大口径双排平行顶管在京广高铁某段堰塞湖治理中的设计应用研究

摘要：高铁桥下堰塞湖若处置不当会造成严重的安全问题。以长沙市雨花区京广高铁某段堰塞湖治理为例，通过多方案比选，选择了2根d2400大口径双排平行顶管的设计处置方案。对大口径双排平行顶管的主要设计参数：中心间距、纵距、顶力、管道允许顶力等进行了详细计算，根据计算结果进行了科学合理的方案设计，工程实施后效果显著，可为今后类似堰塞湖工程的处置提供参考。

关键词：堰塞湖；平行顶管；大口径

中图分类号：ＴＵ９９０．３        文献标志码：A      文章编号：

0 引言

堰塞湖的形成原因复杂且治理难度大，往往受到交通中断、周边地形地质复杂、施工周期短等条件制约，一旦处置不当将造成灾难性的后果[1]。

顶管法是一种极为常用的排水管道暗挖施工方式，展现出独特优势与重要价值。在土方工程量方面，大幅减少了开挖量，极大程度节约了人力、物力与时间成本。在施工用地方面，仅需在工作坑和接收坑处占用少量地面空间。从环境影响角度，由于施工在地下进行，地面日常活动受干扰极小。

1 堰塞湖概况

1.1 堰塞湖现状

本次治理堰塞湖位于长沙市雨花区，有两处堰塞湖（见图1），堰塞湖1水面面积约为54580㎡，上方为京广高铁某特大桥和沪昆高铁某大桥，测量水位标高为84.3m，现状底标高最低约为79.5m，平均水深约4.0m，总水量约218320立方米；堰塞湖2水面面积约为10345㎡，上方为京广高铁某大桥，测量水位标高为82.25m，现状底标高最低约为78.5m，平均水深约3.0m，总水量约31035立方米。

图1 堰塞湖区位图

1.2 堰塞湖形成原因

堰塞湖的形成原因往往很复杂，主要分为2种：

①自然因素：河流流域内发生地震或其他自然灾害造成山体崩塌滑坡或出现泥石流等物质使原有水系被堵住；

②人为因素：人为改变地势导致排水不畅形成的，蓄水达到一定程度便形成堰塞湖。

京广高铁某段堰塞湖形成主要原因是由于西侧地块开发建设厂区，厂区在建设过程将大量堆土填至厂区周边，截断了原自然水系，导致京广和沪昆高铁桥下形成了局部的堰塞湖。

经调查京广高铁既有桥墩桩基为摩擦桩，桩周土体及既有桥墩长期浸泡在水中，对既有高铁线路的运营存在较大安全隐患，急需通过工程措施尽快排干堰塞湖内积水。

2 系统治理方案比选

2.1 堰塞湖处置方案分类

常见的堰塞湖处置方案有以下几种：

①水泵抽排

在堰塞湖蓄水量不多的情况下，可考虑设置抽水泵或虹吸管进行排水。湖水抽排措施是降低堰塞湖水位最为简便且有效的手段之一[2]。

②开挖排水通道

在有条件的地方开挖排水通道也是处置堰塞湖的常用方式之一[1]，开挖合适的排水通道可以迅速将堰塞湖内积水排干。

③实施顶管工程

顶管工程是常见的排水措施之一，顶管法施工在管道和通道建设过程中可降低对地表和地下环境的影响破坏[3]。

2.2 堰塞湖处置方案比选

常见的堰塞湖处置方式对比见下表1。

表1 堰塞湖处置方案比选

2.3 本工程堰塞湖处置方案的确定

本工程堰塞湖周边水系为圭塘河，距离本项目超过2公里，采用水泵抽排压力管长度太长，抽水速度慢，需人员长期进行管理。本工程堰塞湖周边填土高度超过10m，开挖排水通道土方量太大，造价太高。综合比较，选用顶管工程新建永久排水管道，既可快速排除现状堰塞湖内积水，也可满足降雨时期的排水需求，一劳永逸的解决堰塞湖排水问题。

根据堰塞湖汇水范围，采用长沙市暴雨强度公式计算设计流量26240.90L/s，采用2根d2400钢筋混凝土管可满足排水要求，计算结果见表2。

表2 堰塞湖水力计算表

根据现场实际情况，采用2根d2400钢筋混凝土管泥水平衡双排平行顶管设计方案。

3 顶管工作井及接收井布置

工作井、接收井布置应遵循以下原则：①本工程为高铁堰塞湖应急处置工程，应确保施工进度；②本工程今后利用为永久性保留管道，应结合城市发展需求；③尽量避开高铁线路、厂区、其他市政管线等设施；④应交通方便，便于顶管机械设备的进出场。按上述原则，本次堰塞湖处置工程共设8座工作井、10座接收井，分段长度最长120m，最短80m。工作井采用双排顶管共用一座工作井，接收井同样采用共用一座接收井。

4 平行顶管设计参数

4.1 管中心间距

双排顶管管中心间距主要是指平行顶道的两管中心之间的最小距离，是确定管道平面位置的最重要的参数。在双排顶管过程中，采用先后顺序分开顶管，后行顶管在顶进过程中将会使先行顶管现状土体发生扰动，周边土体的受力发生变化。管中心间距与两管之间的相互作用成负相关，管中心间距越大，两管之间的影响程度越小，但管中心间距越大所设置的工作坑和接受坑也越大，顶管需要的平面空间也越大。而管中心间距越小，两管之前的扰动越大，安全性越差。因此选择最合适的双排顶管间距非常重要（见图2）。

图2 双排顶管横向安全示意图

式中：

Be——管顶土体扰动宽度（m）；

D0——掘进机外径（m），本工程顶管管径d2400，掘进机外径D0＝2.88m；

D——掘进机等效外径（m），泥水平衡式顶管：D＝D0+0.5，本工程掘进机等效外径D＝2.88+0.5=3.38m；

φ——土的内摩擦角（°），结合本工程地勘资料分析，内摩擦角φ为18°；

L——双排顶管中心距（m）；

根据以上公式及参数计算Be=6.63m。双排顶管中心距L≥Be=6.63m，取L=6.7m。

4.2 错位纵距控制

为减少平行双排顶管直接的干扰已经管道之前土体的扰动，需合理确定双排平行顶管之间的纵向间距，采用以下的力学简化模式来估算前后纵距Lmin（见图3）[4]。

图3 纵向安全示意图

式中：

Lmin——双排管前后纵距的最小值（m）；

d——纵向影响距离（m）；

H——前方工具管管长（m）；

ϒ——由土质性质决定的系数，一般取1.5~2.0；

D0——工具管外径（m）；

φ——土的内摩擦角（°）；

Pp、P0——土的被动土压力、静止土压力（kPa）。

根据上式，相应推算出本工程顶管前后纵距为15.8m，实际取Lmin =18m。

4.3 顶力计算

根据地勘报告，本段顶管位于强风化泥质粉砂岩（E）④：红褐色-灰褐色，干，泥砂质结构，中厚层状构造，岩体破碎呈块状或短柱状，裂隙较发育，用手可折断，略具崩解性，无膨胀性，岩体基本质量等级为V级，岩石质量指标RQD值为30左右，属极软岩。

设计排水管采用d2400级钢筋混凝土顶管。顶管的顶力可按下式计算：

式中：

F0——总顶力标准值，kN；

D1——管道的外径，d2400级钢筋混凝土顶管外径为2.88m；

L——管道的计算顶进长度，m；取最长段120m；

fk——管道外壁与土的平均摩擦阻力（kN/m2），本次顶管主要位于强风化泥质粉砂岩，混凝土管取8；

NF——顶进时顶管掘进机的迎面阻力(kN)，取1000；

计算可得，d2400 钢筋混凝土顶管顶力F0=9681.472kN。

4.4管道允许顶力计算

混凝土管道允许顶力计算公式参考下式计算[5]：

式中：

Fdc——混凝土管道允许顶力设计值（N）；

ɸ1——混凝土材料受压强度折减系数，可取0.90；

ɸ2——混凝土偏心受压强度提高系数，可取1.05；

ɸ3——材料脆性系数，可取0.85；

ɸ5——混凝土强度标准调整系数，可取0.79；

fc——混凝土受压强度设计值（N/mm2），C50混凝土取32.4N/mm2；

Ap——管道的最小有效传力面积（mm2），d2400钢筋混凝土管计算为950000mm2；

ϒQd——顶力分项系数，可取1.3；

计算可得Fdc=12037.018KN＞F0=9681.472KN，管道允许顶力满足要求。

5 结语

本工程采用的大口径双排平行顶管设计方案，在项目实施完成后，有效的解决了京广高铁某段堰塞湖积水问题。本次设计研究对大口径双排平行顶管的管中心间距、纵距、顶力、管道允许顶力等参数进行了详细计算，根据参数计算结果确定了合理的设计方案，为类似工程在设计阶段的应用研究提供了成功的案例，具有一定的参考价值。

参考文献：

[1]徐轶,蔡耀军,任翔,等.堰塞湖应急处置方案评价方法及决策模型研究[J].水利水电快报,2021,42(12):107-113.

[2]徐轶，何良金，张丽霞.堰塞湖应急处置工程措施及典型案例分析[J].水利水电快报,2021,42(3):49-54.

[3]彭立敏,王哲,叶艺超,等.矩形顶管技术发展与研究现状[J].隧道建设,2015,35(01):1-8.

[4]黄志远.平行顶管相互影响关系研究[D].北京:中国地质大学,2017.

[5]李梓文.淤泥质粉质黏土层顶管施工验算及技术措施[J].城市建筑,2020,17(356): 128-129.

Study on the design and application of large-diameter double-row parallel pipe jacking in the treatment of barrier lakes in a section of the Beijing-Guangzhou High-speed Railway

YAN Zheng

(Hunan University Design & Research Institute Co. Ltd., Changsha 410000, China)

Abstract: If the barrier lake under the high-speed rail bridge is not handled properly, it will cause serious safety problems. Taking the treatment of a barrier lake in a section of the Beijing-Guangzhou high-speed railway in Changsha City as an example, through the comparison and selection of multiple schemes, the design and disposal scheme of two large diameter double-row parallel jacking pipes with d2400 was selected. The main design parameters of large diameter double row parallel pipe jacking are calculated in detail, such as center distance, longitudinal distance, jacking force, allowable jacking force of pipeline, etc. According to the calculation results, a scientific and reasonable scheme design is carried out. After the project is implemented, the effect is remarkable, which can provide reference for the disposal of similar barrier lake projects in the future.

Keywords: barrier lake; parallel pipe jacking; large caliber

作者简介：

严政（1987年8月），男，湖南岳阳，硕士，高级工程师，从事市政给排水、水环境治理等方面的设计研究工作，（417889041@qq.com）。