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类型出流改道工程顶管工程设计.doc

  • 上传人:scg750829
  • 文档编号:9055486
  • 上传时间:2019-07-22
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    出流改道工程顶管工程设计.doc
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    1、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

    2、亿 m3,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下大

    3、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K3096.9m前后为地层分界,前段为第四系湖积层(Q L) ,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,2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,部分地段在度地震时可能会产生液化。据2001年实施的1/400万“中国地震动参数区划

    4、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+790 4+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 。

    5、 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 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 28 38mm。 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

    6、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。33.2 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

    7、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 0.4 0.6t/m2。考虑顶管单向顶进的理想长度为 700 900m, 结 合 土 体 分 类 和 引 水 线路 布 置 , 共 设 6 个 施 工 井 。 具 体 桩 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 415.9m 993.1m。 施 工 井 除 6 外 均 采

    8、用 沉 井 施 工 工 艺 , 采 用 排水 下 沉 法 施 工 , 最 深 33.9m, 内 径 6.5 10m, 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。钢筋砼管的技术参数表直径(mm)壁厚(mm)管节长(mm)裂缝荷载(kN/m)破坏荷载(kN/

    9、m)内水压检验( Mpa)2500 250 3000 172 260 0.10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 4045,是目前最好的接头型式,具体见图 2。4 顶管计算44.1 水力计算设计流量 Q 设 9.2m 3/s,设计底坡 i1/700 ,按明渠均匀流进行水力计算。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,大于规范不小于 15的规定。4.2 结构计算按沿线不同的覆盖和

    10、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 3.45X104Mpa。(4)岩土参数:地勘建议值密度 1.86g/cm3,粘聚力 6.4Kpa,内摩擦角 8

    11、,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/m。(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: 1,DBCFtsjksv52451tgDBt atsjKBHC2exp式中: 不开槽施工土压力系数;j管顶上部土压力传递至管顶处的影响宽度(m ) ;tB管顶上原状土主动土压力系数与内摩擦系数的乘积,取aK0.19;管侧土的内摩擦角,取 25o;管段外径(m) ,取 3.0m;1D管顶土体容重,KN/m 3,此处取 18.6 KN/m3;s管顶至设计地面的高度(m),此处为 7m。sH计

    12、算结果: 。mKNFksv/59.301,(3)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: wswsakepzzKF,式中: 主动土压力系数,取 0.33;a管侧土体容重,取 18.6 KN/m3;S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;z自地面至地下水位处的深度,取平均值 1.8m。w计算结果: 。2, /0.4mKNFkep(4)管道外围的静水压力6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)管道上的浮力,每延米管段标准值为 70.65KN/m。(6)运营期管道内水体重,每延米

    13、管段标准值为 49.06KN/m。(7)施工期管道外侧润滑浆液压力,取 100Kpa。(8)运营期管道内侧静水压力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, RS0式中: 管道重要性系数,取 1.0;0作用效应组合的设计值,按 GB50332-2002 计算;S管道结构抗力强度设计值。R按单

    14、位长度荷载分布情况,计算确定顶管属于大偏心受压构件,根据偏心受压计算并按照对称配筋。为便于施工,管节配筋型式不宜过多,出流改道工程三种管节的配筋结果和适用桩号见表。7顶 管 管 节 配 筋 结 果 表4.3 地基承载力验算地基承载力分施工期、运营期和地震工况验算。按 GB50007-2002 修正后的地基承载力特征值为 218Kpa,经计算,各工况的承载力均满足要求。4.4 抗浮验算抗浮验算控制工况为施工期,取单位长度管段计算。 1.FVK式中: 抗浮稳定性系数;作用方向向下的总竖向力标准值;V作用方向向上的浮力设计值。F计算得到 ,抗浮验算满足要求1.9.302.856FK5 设计体会和建议

    15、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,8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9图 2 管 节 接 头 大 样 图

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