浅谈下穿公路钢筋砼顶推圆管涵设计

时间:2022-08-07 08:16:49

浅谈下穿公路钢筋砼顶推圆管涵设计

摘要:本文对目前下穿公路的常用顶推施工法钢筋砼圆管涵的设计进行介绍,对设计中暴露出的问题进行分析,提出优化改进措施。

关键词:顶推 圆管涵 钢筋砼下穿公路 设计

中图分类号: TG335.6+4 文献标识码: A

顶推圆管涵与常规明开挖圆管涵有较大区别,公路规范对顶推圆管涵设计及施工尚无要求,主要参考建材/市政排水行业规范及标准,构造特点上主要体现在管节间的承口处理,施工方面主要采用人工挖孔顶推或平衡类顶管机机械顶推。

一.概述:

顶推法施工在铁路/市政工程中应用较多,在公路工程中较少见。当前各种管线穿越既有公路需求越来越多,顶推圆管涵是较为普遍的一种形式。近年来公路行业也做了不少顶推圆管涵,将来顶推圆管涵会在公路行业越来越多出现,与顶推圆管涵相关的规范标准也将逐步完善。

二.设计要点:

顶推圆管涵参考《给排水工程顶管技术规程》(CECS 246 -2008)及《顶进施工法用钢筋砼排水管》(JC/T 640-2010)设计。

(一)、适用地质条件

顶管施工较为适合的地层为:淤泥质粘土、粘土、粉土、砂土层。其他地质条件因存在施工安全风险、机械设备要求高、经济性差等不宜采用顶推圆管涵。下列情况不宜采用顶推圆管涵施工:

1. 土体承载力f[ao]小于30kPa,同时小于计算所需的承载力要求。

2. 岩石单轴饱和抗压强度大于15 Mpa。

3. 土层中砾石含量大于30%或粒径大于200mm的砾石含量大于5%。

4. 江河中覆盖层渗透系数K大于或等于10-2cm/s。

(二)、位置选择

顶推圆管涵的的选址首先应满足《公路路线设计规范》(JTG D20-2006) 12.5条公路、管线交叉中相关规定,公路与管线宜垂直交叉为宜,必须斜角的不宜小于60度。对于有爆炸危险的原油及天然气管线距大桥不应小于100米,距中桥不应小于50米。顶管顶面距路面底基层的底面应不小于1.0米。

顶推圆管涵选址还应符合公路管理部门的有关规定,顶推圆管涵的设计及施工方案都需公路管理部门审批,涵位以公路管理部门批复为准,涵位应避开立交区,并考虑公路的规划。

(三)、结构尺寸及布置

1.结构尺寸

顶推圆管涵常用管径(内径)一般为0.6米~3.5米,壁厚一般为管内径1/10,人工挖孔顶推圆管涵内径不小于1.0米。管径大于3.0米顶推圆管涵不推荐采用。

顶推圆管涵壁厚选择时注意,公路规范中对主筋保护层要求与《顶进施工法用钢筋砼排水管》中要求不同,直径1.0米以下环筋采用单层配筋的顶管,壁厚还应满足公路规范中主筋保护层要求。

2.管节连接方式

顶推圆管涵与明挖施工圆管涵构造上最大区别是管节连接方式,明挖施工圆管涵管间接头处理较简单,管节头不做特殊处理,仅设管节间防水处理,顶管连接方式较复杂,一般分柔性接头和刚性接头,目前普遍采用柔性接头,刚性接头只用于顶管距离较短情况。柔性接头按接头形式又分为:钢承口、企口、双插口、钢承插口四种形式,目前多采用钢承口,钢承口根据构造形式分为A/B/C三种。

各型顶管接头细部尺寸在《顶进施工法用钢筋砼排水管》(JC/T 640-2010)中均有要求,可参照执行。

顶推圆管涵在施工期间管端承受巨大的局部顶推力,易产生横向变形而损坏,管端需局部加强,在管端一定范围增加环筋数量并配置U型加强筋。

为保证顶管接头处良好密封性,一般在承口处设橡胶圈,管内无压可使用楔形单胶圈,管内有压时必须使用“O”型胶圈。通过橡胶圈的挤压变形保证接头处密封,橡胶圈采用天然橡胶,压缩率不小于36%,邵氏硬度50~65(IRHD),接头处强度不小于10MPa,在承口加强钢筋后设置遇水膨胀胶圈。

3.顶管埋深

管顶覆土厚度在不稳定土层中宜大于管外径1.5倍,并大于1.5米,穿越江河底时覆盖层厚度最小厚度宜大于管外径1.5倍,并大于2.5米,地下水较高时,管顶覆土厚度还应满足管道抗浮要求。

顶管埋深设置时宜保证管身范围内位于相同土层。

顶管埋深需满足公路管理部门对于管顶覆土厚度的要求。

4.横向顶管间距

对于平行设置的双管形式,管距应根据土层性质、管径、管道埋深等因素确定,一般情况下宜大于1倍管外径。

5.材料

顶管砼标号不宜小于C50。抗渗等级不低于P8, 水泥宜采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥。

钢筋宜采用冷轧/热轧带肋钢筋,习惯上内外层环筋采用CRB550冷轧带肋钢筋或HRB400热轧带肋钢筋,纵向分布钢筋及U型加强钢筋等采用HRB400热轧带肋钢筋。内外层环向钢筋保护层按照公路规范执行,需注意公路规范与《顶进施工法用钢筋砼排水管》中主筋保护层要求不同,编者认为对于下穿公路的顶管必须符合公路相关规范。

承口钢圈一般采用Q235B或Q345B钢材,外露的承口钢圈应采用防腐蚀涂料面层或在喷、镀金属层上再涂刷防腐蚀涂料的复合面层保护。对于地下水等周围介质的腐蚀性等级为强/中等腐蚀时,顶管的管材不宜选用钢筋砼管,宜选用玻璃钢夹砂管。

(四)、管节计算

顶管施工的管道特点是人工或机械掏挖形成孔腔,钢筋砼管顶入孔腔内,顶管管节配筋计算的要素是确定在此孔腔中管道上部的作用及管道支撑的基础形式。

目前国内应用的计算方法按其管道上部的作用和支撑形式区分为以下四种:

(1) 支撑角2α=90度土柱法

此方法设定在管道结构上作用有管顶至地面的竖向土压力、竖向土压力及地面荷载作用引起的侧向土压力、管上腔内土重,管道基础为支撑角2α=90度上土孤基础。此方法类同开槽法施工,计算配筋量最大,不宜采用。

(2) 支撑角2α=120度土柱法

此方法与方法1类似,管道基础为支撑角2α=120度上的土孤基础。一般适用于不稳定土壤,计算配筋量次之。

(3) CECS法

《给水排水工程埋地预制砼圆形管管道结构设计规程》中以太沙基教授理论建立的方法(图4-C),太沙基理论认为顶管时土体将发生变形,管体外缘处的土体按主动土压平衡出现裂缝,形成图4-C中管顶上方的土柱作为计算隔离体,土柱荷载通过土壤剪力传递扩散给管两侧土体。由分析竖向力系平衡条件,得出管顶处土体处于主动平衡时的裂线宽度和顶管竖向土压计算系数,用以计算管道结构上的竖向土压力。此方法在稳定土壤中覆土深度大于管外径1.5~2.0倍时选用,计算配筋较少。

(4) 卸荷拱法

卸荷拱理论将土体视为具有一定内聚力的松散体,在土体中开挖洞室后由于应力重分布,使洞室土体发生破坏,引起顶部土体塌落,塌落到一定程度后,土体进入新平衡,形成自然平衡拱,作用在圆管上的压力等于破坏区(卸荷拱区域)包括的土体重,此方法在土壤技术数据可靠,土壤内摩擦角≥30 0, 覆土深度大于2倍卸荷拱高度时选用, 此方法计算配筋最少,不推荐采用。

综上:目前顶管设计多采用120度土孤基础法和CECS法,下穿公路的顶管,地面以上还需考虑汽车荷载,埋置深度大于5m时可以不考虑汽车荷载,管顶覆盖层厚度大于2m时,可不计轮压冲击系数。另外计算还需考虑地面堆积荷载,一般取10KN/m2。

砼管节根据外部荷载引起的弯矩效应,分别按照承载能力极限状态验算承载能力,按照正常使用极限状态验算变形及裂缝。

(五)、管节配筋

钢筋砼管节受力主筋为环向钢筋,常用配筋方式有环形钢筋、螺旋钢筋,多采用螺旋钢筋,钢筋直径一般在6~14mm。壁厚≤0.1m的管节采用单层配筋,壁厚>0.1m的管节采用双层配筋,内外层环向筋间距分别根据配筋计算确定并不得大于15cm,环筋末端密缠1~2圈。

钢筋砼管节纵向应布置分布构造钢筋,钢筋直径≥4mm,间距≤40 cm(一般控制在15~25cm),纵筋根数不小于6根。

钢筋砼管节在端部设置U型加强钢筋,布置同纵向钢筋,以加强管端局部承压能力。

对于钢承口顶管,还应设置承口钢筋固定钢圈。

(六)、顶管设计允许最大顶力

设计中应给出顶管的允许最大顶力,如顶推中所需顶推力超过允许最大顶力,应设置中继间。《给水排水工程顶管技术规程》给出不同材质的顶管允许顶力计算公式,顶力计算不是按轴心受压构件计算,而是考虑可能的最大偏心是顶力作用在管截面核心矩边缘,上述顶管允许顶力计算公式不适用于曲线顶管。

三.钢筋砼顶管设计中的问题:

1.单轴抗压强度大于15Mpa的岩石地质规范不推荐采用顶管施工,而工程实践中某些地区却大量采用(如重庆),部分工程中岩石单轴抗压强度60Mpa都采用顶管施工。目前顶管相关设计规范中计算理论都只适用于于松散土体,对于岩石地质不适用,国内部分顶管研究中建议参照《铁路隧道设计规范》第4.3.3条公式。不同的基础支撑条件对结构计算及配筋影响很大,因此相关顶管技术规范中应加强岩石地基的顶管设计理论研究。

公路相关规范中对顶管设计及施工尚未有要求,而大量顶管都是穿越高速公路及地方公路,目前都参考给排水工程中顶管规范设计,建议公路相关规范应将顶管设计及施工要求纳入其中。

2.公路工程与给排水工程中规范关于主筋保护层要求不同,公路规范要求值略大。另外在正常使用极限状态下关于变形、裂缝宽度的计算方法及要求也不同。

四.结语:

随着我国国民经济持续快速发展,大量管线需要穿越既有公路网,钢筋砼圆管涵顶管作为最常用的顶管形式会得到越来越广泛的应用。钢筋砼顶管的设计理论研究将会逐步完善发展,新的施工工艺也将不断涌现。

参考文献

[1]《公路钢筋砼及预应力砼桥涵设计规范》(JTG D62-2004)

[2]《给水排水工程顶管技术规程》(CECS 246:2008)

[3]《给水排水工程埋地预制砼圆形管管道结构设计规程》(CECS 143:2002)

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