浅谈顶管施工设计中的顶力计算

浅谈顶管施工设计中的顶力计算

在设计顶板材料时，屋顶材料的计算将直接影响钻头的设计、管道单元强度的确定、中继站的配置和屋顶设备的选择。目前，一些书籍和规范已给出了不同的理论公式，但应用条件尚不明确，不同公式的计算存在重大差异。因此,有必要明确各公式的适用条件,以提高设计的可靠性。1计算顶板和屋顶力的公式为1.1考虑土拱的土压力在采用顶管施工时管道所处的土层为稳定土层且厚度较大时,作用于管道上的土压力仅是其上部分高度的土柱重,即考虑土拱效应。此土柱的高度一般按照普罗托季扬宽诺夫公式或太沙基公式即隧道压力公式计算,其采用的前提条件都是土体必须具有一定的抗剪强度,即必须是稳定土层。顶管格局土荷载q=We+p(1)We=(γ-2cBe)Ce(2)Be=Bt(1+sin(45°-φ2)cos(45°-φ2))(3)Ce=1(2ΚμBe)×[1-e-(2ΚμBeΗ)](4)p=2Ρ′(1+i)B(a+2Ηtanθ)(5)We=(γ−2cBe)Ce(2)Be=Bt(1+sin(45°−φ2)cos(45°−φ2))(3)Ce=1(2KμBe)×[1−e−(2KμBeH)](4)p=2P′(1+i)B(a+2Htanθ)(5)式中We——顶管上方土的垂直荷载,kPaγ——土的单位体积的重力,kN/m3Be——管顶土的扰动宽度,mBt——挖掘的直径,Bt=Bc+0.1Ce——土的太沙基荷载系数K——土的太沙基侧向土压力系数,K=1μ——土的摩擦系数,μ=tanφp——地面的动荷载,kPaP′——汽车单只后轮荷载i——冲击系数(见表1)B——车身宽度,ma——车轮接地宽度,mθ——车轮分布角度,θ=45°初始推力及kn-2mw—②顶力计算公式一F=Fo+[(πBCq+W)×μ′+πBCC′]L(6)Fo=13.2πBC′N(7)式中F——总推力,kNFo——手掘式顶管初始推力,kNBC——管外径,mq——管周边均布荷载,kN/m2W——每米管的重力,kN/mμ′——管与土之间的摩擦系数,μ′=tanφ2μ′=tanφ2C′——管与土之间的粘着力,kPaL——推进长度,mBC′——掘进机外径,mN——土的标准贯入指数管与土的摩擦学行为在采用降水措施以后,挖掘面的土体稳定且能自立。手掘式顶管施工的推力计算公式:F=Fo+παBCτaL+Wμ′L(8)Fo=13.2πBCN′(9)τa=σμ′+C′(10)σ=βq(11)式中α——管与土的摩擦系数,α=0.50～0.75τa——管与土之间的剪切应力,kPaσ——管周边的均布荷载,kPaβ——管周边的荷载系数,β=1.0～1.5Fo——初始推力,kNN′——刃口贯入阻力系数,在普通粘性土中,N′=1.0;在砂性土和硬土中,N′则分别为2.5和3.0kpap—④顶力计算公式三普通泥水式顶管推力计算公式:F=Fo+πBCτaL(12)Fo=π4B2C(pe+pw+ΔΡ)(13)τa=C′+σ′μ′(14)σ′=α′q+2Wπ2(BC-t)(15)Fo=π4B2C(pe+pw+ΔP)(13)τa=C′+σ′μ′(14)σ′=α′q+2Wπ2(BC−t)(15)式中pe——挖掘面前土压力,pe=150kPapw——地下水的压力,kPaΔp——附加压力,一般为20kPaσ′——管子法向土压力,kPat——管壁厚度,mα′——管子法向土压力系数(见表2)kn/mz—⑤顶力计算公式四在一般的土压力平衡式顶管施工中,推力计算公式如下:F=Fo+foL(16)fo=μ′(πBCq+W)+πBCC′(17)Fo=π4αzpe′B2C(18)pe′=pA′+pW′+Δp′(19)Fo=π4αzpe′B2C(18)pe′=pA′+pW′+Δp′(19)式中fo——单位长度管子的综合阻力,kN/mαZ——综合系数(见表3)pe′——土仓内的压力,kPapA′——掘进所处土层的主动土压力,kPapW′——掘进所处土层的地下水压力,kPaΔp′——土仓的附加压力,kPa1.2不考虑拱效应的理论公式顶进计算数的公式2d]l+f20p《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB50286—97)公式:Ρ=fγD1[2Η+(2Η+D1)×tan2(45°-φ2)+ωγD1]L+ΡF(20)P=fγD1[2H+(2H+D1)×tan2(45°−φ2)+ωγD1]L+PF(20)式中P——计算的总顶力,kND1——管道的外径,mmH——管道顶部以上覆土厚度,mφ——管道所处土层的内摩擦角ω——管道单位长度的重力,kN/mL——管道的计算顶进长度,mf——顶进时管道表面与其周围土层之间的摩擦系数PF——顶进时工具管的迎面阻力,kN圆形管道的土压力系数王承德法基本假设为土压力只是正值,没有负值和地基反力纳入到土压力的范围;由此得出的圆形管道的顶力计算公式:Ρ=fγD1[π2(1+Κ1)×(Η+D12)-13D1(2+Κ1)+WγD1]L+ΡF(21)式中K1——主动土压力系数,Κ1=tan2(45°-φ2)式(21)是由《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB50286—97)公式对于圆形管道情况推导出来的,其计算结果更加经济。1.3经验公式knfo—①经验计算公式一手掘式顶管推进力的经验计算公式:F=Fo+R1SL(22)式中F——总推力,kNFo——初始推力(见表4),kNR1——综合摩擦阻力(见表4),kPaS——管外周长,mL——推进长度,m初始推力及knfo、knf—②经验计算公式二泥水平衡式顶管推进力的经验计算公式:F=Fo+foL(23)fo=R2S+Wf(24)式中Fo——初始推力[见式(13)],kNfo——单位长度管道与地层之间的综合摩擦阻力,kN/mR2——综合摩擦阻力(见表5),kPaW——每米管子的重力,kN/mf——管子重力在土中的摩擦系数,f=0.2顶力及顶管土系数北京地区稳定土层中采用手工掘进法顶进钢筋混凝土管道,管底高程以土层为稳定土层且覆盖土层的深度满足卸力拱的要求和允许超挖时,顶力可按下列条件进行计算。在亚粘土、粘土土层中,管道外径为1164～2100mm,管道长度为34～99m,当土为硬塑状态且覆盖土层的深度≥1.42D1、可塑状态、覆盖土层的深度≥1.80D1时,顶力计算公式如下:P=K粘(22D1-10)L(25)在粉砂、细砂、中砂、粗砂土层中,管道外径为1278～1870mm、管道长度为40～75m且覆盖土层的深度≥2.62D1时,顶力计算公式如下:P=K砂(34D1-21)L(26)式中P——计算顶力,kND1——管道外径,mK粘——粘性土系数,可取1.0～1.3,当土质条件较好、顶管技术比较熟练时取较低值,否则取较高值K砂——砂类土系数,可取1.0～1.5,当土质条件较好、顶管技术比较熟练时取较低值,否则取较高值浆顶管容量的确定上海结合本地区土质的条件,采用触变泥浆顶管的经验认为,顶力可按每平方米的管道外侧表面积为8～12kN计算,公式为:P=(8～12)πD1L(27)对于适用于从其计算顶力的土层的可扩张性,其计算结果时的计算经验公式一(手掘式顶管)和经验公式二(泥水平衡式顶管)具有很广泛的适用性,其计算结果大于余彬泉法顶力计算公式的计算结果,对于具有自支撑能力的粘性土层,在没有准确资料或相关经验的情况下,建议采取经验公式进行顶管顶力计算。1.4knf2—何莲法该计算方法适用于软土地区地下水位以下采用土压平衡和泥水平衡的钢筋混凝土管的顶力计算。P=K′(PF+F2)(28)PF=γ(H+D1/2)KoπD21/4(29)F2=πDLf(采用触变泥浆)(30)F2=1/2DLμ(P1+P2)+μWL(无润滑剂)(31)式中P——总顶力,kNPF——迎面阻力,kNF2——管道摩阻力,kNK′——安全系数,可取1.0～2.5,对于非粘性土K=1.5～2.5,对于粘性土K=1.0～1.5Ko——静止土压力系数,与土的性质有很大的关系,粘性土中取0.33～0.70;也可按公式Ko=1-sinφ计算D1、D——管道外径,mH——管顶覆土高度,mf——单位面积管壁与土的平均摩阻力;对于软土地区当L≤100m时,f=50L-0.5kN/m2;L>100m时,f=2～5kN/m2;其他地区可乘以相应的系数μ——土的摩擦系数,μ=tanφP1——垂直土压力,kN/m2P2——管道水平土压力,kN/m22顶管顶管承载力计算结果在笔者所参与的多项顶管工程中,选取出两种土样进行顶管顶力计算并加以比较。例1:云南昆明地区某工程在粘性土层中进行顶管施工(不考虑地下水和地面动荷载的作用),混凝土管直径为1500mm,管壁厚为150mm,每米管的重力为19.44kN/m,γ=18.5kN/m3,土内摩擦角φ=5.5°,土内聚力C=14kPa,土的标准贯入值N=3.5,覆土深度H=8m,管与土的摩擦系数μ′=0.75,管与土的粘着力C′=0.5kPa,刃口贯入阻力系数N′=1.0,管周边的载荷系数β=1.5,管子法向土压力系数α′=1.0,综合系数αZ=1.5,综合摩擦阻力R1=8kPa,顶进时管道表面与其周围土层之间的摩擦系数f=0.25。计算结果见表6。例2:北京地区某工程在砂性土层中进行顶管施工(不考虑地下水和地面动荷载的作用),混凝土管直径为1000mm,管壁厚为100mm,每米管的重力为17.67kN/m,γ=18kN/m3,土内摩擦角φ=29°,土内聚力C=11kPa,土的标准贯入值N=7,覆土深度H=5.5m,管与土的摩擦系数μ′=0.75,管与土的粘着力C′=0kPa,刃口贯入阻力系数N′=2.5,管周边的载荷系数β=1.5,管子法向土压力取值范围α′=1.1,综合系数αZ=2.0,综合摩擦阻力R1=8kPa,顶进时管道表面与其周围土层之间的摩擦系数f=0.35,K砂=1.5。计算结果见表7。由以上计算结果发现,顶管顶进力和顶进土层土体的性状、顶管上覆土厚度、顶管的管径、顶进长度及注浆润滑措施有直接关系。未考虑土拱效应公式的计算结果大于考虑土拱效果的计算结果,甚至远大于经验公式的计算结果。对于无粘性土土层的顶管顶力计算,可采用不考虑土拱效应的计算公式;其中GB50286—97规范公式计算结果适用性较广,适用于各种断面型式的管沟;对于圆形顶管,采用王承德法圆形管道的顶力计算公式更加经济。对于粘性土地层的顶管顶力计算,由于土层具有自支撑能力,应采用考虑土拱效应的计算公式或经验公式;经验公式的计算结果大于余彬泉法顶力计算公式的计算结果,在粘性土地层中可优先考虑使用;对于采取注浆润滑措施或在软土地区地下水位以下的顶管施工,顶力会进一步减小,以上公式应根据实际经验选取合理的修正参数,以确保工程的安全性和经济性。3顶力计算公式或经验公式①《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB50286—97)中的顶管顶力计算公式的计算结果比较保守,尤其对于粘性土地层其计算结果要大许多,建议对于无粘性土地层采用王承德法顶力计算公式,对于粘性土地层可根据实际情况采用余彬泉法顶力计算公式或经验公式,以确保工程的经济性。②经验公式的计算结果大于余彬泉法顶力计算公式的计算结果,在粘性