[發(fā)明專利]鋼筋混凝土頂管施工中優(yōu)化管道設(shè)計(jì)的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110227631.3
• 申請(qǐng)日: 2011-08-09
• 公開（公告）號(hào): CN102359659A
• 公開（公告）日: 2012-02-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 雷晗;王建華;陳錦劍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): F16L1/028
• 分類號(hào): F16L1/028
• 代理公司: 上海旭誠(chéng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種建筑工程技術(shù)領(lǐng)域的方法，尤其涉及一種鋼筋混凝土頂管施工中優(yōu)化管道設(shè)計(jì)的方法。

背景技術(shù)

頂管法施工作為一種暗挖施工方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)：占地面積少，與同管徑的明挖施工相比可節(jié)約用地；地下施工不影響地面活動(dòng)，可保持交通運(yùn)輸暢通無(wú)阻；穿越鐵路、公路、河流、建筑物等障礙物時(shí)可減少沿線的拆遷工作量，節(jié)約資金和時(shí)間；施工過(guò)程中不破壞現(xiàn)有的管線及構(gòu)筑物，不影響其正常使用；施工無(wú)噪音，減少對(duì)沿線環(huán)境的污染。因此，頂管工法施工技術(shù)在近年得到廣泛的應(yīng)用，市政工程的上、下水道、煤氣、電力、通信工程、液化石油氣、天然氣輸送管道以及各種油管、動(dòng)力電纜、寬頻網(wǎng)、光纖網(wǎng)等通訊電纜等的敷設(shè)都相繼采用頂管工法施工。

頂管施工不可避免地會(huì)對(duì)管道周圍的土體產(chǎn)生擾動(dòng)，擾動(dòng)的結(jié)果是使周圍的土體出現(xiàn)卸載或加載等復(fù)雜的力學(xué)行為并使土層的物理、力學(xué)指標(biāo)產(chǎn)生變化，土體的應(yīng)力狀態(tài)也不斷變化，引起管道周圍土體產(chǎn)生變形，使土層移動(dòng)。

土壓力是管片設(shè)計(jì)荷載的主要組成部分，合理確定管道土壓力及其分布是進(jìn)行管片設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，是使得管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全且經(jīng)濟(jì)的基本要求。作用于管道上的土壓力實(shí)際上是周圍土層與管道共同作用面上的接觸應(yīng)力，其大小及分布形式不僅與地層的物理力學(xué)性質(zhì)、管道的剛度有關(guān)，且與施工方法、管道的埋深、直徑、形狀等幾何參數(shù)有關(guān)。隨著頂管施工技術(shù)的進(jìn)步，頂管的最大直徑不斷得到突破，且頂進(jìn)過(guò)程中的注漿減摩技術(shù)已運(yùn)用得越來(lái)越成熟，這些都導(dǎo)致傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不再適用于實(shí)際工程。

經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的檢索，現(xiàn)有技術(shù)中不同設(shè)計(jì)方法都立足于頂管受到的土壓力，并將其分為垂直土壓力、側(cè)向土壓力以及地基抗力三個(gè)部分。

美國(guó)所采用的設(shè)計(jì)方法中，對(duì)于作用在頂管用鋼筋混凝土管道上的垂直土壓力采用馬斯頓溝埋式模型，即認(rèn)為頂管法施工時(shí)上部土層滑動(dòng)區(qū)域的寬度為管道外徑一致；側(cè)向土壓力為在管頂垂直土壓力的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，該經(jīng)驗(yàn)系數(shù)與施工方法有關(guān)，且為均布荷載；地基反力為均布，而反力的支承角同樣也與施工方法有關(guān)。

德國(guó)設(shè)計(jì)方法中，假定管道的土壓力呈橢圓形分布，橢圓形頂點(diǎn)荷載確定采用太沙基筒倉(cāng)模型、側(cè)向采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，該經(jīng)驗(yàn)系數(shù)也與施工方法有關(guān)；地基反力分布模式與垂直土壓力相同，均為余弦分布，采用前蘇聯(lián)克萊茵分布模式，其支承角為180°。

而中國(guó)目前所采用的設(shè)計(jì)方法依照上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院編制的《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》CECS246：2008，其中垂直土壓力采用太沙基的筒倉(cāng)模型、側(cè)向土壓力采用朗肯主動(dòng)土壓力模型、地基反力采用克萊茵半橢圓形假定，其支承角為120°。

相比而言，我國(guó)的頂管規(guī)程綜合了各國(guó)規(guī)范的特點(diǎn)，但相對(duì)于其他國(guó)家規(guī)范仍然偏于保守，其中側(cè)向土壓力采用均布的主動(dòng)土壓力值得商榷，其大小和分布形式必須進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)地基反力的分布比較集中，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)受力相對(duì)不均勻，內(nèi)力偏大，從而直接導(dǎo)致管材消耗大。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種適合軟土地區(qū)鋼筋混凝土頂管的設(shè)計(jì)方法。

發(fā)明內(nèi)容

為實(shí)現(xiàn)上述目的，針對(duì)我國(guó)現(xiàn)有規(guī)范中鋼筋混凝土頂管管道受力模式的不足，本發(fā)明提供了一種適合軟土地區(qū)的鋼筋混凝土頂管施工中優(yōu)化管道設(shè)計(jì)的方法，通過(guò)地質(zhì)資料以及試驗(yàn)資料，確定工作區(qū)的土體參數(shù)，結(jié)合管道的尺寸，通過(guò)土壓力公式求出作用在所述管道的各方向上的土壓力，采用彈性中心法求出所述管道的各截面的內(nèi)力，并據(jù)此進(jìn)行所述管道的配筋設(shè)計(jì)。

較佳地，本發(fā)明的方法包括以下步驟：

第一步，充分收集工作區(qū)已有地質(zhì)資料，掌握?qǐng)龅氐耐馏w參數(shù)，所述土體參數(shù)包括：土質(zhì)的粘聚力c、內(nèi)摩擦角容重γ，根據(jù)施工方案，確定管道參數(shù)，所述管道參數(shù)包括：管頂至原狀地面埋置深度H_s、管道外徑D₁、壁厚t及自重G；

第二步，把第一步得到的所述土體及管道參數(shù)代入到各土壓力公式中，分別確定作用在所述管道上的垂直土壓力、側(cè)向土壓力和地基反力；

第三步，根據(jù)土壓力的分布模式及第二步中求得的各方向上的土壓力，采用彈性中心法計(jì)算出所述管道的各截面的所述內(nèi)力，包括截面的彎矩和軸力，其中，主要關(guān)注的截面為所述管道的頂部、底部及兩側(cè)位置；

第四步，根據(jù)第三步中得到的所述彎矩和所述軸力進(jìn)行所述管道的所述配筋設(shè)計(jì)。