顶管法综合管廊结构设计与计算研究

2016-11-10苗现国苗雷强陈叶付华萌

安徽建筑 2016年4期

关键词：标准值管廊结构设计

苗现国，苗雷强，陈叶，付华萌

（1.河北中核岩土工程有限责任公司，河北　石家庄　050021；2.河北建研科技有限公司，河北　石家庄　050021；3.河北建研工程技术有限公司，河北　石家庄　050021）

顶管法综合管廊结构设计与计算研究

苗现国1，苗雷强2，陈叶3，付华萌3

（1.河北中核岩土工程有限责任公司，河北石家庄050021；2.河北建研科技有限公司，河北石家庄050021；3.河北建研工程技术有限公司，河北石家庄050021）

随着城市化建设的快速发展，城市地下综合管廊建设方兴未艾。综合管廊施工方法多样，文章结合作者工程经验，对顶管法综合管廊的结构设计与计算进行了归纳整理，内容包括上部的作用、结构设计、混凝土管道内力计算等，并对部分设计与计算问题进行了讨论。

顶管法；综合管廊；结构设计；内力计算

0　前言

随着我国经济建设的高速发展和城市人口的增加，许多城市出现道路交通拥挤、城市基础设施不足和环境污染等问题，城市综合管廊建设可很好地解决上述问题。所谓综合管廊是指在城市地下建造的市政公用隧道空间，将市政、通信、电力、供水、燃气等公用管线，根据城市规划的要求集中敷设在一个构筑物内，实施统一规划、设计、施工和管理［1］。

当前我国综合管廊工程建设中，常用的施工方法主要有明挖法、暗挖法、顶管法和盾构法等［2］，综合管廊选用何种方法进行施工，应根据施工环境、地质情况、施工设备等情况进行选取。当综合管廊需横穿铁路、公路等情况且施工场地为软土地基时，可考虑采用顶管法进行施工。顶管法是地下管道非开挖施工的一种，利用液压顶进工作站从顶进工作井将待铺设的管道顶入，在顶管机之后直接铺设管道的非开挖地下管道施工技术［3］。由于顶管法和综合管廊建设在我国均起步较晚，顶管法综合管廊结构设计与计算理论仍需进一步研究。

1　结构上的作用

顶管法综合管廊结构上的作用主要分为永久作用和可变作用。永久作用主要包括：结构及收容管线自重、土压力、地基沉降、预应力、顶管轴线偏差引起的作用；可变作用主要包括：地面堆积荷载、地面车辆及人群荷载、地下水压力、冻胀力等。

顶管综合管廊结构设计时，对不同性质的作用采用不同的代表值。对永久作用，采用标准值作为代表值；对于可变作用，根据设计要求采用标准值、组合值或标准值作为代表值。

2　结构设计

2.1设计规定

顶管法综合管廊结构通常采用钢筋混凝土管道，需按刚性管进行计算。管道结构采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标度量管道的结构可靠度。除管道稳定验算外，均采用分项系数的设计表达式进行设计。管道结构计算时，需验算承载能力和正常使用两种极限状态。

2.2作用效应的组合设计值

顶管综合管廊荷载作用效应组合设计值，可按下式进行确定［4］：

式中：γG1为管廊及管线自重作用的分项系数，可取γG1=1.2；γG，sv为竖向水土压力作用的分项系数，可取γG，sv=1.27；γGh为侧向水土压力作用分项系数，可取γGh=1.27；γG1、γsv、γh分别为管廊及管线结构自重、竖向和侧向水土压力的作用效应系数；γGv、γGm分别为地面车辆荷载、地面堆积荷载的作用效应系数；γ1k为管廊及管线自重标准值；Fsv，k为竖向土压力标准值；Fh，k为侧向土压力标准值；Qvk车行荷载产生的竖向压力标准值；Qmk为地面堆积荷载作用标准值；为可变荷载组合系数，对于钢筋混凝土管道取=1.0。

当验算钢筋混凝土管道构件截面的最大裂缝开裂宽度时，可按准永久组合作用计算。作用组合效应的组合设计值按公式（2）进行确定：

式中：Ψqj为第j个可变作用的准永久值系数，可根据参考文献［5］有关规定选取；CGi、Cqi分别为永久荷载和可变荷载作用效应系数；Cik、Cjk分别为永久荷载和可变荷载标准值。

需注意的是，钢筋混凝土管道在准永久组合作用下，最大裂缝宽度不应大于0.2mm。

3　混凝土管道内力计算

顶管综合管廊的混凝土管道在组合作用下，管道横截面的环向内力可根据公式（3）、（4）进行计算：

式中：M为管道横截面的最大弯矩设计值（N mm/m）；N为管道横截面的轴力设计值（N/m）；γ0为圆管的计算直径（mm），即自圆管中心至管壁中心的距离；kmi、kni分别为弯矩系数、轴力系数，均应根据作用土体类别取土的支承角为120°，按参考文献［4］附录B确定；Pi为作用在管道上的第i项作用设计值（N/m）。

4　问题讨论

①在综合管廊顶管施工期间，在顶管顶进过程中加注泥浆以减小其顶进阻力，此时管道和周围土体之间存在有一定压力的减阻泥浆填充，管道处于悬浮状态，该状态工况较正常运营状态为非控制状态。如果顶进施工停顿，泥浆压力降低为零，该状态的受力可按空管进行分析。

②土压力计算时采用水土分算，这是由于水对于管廊的作用是均匀的，而土压力竖向作用和侧向水平作用不同［6］。

③管廊周围土体为原状土，土压力计算时采用勘察报告的c、ψ值，不能采用折算摩擦角，更不能忽略c值，否则计算的土压力将偏大。

④混凝土最大裂缝宽度限值应根据运营状况确定，规范规定的最大裂缝宽度是指长期运行的工况，0.2mm的裂缝宽度限值是指潮湿环境下的裂缝限值，如验算管道受力面长期处于干燥环境中，则最大裂缝限值可按干燥环境取值。

⑤地面堆积荷载传递到管廊顶部的竖向压力标准值可取10kN/m2。综合管廊一般都与车辆行进方向在同一方向上，在车辆荷载计算时应考虑车辆前后轮的影响，单个轮压传递到管道上的竖向压力标准值可按公式（5）进行计算［7］。

式中：qvk为轮压传递到管道上竖向压力标准值（kN/m2）；Qvi,k为车俩的第i个车轮承担的单个轮压标准值（kN）；ai为i个车轮的着地分布长度（m）；bi为i个车轮的着地分布宽度（m）；H为自车行地面至管顶的深度（m）；μd为动力系数，参见表1。当管廊埋置深度大于5.0m时可不考虑车辆荷载，当管廊顶部盖层厚度大于2.0m时，可不考虑动力系数。地面堆积荷载与车辆荷载不考虑同时作用，可取大值计算。