中粗砂地層中頂管頂進力計算分析

白建市，賈志獻，肖長波

（中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

中粗砂地層中頂管頂進力計算分析

白建市，賈志獻，肖長波

（中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

以長春市伊通河排水管網(wǎng)改造工程為例，通過現(xiàn)場實測中粗砂地層條件下采用泥水平衡頂管頂進過程中頂進力的變化情況，系統(tǒng)研究了影響頂進力的因素及其變化規(guī)律，并對頂進力的計算進行了理論分析，與實際頂進力進行了對比，最后運用Matlab軟件對實測數(shù)據(jù)進行數(shù)值分析，得出在該地質(zhì)條件下的泥水平衡頂管摩阻力和頂進力計算公式。

中粗砂地層;頂管;頂進力;摩阻力

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，頂管施工技術(shù)在地下管道鋪設(shè)中的應(yīng)用日益增多。但對該項技術(shù)的理論研究還相對滯后，相關(guān)設(shè)計規(guī)范給出的理論公式應(yīng)用到具體工程中產(chǎn)生的偏差較大。所以，有必要加強對該項技術(shù)的理論研究，以更好地指導(dǎo)工程實踐。

1 頂進力計算存在的問題

頂進力是頂管施工中的最為關(guān)鍵的因素，頂進力的計算直接影響著工作井后背墻的設(shè)計和管節(jié)強度的要求以及中繼站的設(shè)計和設(shè)置。特別是在長距離頂管施工中，頂進力計算的不準確會直接導(dǎo)致中繼站的數(shù)量設(shè)置過多或過少，過多則造成人力物力大量浪費;過少則造成頂進力不足，或超過管材的強度引起管節(jié)受損，或超過后背墻設(shè)計受力極限，墻體剪切破壞而變形失穩(wěn)，影響工程的順利進行甚至導(dǎo)致工程失敗。

國內(nèi)外在頂管頂進力計算方面進行了大量研究，得出了許多理論公式、半經(jīng)驗公式和經(jīng)驗公式。對這些公式進行分析后發(fā)現(xiàn)存在以下幾個問題。

（1）各公式計算偏差很大。理論公式大多建立在經(jīng)典土力學(xué)的基礎(chǔ)上，引入了諸多簡化假定，未考慮觸變泥漿潤滑引起的管土摩擦系數(shù)的折減，所得結(jié)果比實際值大很多。另外，由于影響頂管頂進力大小的因素較多，不同地區(qū)地質(zhì)條件也有較大的差異，頂管頂進力的變化情況不盡相同，即使是同一地區(qū)，同一管段的頂進力變化差異也很大。所以很多經(jīng)驗公式都只能適用于特定的條件，如某種土質(zhì)、一定的頂進長度、管徑范圍等［1］。

（2）在各公式中，摩阻力均采用定值進行計算，而實際因土層和觸變泥漿及管壁的相互作用，在頂進過程中，摩阻力隨著頂距的增大是不斷變化的。

（3）大多數(shù)公式未考慮管線偏差、地層變化及地下水位的影響。這樣導(dǎo)致頂進力計算差異很大。

本文結(jié)合長春市伊通河排水官網(wǎng)改造工程，研究影響頂進力的因素及其變化規(guī)律，提出中粗砂地層條件下的泥水平衡頂管摩阻力和頂進力計算公式。

2 工程概況

現(xiàn)場測試主要針對其中6段頂管進行，各段具體情況如表1、表2所示。

表1 各頂管段現(xiàn)場基本情況

表2 頂管段地層狀況

3 現(xiàn)場測試及結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)場測試內(nèi)容

對現(xiàn)場各段頂管頂進過程進行全程測定，內(nèi)容如下:

（1）根據(jù)千斤頂壓力表的讀數(shù)記錄各管段頂進過程中頂進力的變化情況，并繪制出頂進力頂距變化曲線圖（見圖1）;

圖1 01、02段頂管實測頂進力曲線

（2）通過頂管機艙內(nèi)的土壓力表讀數(shù)測定掘進面土壓力隨頂進力的變化關(guān)系;

（3）通過全站儀和經(jīng)緯儀測定頂進過程中管線的水平和高程偏差情況;

（4）通過泥漿泵的讀數(shù)測定頂進過程中的注漿量和注漿壓力變化情況;

（5）每隔一定距離進行土體取樣，分析穿越地層土質(zhì)的變化情況（含水量、含砂量、土的重度、土的內(nèi)摩擦角等）。

3.2 測試結(jié)果分析

綜合該工程的工程地質(zhì)條件和現(xiàn)場測試結(jié)果進行分析，總結(jié)出頂管施工中影響頂進力的主要因素有如下幾個方面。

（1）地層條件和地下水的影響。頂進過程中地層的變化對頂進力的影響是非常明顯的。穿越的地層不同，作用在刀盤或工作倉的水、土壓力也不一樣，導(dǎo)致迎面貫入阻力也不同。另外，不同類型地層和同類型管管壁之間的摩阻力往往差別也很大。

在地下水位以下地層中進行頂管施工時，地下水位的變化，必然會引起作用于管壁和掘進面上正壓力的變化而導(dǎo)致管壁側(cè)摩阻力和迎面貫入阻力的變化。

（2）管道直徑和外表面狀況的影響。根據(jù)實測頂進力變化情況，將相同條件下不同管徑的頂進力進行比較發(fā)現(xiàn)，頂進力隨著管徑的增大而呈線性上升趨勢，管徑愈大，頂進力愈大。

另外，管道外表面材質(zhì)的粗糙程度、管接頭的平滑與否以及管道潤滑涂層的減阻性能對頂進摩阻力都會產(chǎn)生很大的影響。

（3）注漿的影響。注漿減摩是頂管工程中非常重要的一個環(huán)節(jié)，尤其在長距離頂管中，注漿效果的好壞，直接關(guān)系到頂管施工的成?。?］。

注漿對頂進力的影響主要體現(xiàn)在泥漿的質(zhì)量、注漿壓力的控制和泥漿套的完整性上。若泥漿的配比選取不合理、攪拌不充分或者靜置時間不足，則泥漿的減阻性能就得不到充分發(fā)揮。若進出洞口時未采取有效的密封措施或頂進過程中產(chǎn)生泥漿漏失，又不及時補漿，則不能形成完整泥漿套而使頂進力增大。注漿壓力越大，作用在管壁上的壓力相應(yīng)增加，摩阻力也就越大;注漿壓力過小，由于地下水壓力的存在使得泥漿不能有效擴散到頂管周圍形成完整泥漿套，則管道側(cè)面阻力會增大［3］。

（4）頂進中斷的影響。頂進過程中中斷時間過長，重新啟動頂進力會增大。由于停頓時間長，管壁四周松土坍落在管壁上將管道抱死，同時觸變泥漿中水分也會離析出來，失去減阻支承作用，導(dǎo)致頂進阻力增大。該工程四標段一段頂管在頂進過程中遇到障礙物，清除障礙物（10天后）重新啟動后頂進力達到9700 kN，但是在頂進2 m之后，頂進力下降到了4500 kN。

（5）管線偏差的影響。由于在頂進過程中會不斷出現(xiàn)管線偏差，需要經(jīng)常糾偏，糾偏過多時因阻力增加也會使頂進力增大。一般在進出洞口處，管線偏差較大，糾偏次數(shù)也較多，頂進力增加很大 。從圖1中可以看出，在頂進力曲線的兩端頂進力變化較劇烈。

4 頂進力計算分析

頂進過程中，管道的受力情況如圖2所示。

圖2 管道受力分析圖

總頂進力計算的理論公式為:

式中:Rf——頂進力，kN;K——安全系數(shù);μ——管壁與土間的摩擦系數(shù);PV——管頂上的垂直土壓力，kN;PH——管側(cè)的側(cè)土壓力，kN;P2——全部頂進的管段重力，kN;P1——管端部的貫入阻力，kN。

考慮到地下水位的影響，作用在管道上的垂直壓力計算采用文獻［5］中給出的公式:

式中:γ——土的容重，kN/m3;h1——地下水位以上覆土厚度，m;γw——水的容重，kN/m3;hw——管道頂面至地下水位的高度，m;H——管頂覆土深度，m;D外——管道外徑，m;φ——土的內(nèi)摩擦角，（°）;G——管道單位長度質(zhì)量，t/m;L——管道頂進長度，m;D內(nèi)——管道內(nèi)徑，m。

以01段頂管頂進DN2400鋼筋混凝土管道為例:頂進地層為中粗砂，G=4.66 t/m;H=7 m;h1=4 m;φ =33.5°;K=1.2;μ =0.40;D外=2.86 m;D內(nèi)=2.40 m。

將數(shù)據(jù)代入公式（1）～（5）進行計算可得出:

從公式（6）可以得知，在頂進至70 m左右頂進力已經(jīng)超過了20000 kN，并且增長的速度沒有變化。顯然該頂進力遠遠超過了頂管工作井設(shè)計時所考慮的頂進力大小，并且與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比也發(fā)現(xiàn)是不準確的。

5 頂進力計算的數(shù)值模擬

顯然，用公式（1）～（5）進行頂進力的計算未考慮注漿潤滑作用引起的管土摩擦系數(shù)的折減，導(dǎo)致計算結(jié)果與工程實際相差較大。在進行長距離頂管時，通常需要采取注漿減阻措施以達到減小側(cè)摩阻力的作用。在考慮注漿減阻條件下，頂進力可以按照以下公式進行計算［6］:

式中:F——側(cè)摩阻力，kN;f——單位面積管壁與土的平均摩阻力，kN/m2，根據(jù)中粗砂地層頂管施工經(jīng)驗，一般取7～16 kN/m2。

在現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集的基礎(chǔ)上，把實測頂進力數(shù)據(jù)代入公式:

算出各段的單位面積摩擦力隨頂距的變化情況，作出f與頂距L的關(guān)系曲線，并采用matlab數(shù)值分析方法進行曲線擬合，得出f-L曲線的擬合曲線和擬合方程。

鑒于篇幅有限，僅對該工程01、02兩段實測頂進力數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果如圖3、圖4所示。

01段摩阻力與頂距關(guān)系曲線的擬合方程為:f=45.1264L-0.2958;

02段摩阻力與頂距關(guān)系曲線的擬合方程為:f=45.0782L-0.2923。

結(jié)果分析:

（1）頂進初始階段，泥漿注入量較少，減摩效果不明顯，摩阻力較大，但隨著頂進距離的增大，泥漿套逐漸形成，注漿減摩的效果逐漸顯示出來，單位面積摩阻力逐漸減小;

圖3 01段單位面積摩阻力與頂距曲線

圖4 02段單位面積摩阻力與頂距曲線

（2）100 m以后，單位面積摩阻力基本保持穩(wěn)定，已形成完整的泥漿套，泥漿的潤滑減阻作用得到充分發(fā)揮。

通過分析可知f與L并非呈線性關(guān)系，而是呈冪指數(shù)關(guān)系，初始階段單位面積摩阻力較大，隨著距離的加長而逐漸趨于穩(wěn)定［7］。根據(jù)摩阻力的實際變化規(guī)律，考慮到各段的差異，以及為便于理解和計算，擬對f作如下規(guī)定:

聯(lián)合公式（7）～（9），可得出在中粗砂地層條件采用泥水平衡頂管工藝頂進鋼筋混凝土管道的頂進力計算公式:

6 理論頂力與現(xiàn)場實測頂力及新公式計算結(jié)果的對比分析

圖5是采用公式（10）對01段頂管的計算結(jié)果與理論頂進力及現(xiàn)場實測頂進力的對比圖。

圖5 01段理論頂進力、現(xiàn)場實測頂進力與新公式計算頂進力對比圖

從圖5中可以看出，公式（10）的計算結(jié)果與現(xiàn)場實測頂進力擬合得很好。

另外，理論計算頂進力比實測頂進力大得多，尤其是隨著頂進距離的增加呈線性增加，而實測頂進力呈曲線上升趨勢，但時大時小，這是由于瞬間注漿效果時好時壞的原因，也說明實測頂進力就是頂管施工過程中注漿減阻效果的真實體現(xiàn)［1］。因此，在計算頂進力時，不考慮注漿減阻會使計算結(jié)果偏大。

通過對實際頂進力與理論計算頂進力的對比可以得出，采用觸變泥漿潤滑后，頂進力可減小到原來的25% ～30%。

7 結(jié)論

通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析以及頂進力計算的對比分析，得出如下結(jié)論。

（1）提出了中粗砂地質(zhì)條件下采用泥水平衡頂管技術(shù)的摩阻力計算公式，該公式代入實際工程驗證，結(jié)果與實際擬合得很好。

（2）在進行長距離頂管頂進力計算時，應(yīng)當考慮泥漿的潤滑作用引起的折減系數(shù)，使得計算結(jié)果更接近工程實際，以確保工程的經(jīng)濟性。

（3）在濕潤性中粗砂地層中進行長距離頂管施工時，迎面貫入阻力在頂進阻力中所占的比例較小，因此在采取減阻措施過程中要著重考慮減少側(cè)摩阻力。

（4）在長距離頂管工程中采用觸變泥漿潤滑，頂進力明顯減小，注漿后頂進力可減到原來的25%～30%。

（5）頂進中斷、注漿潤滑、管線方向偏離等施工中常見的問題對頂進力影響較大，在設(shè)計中應(yīng)全面考慮，以保證設(shè)計的經(jīng)濟性和安全性。

［1］ 趙旭峰，王春苗，孔祥利.泥巖中頂管頂推力計算的理論分析［J］.巖土工程技術(shù)，2006，20（1）.

［2］ 簡崇林，馬孝春.長距離頂管工程中注漿減摩作用機理及效果分析［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2010，37（12）.

［3］ 向安田，丁文其，朱合華，等.頂管施工中頂力與頂程關(guān)系及其影響因素分析［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2006，33（10）.

［4］ 丁傳松.直線及曲線頂管中的頂推力研究［D］.江蘇南京:南京工業(yè)大學(xué)，2004.

［5］ 馬保松.非開挖工程學(xué)［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［6］ GB 50268-2008，給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范［S］.

［7］ 何蓮，劉燦生，帥華國.頂管施工的頂力設(shè)計計算研究［J］.中國給水排水，2001，27（7）.

Calculation and Analysis on Jacking Force of Pipe-jacking in Medium Coarse Sand Formation

BAI Jian-shi，JIA Zhi-xian，XIAO Chang-bo（China University of Geosciences，Wuhan Hubei 430074，China）

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 changing rule 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.

medium coarse sand formation;pipe jacking;jacking force;friction

P634

A

1672-7428（2012）07-0037-04

2012-03-24;

2012-06-11

白建市（1988-），男（漢族），河南禹州人，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）在讀碩士研究生，地質(zhì)工程專業(yè)，主要從事非開挖工程理論與技術(shù)相關(guān)方面的研究工作，湖北省武漢市魯磨路388號中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院碩1201013信箱，baijianshi@163.com;賈志獻（1986-），男（漢族），河南新鄉(xiāng)人，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）在讀碩士研究生，地質(zhì)工程專業(yè)，主要從事非開挖工程理論與技術(shù)相關(guān)方面的研究工作，285689027@qq.com。