中粗砂地层中顶管顶进力计算分析

２０１２年第３９卷第７期　探矿工程（岩土钻掘工程）　３７　中粗砂地层中顶管顶进力计算分析　白建市，贾志献，肖长波　（中国地质大学（武汉）工程学院，湖北武汉４３００７４）　摘　要：以长春市伊通河排水管网改造工程为例，通过现场实测中粗砂地层条件下采用泥水平衡顶管顶进过程中　顶进力的变化情况，系统研究了影响顶进力的因素及其变化规律，并对顶进力的计算进行了理论分析，与实际顶进　力进行了对比，最后运用Ｍａｔｌａｂ软件对实测数据进行数值分析，得出在该地质条件下的泥水平衡顶管摩阻力和顶　进力计算公式。　关键词：中粗砂地层；顶管；顶进力；摩阻力　中图分类号：Ｐ６３４　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—７４２８（２０１２）０７—００３７—０４　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｊａｃｋｉｎｇ　Ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　Ｐｉｐｅ－ｊａｃｋｉｎｇ　ｉｎ　Ｍｅｄｉｕｍ　Ｃｏａｒｓｅ　Ｓａｎｄ　Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ／ＢＡｌ　Ｊｉａｎ—ｓｈｉ，ＪＩＡ　Ｚｈｉ—ｘｉａｎ，ＸＩＡ０　Ｃｈａｎｇ—ｂｏ（Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ　Ｈｕｂｅｉ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｅ　ｔｈｅ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｏｆ　Ｙｉｔｏｎｇ　Ｒｉｖｅｒ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ　ｉｎ　Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｊａｃｋｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｉｎ　ｊａｃｋｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｓｌｕｒｒｙ　ｂａｌａｎｃｅ　ｐｉｐｅ　ｊａｃｋｉｎｇ　ｉｎ　ｍｅｄｉｕｍ　ｃｏａｒｓｅ　ｓａｎｄ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ，　ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｊａｃｋｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｈａｎ￣ｎｇ　ｕｌｒｅ　ｗｅｒｅ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ　ｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｊａｃｋｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｄａｔａ，ｆｉｎａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｄａｔａ　ｗｅｒｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｗｉｔｈ　Ｍａｔｌａｂ　ｓｏｆｔｗａｒｅ，　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒｍｕｌａｓ　ｏｆ　ｊａｃｋｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｅｄｉｕｍ　ｃｏａｒｓｅ　ｓａｎｄ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｄｅｄｕｃｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｅｄｉｕｍ　ｃｏａｒｓｅ　ｓａｎｄ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｐｉｐｅ　ｊａｃｋｉｎｇ；ｊａｃｋｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ；ｆｒｉｃｔｉｏｎ　０　引言　在经典土力学的基础上，引入了诸多简化假定，未考　虑触变泥浆润滑引起的管土摩擦系数的折减，所得　结果比实际值大很多。另外，由于影响顶管顶进力　大小的因素较多，不同地区地质条件也有较大的差　随着城市建设的发展，顶管施工技术在地下管　道铺设中的应用日益增多。但对该项技术的理论研　究还相对滞后，相关设计规范给出的理论公式应用　到具体工程中产生的偏差较大。所以，有必要加强　对该项技术的理论研究，以更好地指导工程实践。　１　顶进力计算存在的问题　异，顶管顶进力的变化情况不尽相同，即使是同一地　区，同一管段的顶进力变化差异也很大。所以很多　经验公式都只能适用于特定的条件，如某种土质、一　定的顶进长度、管径范围等－－　。　顶进力是顶管施工中的最为关键的因素，顶进　（２）在各公式中，摩阻力均采用定值进行计算，　而实际因土层和触变泥浆及管壁的相互作用，在顶　进过程中，摩阻力随着顶距的增大是不断变化的。　（３）大多数公式未考虑管线偏差、地层变化及　地下水位的影响。这样导致顶进力计算差异很大。　本文结合长春市伊通河排水官网改造工程，研　究影响顶进力的因素及其变化规律，提出中粗砂地　层条件下的泥水平衡顶管摩阻力和顶进力计算公　式。　２工程概况　力的计算直接影响着工作井后背墙的设计和管节强　度的要求以及中继站的设计和设置。特别是在长距　离顶管施工中，顶进力计算的不准确会直接导致中　继站的数量设置过多或过少，过多则造成人力物力　大量浪费；过少则造成顶进力不足，或超过管材的强　度引起管节受损，或超过后背墙设计受力极限，墙体　剪切破坏而变形失稳，影响工程的顺利进行甚至导　致工程失败。　国内外在顶管顶进力计算方面进行了大量研　究，得出了许多理论公式、半经验公式和经验公式。　对这些公式进行分析后发现存在以下几个问题。　（１）各公式计算偏差很大。理论公式大多建立　收稿日期：２０１２—０３—２４；修回日期：２０１２—０６一Ｉ１　现场测试主要针对其中６段顶管进行，各段具　体情况如表１、表２所示。　作者简介：白建市（１９８８一），男（汉族），河南禹州人，中国地质大学（武汉）在读硕士研究生，地质工程专业，主要从事非开挖工程理论与技术相　关方面的研究工作，湖北省武汉市鲁磨路３８８号中国地质大学（武汉）工程学院硕１２０１０１３信箱，ｂａｉｊｉａｎｓｈｉ＠１６３．ｃｏｍ；贾志献（１９８６一），男（汉族），　河南新乡人，中国地质大学（武汉）在读硕士研究生，地质工程专业，主要从事非开挖工程理论与技术相关方面的研究工作，２８５６８９０２７＠ｑｑ．ｅｏｍ。　３８　层号一●２　３　４　５　６　７　探矿工程（岩土钻掘工程）　２０１２年第３９卷第７期　表１　各顶管段现场基本情况　地基（岩）土　称／（ｋＮ重度粘聚力标－ｍ一　）　？￣／ｋＰａ　内　尹　人工土　１７．８　２０．３　１３．７　粉质粘ｆ　１８．４　２５．１　１１．３　有机质粉质粘土　１８．５　２３．９　１１．０　细砂　（１９．０）　（０）　（２８．０）　巾粗砂　（１９．５）　（０）　（３３．５）　伞风化粉砂质泥岩　强风化粉砂质泥岩　３现场测试及结果分析　３．１现场测试内容　对现场各段顶管顶进过程进行全程测定，内容　如下：　（１）根据千斤顶压力表的读数记录各管段顶进　过程中顶进力的变化情况，并绘制出顶进力顶距变　化曲线图（见图１）；　Ｊ　』　／，¨　图１　Ｏ１、Ｏ２段顶管实测顶进力曲线　（２）通过顶管机舱内的土压力表读数测定掘进　面土压力随顶进力的变化关系；　（３）通过全站仪和经纬仪测定顶进过程中管线　的水平和高程偏差情况；　（４）通过泥浆泵的读数测定顶进过程中的注浆　量和注浆压力变化情况；　（５）每隔一定距离进行土体取样，分析穿越地　层土质的变化情况（含水量、含砂量、土的重度、土　的内摩擦角等）。　３．２测试结果分析　综合该工程的工程地质条件和现场测试结果进　行分析，总结出顶管施工中影响顶进力的主要因素　有如下几个方面。　（１）地层条件和地下水的影响。顶进过程中地　层的变化对顶进力的影响是非常明显的。穿越的地　层不同，作用在刀盘或工作仓的水、土压力也不一　样，导致迎面贯入阻力也不同。另外，不同类型地层　和同类型管管壁之间的摩阻力往往差别也很大。　在地下水位以下地层中进行顶管施工时，地下　水位的变化，必然会引起作用于管壁和掘进面上正　压力的变化而导致管壁侧摩阻力和迎面贯入阻力的　变化。　（２）管道直径和外表面状况的影响。根据实测　顶进力变化情况，将相同条件下不同管径的顶进力　进行比较发现，顶进力随着管径的增大而呈线性上　升趋势，管径愈大，顶进力愈大。　另外，管道外表面材质的粗糙程度、管接头的平　滑与否以及管道润滑涂层的减阻性能对顶进摩阻力　都会产生很大的影响。　（３）注浆的影响。注浆减摩是顶管工程中非常　重要的一个环节，尤其在长距离顶管中，注浆效果的　好坏，直接关系到顶管施工的成败　。　注浆对顶进力的影响主要体现在泥浆的质量、　注浆压力的控制和泥浆套的完整性上。若泥浆的配　比选取不合理、搅拌不充分或者静置时间不足，则泥　浆的减阻性能就得不到充分发挥。若进出洞口时未　采取有效的密封措施或顶进过程中产生泥浆漏失，　又不及时补浆，则不能形成完整泥浆套而使顶进力　增大。注浆压力越大，作用在管壁上的压力相应增　加，摩阻力也就越大；注浆压力过小，由于地下水压　力的存在使得泥浆不能有效扩散到顶管周围形成完　整泥浆套，则管道侧面阻力会增大＿３ｊ。　（４）顶进中断的影响。顶进过程中中断时间过　长，重新启动顶进力会增大。由于停顿时间长，管壁　四周松土坍落在管壁上将管道抱死，同时触变泥浆　中水分也会离析出来，失去减阻支承作用，导致顶进　阻力增大。该工程四标段一段顶管在顶进过程中遇　到障碍物，清除障碍物（１０天后）重新启动后顶进力　达到９７００　ｋＮ，但是在顶进２　ｍ之后，顶进力下降到　了４５００　ｋＮ。　（５）管线偏差的影响。由于在顶进过程中会不　断出现管线偏差，需要经常纠偏，纠偏过多时因阻力　增加也会使顶进力增大。一般在进出洞口处，管线　２０１２年第３９卷第７期　探矿工程（岩土钻掘工程）　３９　偏差较大，纠偏次数也较多，顶进力增加很大　。　从图１中可以看出，在顶进力曲线的两端顶进力变　考虑的顶进力大小，并且与现场实测数据对比也发　现是不准确的。　化较剧烈。　４顶进力计算分析　顶进过程中，管道的受力情况如图２所示。　图２管道受力分析图　总顶进力计算的理论公式为：　Ｒｆ＝Ｋ［　（２Ｐｖ＋２ＰＨ＋Ｐ２）＋Ｐ１］　（１）　式中：　——顶进力，ｋＮ；Ｋ——安全系数；　——管　壁与土间的摩擦系数；Ｐ　——管顶上的垂直土压　力，ｋＮ；ＪＰ　——管侧的侧土压力，ｋＮ；Ｐ　——全部顶　进的管段重力，ｋＮ；尸　——管端部的贯人阻力，ｋＮ。　考虑到地下水位的影响，作用在管道上的垂直　压力计算采用文献［５］中给出的公式：　Ｐｖ＝Ｌ［ｙｈ１＋（Ｙ—　）ｈ　＋　ｈ　］　（２）　Ｐ　＝　［日＋（Ｄ外／２）］Ｄ外Ｌｔａｎ　［４５。一（　／２）］（３）　Ｐ　＝ＧＬ　（４）　Ｐ】＝（订／４）Ｄ外。ＴＨ　（５）　式中：　——土的容重，ｋＮ／ｍ　；ｈ　——地下水位以上　覆土厚度，ｍ；　——水的容重，ｋＮ／ｍ。；ｈｗ——管道　顶面至地下水位的高度，ｍ；日——管顶覆土深度，　ｍ；Ｄ外——管道外径，ｍ；　——土的内摩擦角，（。）；　Ｇ——管道单位长度质量，ｔ／ｍ；，Ｊ——管道顶进长　度，ｍ；Ｄ内——管道内径，ｍ。　以０１段顶管顶进ＤＮ２４００钢筋混凝土管道为　例：顶进地层为中粗砂，Ｇ＝４．６６　ｔ／ｍ；Ｈ＝７　ｍ；ｈ．＝４　ｍ；　＝３３．５。；Ｋ＝１．２；　＝０．４０；Ｄ外＝２．８６　ｍ；Ｄ内＝　２．４０　ｍ。　将数据代入公式（１）～（５）进行计算可得出：　Ｒ　＝２７６．７６８Ｌ＋１０２４．８　ｋＮ　（６）　从公式（６）可以得知，在顶进至７０　ｍ左右顶进　力已经超过了２００００　ｋＮ，并且增长的速度没有变　化。显然该顶进力远远超过了顶管工作井设计时所　５顶进力计算的数值模拟　显然，用公式（１）～（５）进行顶进力的计算未考　虑注浆润滑作用引起的管土摩擦系数的折减，导致　计算结果与工程实际相差较大。在进行长距离顶管　时，通常需要采取注浆减阻措施以达到减小侧摩阻　力的作用。在考虑注浆减阻条件下，顶进力可以按　照以下公式进行计算　Ｊ：　Ｒｆ＝Ｋ（Ｆ＋Ｐ１）　（７）　Ｆ＝ｗＤ外ｚｆ　（８）　式中：Ｆ——侧摩阻力，ｋＮ；卜单位面积管壁与土　的平均摩阻力，ｋＮ／ｍ　，根据中粗砂地层顶管施工经　验，一般取７～１６　ｋＮ／ｍ　。　在现场数据收集的基础上，把实测顶进力数据　代人公式：　ｉｘ（Ｒｆ一　１）／（ＫｗＤ外Ｌ）　算出各段的单位面积摩擦力随顶距的变化情　况，作出厂与顶距，Ｊ的关系曲线，并采用ｍａｔｌａｂ数值　分析方法进行曲线拟合，得出．厂一　曲线的拟合曲线　和拟合方程。　鉴于篇幅有限，仅对该工程Ｏ１、０２两段实测顶　进力数据进行分析，结果如图３、图４所示。　０１段摩阻力与顶距关系曲线的拟合方程为　＝　４５．１２６４Ｌ一。　船：　０２段摩阻力与顶距关系曲线的拟合方程为　＝　４５．０７８２Ｌ一。　∞　结果分析：　（１）顶进初始阶段，泥浆注入量较少，减摩效果　不明显，摩阻力较大，但随着顶进距离的增大，泥浆　套逐渐形成，注浆减摩的效果逐渐显示出来，单位面　积摩阻力逐渐减小；　顶距ｆ／ｎ’　图３　０ｌ段单位面积摩阻力与顶距曲线　探矿工程（岩土钻掘工程）　２０１２年第３９卷第７期　ｊ　』／ｍ　图４　０２段单位面积摩阻力与顶距曲线　（２）１００　ｍ以后，单位面积摩阻力基本保持稳　定，已形成完整的泥浆套，泥浆的润滑减阻作用得到　充分发挥。　通过分析可知．厂与Ｌ并非呈线性关系，而是呈　幂指数关系，初始阶段单位面积摩阻力较大，随着距　离的加长而逐渐趋于稳定　。根据摩阻力的实际　变化规律，考虑到各段的差异，以及为便于理解和计　算，拟对＿厂作如下规定：　ｒ４５￡，一。　，ｋＮ／ｍ　１．Ｌ＜】０Ｏ　ｍ＼ｉｘ￣ｌ，，１１　厂：ｉ９￣１（】（ｋＮ／ｍｚ）　≥１０ｏ　ｍ　（９）　联合公式（７）～（９），可得出在中粗砂地层条件　采用泥水平衡顶管工艺顶进钢筋混凝土管道的顶进　力计算公式：　Ｒ　＝ｆＫ（４５１丁Ｄ外　＋Ｐ１）（ｋＮ），Ｌ＜１００　ｍ　（１０）　【（９～１０）ＫＴｒＤ外ｃｆ＋　１（ｋＮ），Ｌ≥１００　ｉｎ　６理论顶力与现场实测顶力及新公式计算结果的　对比分析　图５是采用公式（１０）对０ｌ段顶管的计算结果　与理论顶进力及现场实测顶进力的对比图。　巧！　』　／．ｔ　图５　Ｏ１段理论顶进力、现场实测顶进力与　新公式计算顶进力对比图　从图５中可以看出，公式（１０）的计算结果与现　场实测顶进力拟合得很好。　另外，理论计算顶进力比实测顶进力大得多，尤　其是随着顶进距离的增加呈线性增加，而实测顶进　力呈曲线上升趋势，但时大时小，这是由于瞬间注浆　效果时好时坏的原因，也说明实测顶进力就是顶管　施工过程中注浆减阻效果的真实体现¨　。因此，在　计算顶进力时，不考虑注浆减阻会使计算结果偏大。　通过对实际顶进力与理论计算顶进力的对比可　以得出，采用触变泥浆润滑后，顶进力可减小到原来　的２５％～３０％。　７　结论　通过对现场数据分析以及顶进力计算的对比分　析，得出如下结论。　（１）提出了中粗砂地质条件下采用泥水平衡顶　管技术的摩阻力计算公式，该公式代人实际工程验　证，结果与实际拟合得很好。　（２）在进行长距离顶管顶进力计算时，应当考　虑泥浆的润滑作用引起的折减系数，使得计算结果　更接近工程实际，以确保工程的经济性。　（３）在湿润性中粗砂地层中进行长距离顶管施　工时，迎面贯入阻力在顶进阻力中所占的比例较小，　因此在采取减阻措施过程中要着重考虑减少侧摩阻　力。　（４）在长距离顶管工程中采用触变泥浆润滑，　顶进力明显减小，注浆后顶进力可减到原来的２５％　～３０％。　（５）顶进中断、注浆润滑、管线方向偏离等施工　中常见的问题对顶进力影响较大，在设计中应全面　考虑，以保证设计的经济性和安全性。　参考文献：　［１］赵旭峰，王春苗，孔祥利．泥岩中顶管顶推力计算的理论分析　［Ｊ］．岩土工程技术，２００６，２０（１）．　［２］　简崇林，马孝春．长距离顶管工程中注浆减摩作用机理及效果　分析［Ｊ］．探矿工程（岩土钻掘工程），２０１０，３７（１２）．　【３］　向安田，丁文其，朱合华，等．顶管施工中顶力与顶程关系及其　影响因素分析［Ｊ］．探矿工程（岩土钻掘丁程），２００６，３３（１０）．　［４］　丁传松．直线及曲线顶管中的顶推力研究［Ｄ］．江苏南京：南　京工业大学，２００４．　［５］　马保松．非开挖工程学［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００８．　［６］ＧＢ　５０２６８—２００８，给水排水管道工程施工及验收规范［ｓ］．　［７］　何莲，刘灿生，帅华国．顶管施工的顶力设计计算研究［Ｊ］．中　国给水排水，２００１，２７（７）．