某顶管工程土压力值设定、总推力估算及中继间设置计算实例

某顶管工程土压力值设定、总推力估算及中继间设置计算实例一、工程简述本工程共有3个顶程共计1803.9m的顶管施工，管径均为DN3500，三根顶管均穿越围垦新大堤顶入长江入海口。管材均为DN3500钢承口式钢筋混凝土管，采用“F“型钢承口式钢筋砼管，钢套环接口，楔型＋半圆型两道橡胶圈密封。二、顶管主要工程内容（1）1#排海管全长L=853.8m，设置6根DN1300上升管（管内壁7.8cm钢筋混凝土、外壁2.2cm钢管），每根上升管设置喷头，喷头处分二层设置12个DN340喷头。在扩散段处设置抛石护底，尺寸120.0m×20.0m，厚1m。（2）2#排海管全长L=746.3m，设置6根DN1300上升管（管内壁7.8cm钢筋混凝土、外壁2.2cm钢管），每根上升管设置喷头，喷头处分二层设置12个DN340喷头。在扩散段处设置抛石护底，尺寸120.0m×20.0m，厚1m。（3）应急排放管L=203.8m，设置4根DN1600上升管，每根上升管设置橡胶鸭嘴阀。在扩散段处设置抛石护底，尺寸50.0m×20.0m，厚1m。三、地质情况根据地质资料，顶管施工的主要土层为②3粉性土、③灰色淤泥质粉质粘土、④灰色淤泥质粘土。详见附图01《1#排海管地质剖面图》、附图02《2#排海管、应急排海管地质剖面图》。第②3层为粉性土，在动水压力的作用下易产生流砂现象；顶管过程中在软硬界面易使管道产生偏离，对顶管是不利的因素。第③层灰色淤泥质粉质粘土：该层分布、层位及厚度变化较小，整体均匀性较差。其土的物理力学性质较差，以流塑状为主，土质软，高压缩性。第④层灰色淤泥质粘土：该层分布、层位及厚度变化较小，整体均匀性较好。其土的物理力学性质较差，以流塑状为主，土质软，高压缩性。1#排海管管顶覆土深度为6.3m～10.33m，覆土最浅处位于顶管完成后的工具管位置；2#排海管管顶覆土深度为6.0m～10.33m，覆土最浅处位于顶管出海后260m的位置；应急排放管管顶覆土深度为4.84m～10.33m，覆土最浅处位于顶管完成后的工具管位置；计算：1#排海管全长L=853.6m，2#排海管全长L=746.3m，应急排管全长L=203.8m，1#、2#排海管埋设深度为管中心标高为-8.00～-18.00m，应急排管埋设深度为管中心标高-8.00～-10.00m。4.1、泥水压力设定泥水压力设定、总推力估算、1#排海管泥水压力设定：本工程地下水位为浅部土层潜水水位，随着季节、气候等影响而变化，根据地质资料反映，设计时地下水水位埋深可按0m考虑。泥水舱内压力大于地下水压力，泥水舱泥水向地层空隙渗透，在泥水舱、泥水于土层之间形成泥膜，且泥水舱压力托住土层，使切削面稳定不塌陷。P≥PW+ΔP式中：P-----表示泥水舱管道基准面泥浆压力；PW----表示相对于管道基准面地下水压力；ΔP---表示泥水舱建立高于地下水压力，一般设为20Kpa；管中心最大埋深标高：-18m；地下水位设计考虑标高水位：0m；地下水位相对管底基准面水头:HW=18m;地下水位相对管底压力：PW＝HW*γ水=180Kpa；泥水舱压力：P≥PW+ΔP＝180Kpa＋20Kpa＝200Kpa泥水舱压设定暂按P≥200Kpa，施工时要随时测地下水位，当地下水位提高时，要按上式公式及时调整泥水舱泥水压力。对泥水舱压力控制在顶管机泥舱设有压力传感器。顶管总推力值估算如下：掘进机迎面阻力F0F1=D2Pmax=×4.142×200=2652.3KN管道的综合阻力F1F2=μπDL=3×π×4.14×853.8=33297.18KN总推力FF=F1+F2=35950KN本标段高位井所能承受的最大顶力为12000KN，根据计算该顶程须要设置中继间。、2#排海管泥水压力设定：管中心最大埋深标高：-18m；地下水位设计考虑标高水位：0m；地下水位相对管底基准面水头:HW=18m;地下水位相对管底压力：PW＝HW*γ水=180Kpa；泥水舱压力：P≥PW+ΔP＝180Kpa＋20Kpa＝200Kpa泥水舱压设定暂按P≥200Kpa，施工时要随时测地下水位，当地下水位提高时，要按上式公式及时调整泥水舱泥水压力。对泥水舱压力控制在顶管机泥舱设有压力传感器。顶管总推力值估算如下：掘进机迎面阻力F1F1=D2Pmax=×4.142×200=2652.3KN管道的综合阻力F1F2=μπDL=3×π×4.14×746.3=29104.8KN总推力FF=F1+F2=31757.1KN本标段高位井所能承受的最大顶力为12000KN，根据计算该顶程须要设置中继间。、应急排管顶管泥水压力设定：管中心最大埋深标高：-10m；地下水位设计考虑标高水位：0m；地下水位相对管底基准面水头:HW=10m;地下水位相对管底压力：PW＝HW*γ水=100Kpa；泥水舱压力：P≥PW+ΔP＝100Kpa＋20Kpa＝120Kpa泥水舱压设定暂按P≥120Kpa，施工时要随时测地下水位，当地下水位提高时，要按上式公式及时调整泥水舱泥水压力。对泥水舱压力控制在顶管机泥舱设有压力传感器。顶管总推力值估算如下：掘进机迎面阻力F0F1=D2Pmax=×4.142×120=1615.4KN管道的综合阻力F1F2=μπDL=3×π×4.14×203.8=7948KN总推力FF=F1+F2=9563KN本标段高位井所能承受的最大顶力为12000KN，根据计算该顶程无须设置中继间。4.2、顶力控制与中继环设置、1#排海管中继间的设置估算在综合分析了主顶液压装置，中继间的最大推力，管子允许的轴向力以及沉井后座最大土抗力以后，我们先确定控制顶力F控＝1200t顶进阻力由二部分组成F=F1+F2；工具管迎面阻力为：F1=265.23t管道周边摩阻力F2=π×D×L×fD---管外径L---顶进长度f---单位面积周边阻力。在1号中继环以前，取f=1.2t/m2，在1号中继环以后，取f=0.6t/m2，2号中继环以后，取f=0.4t/m2这样可得：L1=[(F控-F1)]/πDf＝(1200-265.23)/（π×4.14×1.2）=60m对1号中继环以后的长度L2L2=F控/πDf=1200/（π×4.14×0.8）=155m对2号中继环以后的长度L3L3=F控/πDf=1200/(π×4.14×0.4)=230m对3号中继环以后的长度L4L4=F控/πDf=1200/(π×4.14×0.4)=230m顶力控制的关键是最大限度地降低顶进阻力，而降低顶进阻力最有效方法是注浆。我们设想在管外壁与土层之间形成一条完整的环状的泥浆润滑套，变原来的干摩擦状态为液体摩擦状态。这样就可以大大地减少顶进阻力。要达到这一目的，就必须严格执行顶管注浆操作规程，由专人操作，质量员检查严格把好质量关。结合我公司多年施工经验，采取必要减摩措施，对中继间进行合理调整后，中继环的设置计划如下：1#排海管：L1＝30m，L2＝150m，L3＝200m，L4＝230m，共需4套中继环。（L1指1号中继环以前的长度，L2指1号中继环以后的长度，L3指3号中继环以后的长度，L4指最后一段长度）。、2#排海管中继间的设置估算L1=[(F控-F1)]/πDf＝(1200-265.23)/π×4.14×1.2=60m对1号中继环以后的长度L2L2=F控/πDf=1200/π×4.14×0.6=155m对2号中继环以后的长度L3L3=F控/πDf=1200/π×4.14×0.4=230m考虑到曲线顶管的影响，经调整后，中继环的设置计划如下：2#排海管：L1＝30m，L2＝150m，L3＝230m，共需3套中继环。（L1指1号中继环以前的长度，L2指1号中继环以后的长度，L3指指最后一段长度）。、中继环设计为提高工程的可靠性，每套中继环安装25只800KN单作用油缸，总推力20000KN，油缸行程为300mm，由于中继环的实际总推力是顶进阻力引起的，所以在正常顶进条件下，中继环液压系统工作压力较低，设备故障率小，可靠性高。中继环的结构形式是经过立车切削加工的，尺寸精度高。由于中继间启动伸缩次数很多。密封圈极易磨损失效而发生漏水、漏泥砂、漏浆等现象，给工程带来严重后果，甚至发生工程