浅谈长距离泥水平衡顶管中继间设置

浅谈长距离泥水平衡顶管中继间设置

汪远和

河南省水利第二工程局郑州河南450016

摘要：本文结合在南水北调配套工程建设中实例，详细介绍了泥水平衡顶管中继间设置计算过程，并通过现场施工，确定了计算结果的准确性，以供大家参考。

关键词：泥水平衡顶管，中继间设置计算

一、工程概况

根据设计图纸，10+240-10+525段285m管道工程采用泥水平衡顶管，管材均为DN1600JPCCP管，管道覆土深度为4-6m，管节长度为3m/节，管道壁厚17cm，管材允许最大顶力6000kN。工程地质结构为砂性土均一结构。建基面位于第⑦层（alplQ41）粉细砂层中，无地下水。

二、总顶力计算

根据《给排水管道工程施工及验收规范》GB50268-2008第6.3.4条，顶进阻力计算公式：Fp=πDLfk+NF

式中：Fp—顶进阻力（kN）；D—管道的外径，2.16m；

f—管道外壁与土的单位面积平均摩阻力（kN/㎡），取8kN/㎡；

L—管道顶进长度（m）；NF—顶管的迎面阻力。NF=13.2×л×D×N

D—顶管机外径（m），取2.2m；

N—土的标准贯入指数，根据地质资料，粉细砂层标准贯入值的范围值为8～24，平均值为15击，取15击。

计算迎面阻力：NF=13.2*3.14*2.2*15=1368kN；顶管阻力：10+240-10+525段285m顶进阻力16832kN。顶进阻力大于管材允许顶力6000kN，根据规范规定建议设置中继间。

三、中继间设置计算

1．第一个中继间位置计算

根据招标文件引用的规范《给排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008）第6.3.2条规定：“计算施工顶力时，应综合考虑管节材质、顶进工作井后背墙结构的允许最大荷载、顶进设备能力、施工技术措施等因素。施工最大顶力应大于顶进阻力，但不得超过管材或工作井后背墙的允许顶力”。第6.3.3条规定：“施工最大顶力有可能超过允许顶力时，应采取减少顶进阻力、增设中继间等施工技术措施”。第6.3.9条的规定：“1、设计顶力严禁超过管材允许顶力；2、第一个中继间的设计顶力，应保证其允许最大顶力能克服前方管道的外壁摩擦阻力及顶管机的迎面阻力之和；而后续中继间设计顶力应克服两个中继间之间的管道外壁摩擦阻力；3、确定中继间位置时，应留有足够的顶力安全系数，第一个中继间位置应根据经验确定并提前安装，同时考虑正面阻力反弹，防止地面沉降。”

《给水排水工程顶管技术规程》CECS246：2008第12.4.3条：“当估算总顶力打压管件允许顶力设计值或工作井允许顶力设计值时，应设置中继间”。第12.5.4条：中继间顶力富裕量，第一个中继间不宜小于40%，其余不宜小于30%。

又因山东龙泉管道工程股份有限公司提供的JPCCP管材最大允许顶力为6000kN，故选取当主顶千斤顶达到中继间总推力（也即管道允许顶推力）的50%时，安放第一个中继间，顶管推进最大顶力为6000*50%=3000kN，即：3000-1368=3.14×2.16×8×L1。顶距L1=30m。

2．其它中继间位置计算

在每段顶管时，除第一中继间承受迎面阻力外，其余各中继间均只承受管外壁的摩阻力。由于顶管中不断的纠偏，导致总阻力会有所增加，为了保证一定的安全系数，其余中继间最大顶力按管道允许顶力的90%取值，即6000*90%=5400kN，DN1800JPCCP顶管两个中继间的最大安放距离：5400/（3.14×2.16×8）=99m。

根据计算，考虑顶进阻力情况及顶管管材长度，两相邻中继间之间的距离DN1800JPCCP顶管99m。

3．中继间的设置

中继间的选用型式和设置数目直接影响着顶管的质量和顶进速度，并关系着整个工程的投资。由于管道属于压力管道，为满足中继间使用后管道的质量和对外壁防腐处理等设计的要求。本方案采用新设计的可拆除组合式中继间结构型式，解决老式中继间前后节合拢后需焊接处理问题焊接。中继间拆除按设计要求仍将JPCCP管承插口闭合。

本工程拟采用20×32t油缸为一个中继站，考虑到顶进过程中纠偏应力集中中继间具体布置原则如下：

主千斤顶顶进39m后安装第一套中继间，之后每顶进99m增加一个中继间。布置中继间时还应考虑中继间处的地质情况，选择压缩比比较小的土层位置，避免拆除中继间后管子合拢时承载面下沉合拢困难，其间距可做适当调整。

根据上述中继间布置原则，10+240-10+525段顶管需安装3个中继间。

4、中继间的拆除

施工结束后，由前向后依次拆除中继间内的顶进设备。

采用中继间构造图做法先将千斤顶、法兰、油路、油泵、电气设备等拆除后，由第一个中继间开始往后拆，拆除的空间由后面的中继间继续向前顶进，使承插管口在中继间外环壁内相连接。总之，中继间的顶进与拆除均是由前向后进行。每个中继间拆除的顺序应是：先顶部、次两侧、后底部。

四、顶进后靠及主顶进系统

1、后靠允许顶力

根据工程实际情况，本工程顶管工作井后背采用装配式与钢筋砼护壁相结合后背墙，装配式后背墙紧贴与钢筋砼护壁，同时在后背支撑面内钢筋砼护壁增加一层钢筋网片。后背承受管道顶进的全部水平顶力，将顶力均匀地分布在后座墙上。后背墙具有足够的强度、刚度和稳定性，不允许发生相对位移和弹性变形。

经过初步计算及以往经验，采用高6m、宽6.6m、厚0.8m的钢筋混凝土整体式后背，后背埋于工作井底以下1m。紧贴后座墙，横向密排40×40×500cm方木排木外侧立7根50号工字钢，立铁均匀分布在后背中部2.5m范围内，在立铁外侧放横铁，千斤顶作用在横铁上。使千斤顶的着力中心在后背高度1/3—1/2之间。顶进时，管口采用弧形铁保护管口，使管口受力分布均匀，防止管口集中受压破碎。

假定主顶千斤顶施加的顶进力是通过后座墙均匀地作用在工作坑后的土体上，为确保后座在顶进过程中的安全，后座的反力或土抗力R应为的总顶进力P的1.2～1.6倍，反力可采用下式计算：

根据上式计算：后背支座承载力R=26804KN>最大总顶力F0=16832kN的1.6倍，满足要求。在计算后座的受力时，应该注意的是：油缸总推力的作用点低于后座被动土压力的合力点时，后座所能承受的推力为最大；油缸总推力的作用点与后座被动土压力的合力点相同时，后座所承受的推力略大些；当油缸总推力的作用点高于后座被动土压力的合力点时，后座的承载能力最小。因此，为了使后座承受较大的推力，工作井应尽可能深一些，后座墙也尽可能埋入土中多一些。

五、结语

目前，该顶管工程已严格按照上述方案设置中继间，顶管顺利完成，未发生任何质量问题，并通过了工程验收，工程质量评定优良。因此上述中继间设置计算能够满足现场施工需求。

参考文献：

[1]《给排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008）

[2]《顶管施工技术及验收规范》（试行）

[3]《给水排水工程顶管技术规程》CECS246：2008