路管线情况：道路西侧人行道上有8孔φ110的10kv电力排管，为拖拉管施工穿越曹家沟，管道埋深为弧形渐变，1.5m~5m深度范围；信息管线4孔φ110pvc管，埋深约1.2m；架空线有1回路10kv电缆，架空高度约8m；非机动车上主要为DN500自来水管，埋深约1.7m，顶管井实施前需局部迁改。

顶管工艺设计

顶管管材

d1200mm的顶管，使用钢筋混凝土管（F型钢承口），d1500mm的顶管，使用Ⅱ级钢筋混凝土管（企口）。

工作井、接收井设置

工作井：Y20，B×H=8500mm×4500mm；Y22，φ7500mm。

接收井：Y19，B×H=5500mm×4500mm；Y21和Y23，φ4500mm。

顶推力计算

1）计算公式

式中：

F_P——顶管阻力（kN）；

D_O——管道的外径（m）；

L——顶进长度（m）；

f_k——管道外壁与土的单位面积平均摩阻力（kN/m²）；

N_F——顶管机头的迎面阻力（kN）；

无粘性土的被动土压力：

式中：

——土的重度（kN/m³）；

Z——管中的埋置深度（m）；

——顶管机外径（m）；

——内摩擦角，根据地质报告，内摩擦角取30°；

2）Y22~Y23段顶管段顶进力计算

采用经典的泥水平衡顶进工艺，由于顶管段采用膨润土泥浆护壁，f_k取值5.0 kN/m²，顶管机外径取1.9m，管中的埋置深度取平均深度7.38m，则顶管机迎面阻力：

= ×1.9×1.9×18×7.38× =1127kN

=3.14×1.8×109×5+1127=4208kN

故该顶管工作井后背最大容许顶力须大于等于4208 kN，顶管中无需采用中继间。

3）Y19~Y20段顶管段顶进力计算

顶管机外径取1.5m，管中的埋置深度取平均深度7.37m，则顶管机迎面阻力：

=3.14×1.44×55×5+ ×1.5×1.5×18×7.37× =1945 kN

故该顶管工作井后背最大容许顶力须大于等于1945 kN，顶管中无需采用中继间。

4）Y20~Y21段顶管段顶进力计算

顶管机外径取1.9m，管中的埋置深度取平均深度6.34m，则顶管机迎面阻力：

=3.14×1.8×39×5+ ×1.9×1.9×18×6.34× =2070 kN

故该顶管工作井后背最大容许顶力须大于等于2070 kN，顶管中无需采用中继间。

5）Y21~Y22段顶管段顶进力计算

顶管机外径取1.9m，管中的埋置深度取平均深度7.26m，则顶管机迎面阻力：

=3.14×1.8×29.9×5+ ×1.9×1.9×18×7.26× =1954 kN

故该顶管工作井后背最大容许顶力须大于等于1954 kN，顶管中无需采用中继间。

基坑围护设计

1）围护形式

本工程基坑安全等级为二级、环境保护等级为三级。本基坑围护结构采用SMW工法和钻孔灌注桩+旋喷桩的形式，基坑围护结构设计使用年限2年。Y22和Y23围护结构限于路侧存在架空线，施工空间受限，采用钻孔灌注桩+旋喷桩的形式。围护形式详见下表：

2）型钢水泥土搅拌墙的施工要求

SMW工法为三轴劲性水泥土搅拌桩内插入H型钢。本工程采用∅850@600三轴水泥土搅拌桩，内插型钢采用H700X300X13X24型钢。型钢必须在搅拌桩施工完毕后3小时内插入。

水泥掺量20%，水灰比1.5~2.0，采用P.O.42.5普通硅酸盐水泥。

三轴搅拌机搅拌下沉速度宜控制在0.5m/min~1m/min，搅拌提升速度宜控制在1m/min~2m/min，并保持匀速下沉与匀速提升；临近保护对象时，搅拌下沉速度宜控制在0.5m/min～0.8m/min范围内，提升速度宜小于1m/min；喷浆压力不宜大于0.8MPa。搅拌提升时不应使孔内产生负压造成周边地基沉降。

桩施工时，不得冲水下沉，相邻两桩施工间隔不宜大于24h。

桩体垂直度及桩位偏差应满足施工规范要求。

建议施工单位在基坑顶部制作导墙，以控制搅拌机及H型钢的定位。

在地下结构完成后，H型钢应拔出回收，留下的缝隙，采用水泥砂浆填筑。

施工前应试桩，不少于2根，以确定成桩工艺。

成桩后，基坑开挖前，应全桩长钻芯取样，数量不少于2%总桩数，同时不少于3根，钻芯样本无侧限抗压强度不得小于0.8Mpa。钻芯留下的孔洞，采用水泥砂浆填筑。

3）旋喷桩的施工要求：

旋喷桩:水泥用量550Kg/m³，水泥:粉煤灰=1:0.7，水灰比=1.0。

三重管水压≮25MPa，气压≮0.7MPa，水泥浆压力不小于1MPa。

旋喷提升速度不大于15cm/分，注浆管分段提升。搭接长度大于200mm，强度大于1.5MPa。

4）钻孔灌注桩施工要求：

采用∅800/850钻孔灌注桩,设计强度等级为C30(水下)。

钻孔灌注桩不得有断桩、混凝土离析、夹泥现象发生。

混凝土应连续灌注，每根桩的浇注时间不得大于混凝土的初凝时间。

钻孔灌注桩工序：钻孔灌注桩定位、冲击成孔(泥浆护壁)、第一次清孔、下放钢筋笼、下导管、第二次清孔、水下浇筑混凝土。

钢筋笼的制作：

钢筋笼宜分段制作。分段长度应视成笼的整体刚度，来料钢筋长度及起重设备的有效高度因素合理确定；

钢筋笼制作前，应将主钢筋校直，清除钢筋表面污垢锈蚀等，钢筋下料时应准确控制下料长度；

钢筋笼外形尺寸应符合设计要求，钢筋笼主筋混凝土保护层50mm；

环形箍筋与主筋的连接应采用点焊连接；螺旋箍筋与主筋的连接可采用铁丝绑扎并间隔点焊固定；

应采用低应变动测法检测桩身完整性，检测数量不小于10%桩数，同时不少于10根。抗压强度试块每50m³混凝土不应小于1组试块，且每台班不应小于1组试块。

5）支撑:

本工程采用三道支撑；Y19和Y20第一道围檩均为C30钢筋混凝土围檩，其余采用钢围檩；Y21、Y22和Y23三道围檩均为C30钢筋混凝土围檩。

支撑系统：第一道砼围檩截面1200x800，第二第三道砼围檩截面800x600，钢围檩和钢支撑均采用H500x300x11x18型钢双拼。

钢支撑设置就位后应施加一定预应力，第一道支撑预应力设置值采用300KN(每根双拼)；第二、三道支撑预应力设置值采用500KN(每根双拼)。

6）井点降水:

本基坑采用真空管井降水，以抽取基坑内土中的滞水，使基坑内土体疏干。

基坑围护结构达到设计强度后、开挖第一道支撑以下土方前，应进行基坑降水。地下水位需降至基坑底部1m，才能开挖。

7）基坑开挖:

基坑开挖前应对基坑内部进行降水，降水方式建议采用管井降水，简易方便，同时在基坑内外侧设置水位观测孔及高程监测孔，用以观察降水带来的沉降情况。

围护结构在达到设计强度且验收合格后，才能基坑开挖，具体开挖过程如下：

开挖表层土，浇筑钢筋混凝土围檩，待混凝土初凝后，安装钢支撑；

待第一道围檩达到设计强度的80％且钢支撑施加预应力后，开挖至第二道支撑底部，及时安装第二道支撑；

待第二道钢支撑施加预应力（或砼支撑达到设计强度80%）后，继续向下开挖，一直开挖到第三道支撑底部，及时安装第三道支撑；

待第三道钢支撑施加预应力（或砼支撑达到设计强度80%）后，向下开挖至坑底；

清底后及时浇筑混凝土垫层，垫层凝固后，绑扎钢筋，浇筑基础底板；

待基础底板的混凝土强度达到设计强度80%时，拆除第三道支撑；

工作井浇筑内衬墙至第三道支撑标高且达到设计强度80%时，拆除第二道支撑，再浇筑内衬墙至设计标高；

安装洞口止水装置并开凿顶管洞口，依次施工各标高顶管，砌筑检查井，回填土方，当回填到第一道支撑底部时，拆除第一道支撑，继续回填土方至道路基层底部。

挖土应遵循先撑后挖的原则分层开挖，严禁超挖，距离坑底200~300mm厚原土，采用人工开挖。

基坑开挖过程中，严禁在基坑周围堆载，禁止停靠大型车辆。

围护桩与检查井之间应采用粘土或黄砂均匀密实回填。

总结

本工程设计在现场较易实施，施工方法经典，在上海地区较易租赁到相关施工机具，施工队伍中也积累了一定的实施经验，实施过程中问题较少，值得借鉴与推广。

作者简介：熊宝（1986-12），男，壮族，籍贯：广西桂林市，当前职务：给水排水工程师，当前职称：工程师，学历：本科，研究方向：市政给排水