土压平衡顶管机顶管下穿铁路路基设计与施工.pdf

铁道建筑
Railway Engineering
November. 201 3
文章编号:1003-1995(2013)11-0060-03
土压平衡顶管机顶管下穿铁路路基设计与施工
钟宇宏
(武汉铁路局工务檢测所,湖北武汉430071)
摘要:武汉市中环线供水管道需穿越既有4股道铁道路基,采用土压平衡顶管机顶进圆管施工技术,顶
进套管长度达90m,且须在不中断铁路行车条件下作业。介绍该工程顶管施工工法选择、顶力计算、エ
作井设计、顶管机槭设备参数、铁路防护及施工注意事项等,可供类似下穿铁路管道工程参考。
关键词:土压平衡顶管机顶进圆管铁路路基
中图分类号:U449.83;U455.47文献标识码:BD01:10.3969/j.issn.1003-1995.2013.11.19
1工程概况
2顶进圆管设计
武汉市水务集团中环线供水管道(小1420钢管)
顶进圆管设计参数及施工现场如图1、图2所示。
結下穿南环上下行联络线、南环上行线(K1+876
顶进工作井
处)、京南联络线、京广外环货专线4股道铁路路基
拟采用小2000钢筋混凝土套管保护。设计顶进套管
后座
总长90m,套管顶最大覆土厚8m,最小覆土厚2m
管道穿越层为粉质黏土,含水率较大。管道中心与南
千斤项
环上行线交角为86°
穿越管道轴线北侧即为武汉市三环线公路立交
桥,北侧铁路路基下还有4m框构涵及1.5m圆涵各
960
一孔。管道轴线距北侧最近铁路接触网立柱仅
6.9m。南侧10m外即为高压输电走廊。铁路西侧为
图1顶进圆管施工设计参数(单位:cem)
民房,场地受限,故工作井设在铁路东侧,距最近输电
铁塔仅9.8m
该管道顶距较长,人工掘进顶管施工难度较大,应
采用机械掘进方式施工。机械掘进可采用泥水平衡式
和土压平衡式顶管机两种方式。泥水平衡式和土压平
衡式顶管机均能克服上述人工掘进的困难。但该处施
工场地狭小,靠近居民区及高压走廊,且顶进套管部分
地段覆土较浅(最小覆土厚2m,相当于0.8倍管外
径),若采用泥水平衡式顶管易出现漏浆、冒顶问题,
加之城区内排出的泥浆处理困难。综合考虑铁路行
图2顶进圆管施工现场
车安全、地质条件、场地限制、简化施工工艺及经济
环保等各项指标,木工程选择土压平衡式顶管机施2.1设计荷载
工方法。
铁路活载:中一活载
2.2管材选用
顶进套管采用铁路定型图整体式钢筋混凝士圆形
收稿日期:2013-01-02;絛回日期:2013-08-11
涵洞(壹桥5191)中如2000m钢筋混凝土圆涵管节,
作者简介:钟宇宏(1975-),男,湖北安陆人,工程师。
壁厚200mm,C40混凝土,主筋采用Q235钢筋。需检
2013年第11期
钟宇宏:土压平衡顶管机顶管下穿铁路路基设计与施工
算最大顶力作用下混凝土管壁强度。
2.5.3后座计算
2.3顶力计算
千斤顶与工作井后墙间设置后座,可采用钢筋混
由于顶管机顶进过程中机后管道不直接承受土压凝土或型钢后座与井后墙壁连接。后座宽度同井宽,
力,可采用《给水排水工程顶管技术规程》(CECS246:高度需进行检算
2008)中顶力计算公式(12.4.1),该公式与《给水排水
采用CECS246:2008中(12.10.3)条文说明中的
管道工程施工及验收规范》(GB50268-2008)中顶力计算方法。为简化计算,假设后座被动土压力合力中
计算公式(6.3.4)一致。
心与顶力反力合力中心近似一致。合力中心上部及下
管外径D1=2.4m;设计顶长L=90m;外壁与土部后座被动土压力(E。及E2)分别承担顶力反力的一
的平均摩阻力(取经验值)1=6kN/m2;顶管机外径半,即En=Ea=F/2=2392.46kN,则可得合力点
(取刀盘直径)D。=2.46m;覆土层厚度(取最大值)以上后座的高H=2.686m,合力点以下后座的高H2
H,=7.9m;土的重度y,=19kN/m3。
=1.710m,故得到后座高度为H,+H2=2.686+
顶管机迎面阻力N,=D2y.H
2.46
1.710≈4.4m。
考虑后座与井后墙壁共同作用,混凝土后座可不检
19×7.9=713.41kN,最大顶力F。=TD1+N
算配筋,按设计高度尺寸构造配筋,适当增加竖筋直径。
3.1416×2.4x90×6+713.41=4784.92kN。
2.5.4工作井壁配觞检算
2.4套管允许顶力验算
工作井顶力作用下的井壁,其内カ由顶力、土抗カ
采用CECS246:2008中钢筋混凝土管道传力面允及井周土压力产生的内力叠加而成。顶力通过后座扩
许最大顶力计算公式(8.1.1)。
散至井壁面积较大,一般可不进行局部强度检算。对
混凝土受压强度折减系数中1=0.9;偏心受压强工作井壁仅在土压力作用下进行配筋计算。
度提高系数ψ2=1.05;材料脆性系数=0.85;混凝
根据弹性理论,可将工作井侧壁视为三边固定
土强度标准调整系数中、=0.79;C40混凝土抗压强度(两侧边及底边)、一边简支的矩形板,土压力作用可
设计值f=19.1N/mm2;顶力分项系数ya=1.3。管视为加载在矩形板上的三角形荷载。通过计算得知通
道有效传力面积A,=1382301mm'(采用环形顶铁,过增加井壁板厚度,可减少井壁钢筋用量。实际采用
管道全截面受力),则管道允许最大顶力F=80cm厚井壁,经检算仅按构造配筋即可。井壁及后
0.51的2的、fA,/(yoゅっ)=1.032x10'kN,Fa>Fo,故座竖筋应伸人底板,确保足够的销固长度。
满足要求。
工作井前壁、后座及后背井壁设置穿墙管预留孔,
2.5工作井设计
采用砖砌或低强度水泥土临时封堵,止水装置采用橡
采用C20钢筋混凝土矩形护壁工作井
胶板止水穿墙管。
5.1エ作井尺寸计算
2.6顶进机械设备
顶管机长度L1=4.8m,千斤顶长度Lっ=2.5m,2.6.1顶管机及泵站
后背顶铁及安装富余量k=0.6m(经验值),则工作井
采用镇江安达机械有限公司DK200土压平衡顶
浄长度L≥(L+L3+ん)=7.9m,采用8.0m。
管机(带注浆加泥功能)。主要技术参数:尺寸2400
工作井净宽度B=D+2.4=4.8m,采用5.0m。x4800,刀盘直径小2460,螺旋输送机出土量
2.5.2工作井后背土允许顶力计算
16m3/h,纠偏角度2.5°(上下左右),顶进速度30
采用《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规50m/min,机头总功率116kW,整机质量25to
程》(CECS137:2002)中单孔矩形沉井作为顶管工作
采用天津威廉通力千斤顶有限公司BZT1500型
井时井壁板的土抗力及后背土体稳定性检算公式进行泵站为顶管机主顶油缸配套动力源。主要技术参数
计算。
工作压力31.5MPa,流量2x(0~25)L/min,油箱容
顶力作用下后背墙的最大土抗力ga、=335.6积1.5m';电机功率2x15kW;电压380V;外形尺寸
kN/m2;按朗肯理论黏性土计算公式计算,工作井前方(长x宽x高)为1.50