頂管工程施工中的頂力計算

頂管工程施工中的頂力計算摘要：本文主要介紹頂管的頂力計算方法，計算公式的適用條件，計算頂力的必要性，并結(jié)合工程實例對頂力計算公式進行了驗算，對頂管工程的施工具有參考價值。關(guān)鍵詞：頂管頂力的計算土壓力荷載一、 引言隨著城市現(xiàn)代建設(shè)的迅速發(fā)展，頂管施工作為非開挖技術(shù)，在城市管線的建設(shè)和改造中已得到廣泛應(yīng)用，尤其在埋深較大，周圍環(huán)境對位移有嚴(yán)格限制的地段，顯得較為安全和經(jīng)濟。南通市人民西路污水管工程位于交通繁忙、車輛人流擁擠的人民西路，考慮到交通現(xiàn)狀，管道大開挖施工方案不可取，因此，選擇采用了頂管法施工。該工程西起南通港、東至南通長途汽車總站，全長1.3Km。而頂管施工之前，頂管頂力的計算是確定頂管單元長度的基本數(shù)據(jù)，對工作井后背墻的整體穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全設(shè)計與施工起關(guān)鍵作用，同時也是確定頂管工作井的數(shù)量、結(jié)構(gòu)形式、頂管施工方案、以及工程工期和造價的依據(jù)。所以，頂管最大頂力的計算，在頂管施工中顯得非常重要。二、 頂管的頂力計算頂管施工中，千斤頂?shù)捻斄π枰朔苓吀鞣N摩阻力，包括管端貫入阻力、由垂直土壓力施加于管壁的法向應(yīng)力、水平土壓力施加于管壁的法向應(yīng)力、以及管道自生重量產(chǎn)生的摩阻力等。由于頂管在推進過程中，還不斷受到各種外界因素的影響，如糾偏、后背位移等，使頂力隨時發(fā)生變化，且各地區(qū)地質(zhì)條件的差別，所選擇的施工工藝也不同，由此，頂管頂力的計算公式較多，同時也總結(jié)了不少的經(jīng)驗公式，經(jīng)過長期工程實踐并結(jié)合土力學(xué)理論，頂推力的常用計算公式為以下幾種。（二）、在手掘式頂管施工中的頂力計算式為：公式（一）式中：F為總推力（KN）；D為管道外徑（m）；L為推進長度（m）；G為每米管的重力（KN/m）；C1為管與土之間的粘著力（KPa）1為管與土之間的摩擦系數(shù)，1=，為土的內(nèi)摩擦角；N為標(biāo)準(zhǔn)貫入值，在普通的粘土中，N=1.0；在砂性土中，N=2.5；在硬土中，N=3.0。q為管周邊均布荷載（KPa），由管頂上方土的垂直荷載與地面的動荷載組成，即：q=qv+p，其中qv為管頂上方的垂直荷載（KPa）；p為地面動荷載（KPa），一般取5?10KPa。管頂上方的垂直荷載，其中；。式中：Ce為土的太沙基載荷系數(shù)；Be為管頂上方土的擾動寬度（m）;土為的容重（KN/m3）;c為土的內(nèi)聚力（KPa）;K為土的太沙基側(cè)向土壓力系數(shù)（K=1）；為土的摩擦系數(shù)（二;H為管道頂以上覆土深度（m）。（二）在土壓平衡頂管施工中的頂力計算式為：公式（二）式中pa為頂管所處土層的主動土壓力（KPa），=。其中hl為地面至地下水面的高度；h2為地下水面至頂管中心的深度；1為地下水以上土的容重N/m3）；2為地下水以下土的浮容重（KN/m3），但對于滲漏性較小的粘性土，由于水和土不容易分離開來，2則為地下水以下飽和土的容重（KN/m3），此時，不考慮地下水的壓力pw（KPa）?！鱬為土倉的預(yù)加壓力，一般情況為20KPa。為綜合系數(shù)，參見下表（一）：公式（二）中的計算方法及其它符號的含義與公式（一）相同（三）在泥水平衡頂管施工中的頂力計算式為：公式（三）式中：pe為挖掘面前土壓力（pe=150KPa）；為管子與土之間剪切應(yīng)力（KPa），，其中t為管壁厚度（m）；Ap為土倉的預(yù)加壓力（取20KPa）；為管子法向應(yīng)力取值范圍，根據(jù)經(jīng)驗和C1可參見下表（二）。公式（二）中的計算方法及其它符號的含義與公式（一）相同。以上三種公式都沒有考慮到注入滑漿后的減摩效果。由于公式采用了太沙基理論公式即隧道壓力公式，因經(jīng)，該公式比較適用于能形成卸荷拱、且具有一定抗剪強度的穩(wěn)定土，包括可塑至堅硬狀態(tài)的粘性土及飽和的砂土。由此可知，土層穩(wěn)定是采用此公式的前提條件。對于飽和疏松的粉細(xì)砂、干燥的砂類土、淤泥及其它液態(tài)性粘土，均屬于不穩(wěn)定土，這類土的抗剪強度小，且不能形成卸荷拱，減荷作用很小，一般采用土柱公式計算管道的豎向壓力。管道上的豎向壓力等于管道外徑范圍內(nèi)的土柱重，側(cè)向力一般按其豎向壓力乘以主動壓力系數(shù)計算。因此，以上公式中的管道周邊均布載荷q（KPa）可以按土柱壓力計算，即q=H。采用土柱公式計算的土壓力一般偏大，尤其是對穩(wěn)定土層，計算結(jié)果偏大較多。但由于在頂管期間可能出現(xiàn)的特殊情況，如附近管道滲水、頂管糾偏、施工操作、土顆粒進入管節(jié)使摩擦系數(shù)增加等因素，其土壓力雖然未達(dá)到土柱壓力，但已明顯增大在?；谝陨锨闆r，計算結(jié)果偏大是允許的，也有利于施工的安全。（四）、頂力的計算經(jīng)驗公式由于各地區(qū)土質(zhì)條件的不同，不同地區(qū)、不同單位也總結(jié)了相應(yīng)的成熟經(jīng)驗公式，因此，在選用頂力的計算公式時可以根據(jù)具體情況，選擇更接近實際情況的計算公式。以下是筆者了解的經(jīng)驗公式，僅供參考。（1）手掘式頂管時，總推力P=P0+DL，式中R為綜合摩擦系數(shù)，P0為初始推力，其中R和P0經(jīng)驗值見下表（三）：（3）北京地區(qū)的經(jīng)驗公式：在亞粘土、粘土層中，總推力P=K（22D-10）L，K為粘土系數(shù)（1.0?1.30）。在粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂土層中，總推力P=K（34D-21）L，K為砂土系數(shù)（1.0?1.50）。（4）上海地區(qū)在頂管施工時，采用觸變泥漿進行減摩，其經(jīng)驗公式：總推力P=（8?12）DL（KN）。以上公式中的其它符號含義同前。三、算例分析南通市人民路污水管工程，地處長江邊，地下水位為地面以下2.5m，頂管為直徑1.2m、壁厚為0.12m的鋼筋混凝土水泥管，管重10.6KN/m，管道埋深4.5?5.5m，頂管處于地下水位以下。沿線均勻布置3個工作井中，在每個工作井中，頂管分別向東、西方向頂進，頂進單元長度為215米。根據(jù)地質(zhì)報告，頂管道層土質(zhì)為粉細(xì)砂，土的容重為18KN/m3、內(nèi)摩擦角為28，管與土之間的粘著力C1為0,內(nèi)粘聚力C為13KPa。由于地下水位較高，該層土屬于不穩(wěn)定土，在頂管施工中可能產(chǎn)生流砂。為了保證工程質(zhì)量，避免因流砂原因，使路基發(fā)生沉降，沿管道走向，采取深井降水措施（井的間距為25米，井深15為米），待地下水位下降至管道底部以下0.5米處，再進行頂管施工。由于采取了降水措施，頂管層的土體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，施工時采用了泥水平衡頂管施工法，適應(yīng)頂力計算公式（三）的計算條件。該頂管工程的頂力的計算如下：上計算結(jié)果與四臺千斤頂油壓表顯示的總數(shù)據(jù)基本吻合。五、結(jié)語影響頂管頂力的因素很多，主要包括土層的穩(wěn)定性及其覆蓋厚度、地下水的影響、管道的材料、管徑和重量、頂進的方法和操作熟練程度、頂進長度、減阻措施以及施工經(jīng)驗等，在這此因素中，土層的穩(wěn)定性，覆蓋土層的厚度和