頂管施工中的頂力計算及關鍵性技術分析

劉慶春

（福建路港（集團）有限公司，福建 泉州 362000）

1 工程概況

塘坂引水二期工程第6 標段引水線路為觀音閣～獅山～葫蘆門～炎埕坂～糧食儲運中心～遠洋漁業公司[1]。管線總長度約為9415 m，全程主要采用頂管、明挖和隧洞，設計管徑為DN1600，頂管總計3887.8 m（包括過敖江436.3 m），明挖653 m；輸水隧洞全長4874.641 m。頂管設計共分為三段，第一段觀音閣～獅山段(G110+000～G110+436.3)輸水鋼筋混凝土Ⅲ級管頂管施工，設計管徑為D1600 mm 鋼筋混凝土Ⅲ級管壁厚0.22 m，凈長度436.3 m，頂管穿越敖江，穿越土層主要為粘土層；第二段炎埕坂～糧食儲運中心段 (G130+180 ～G131+164.4、G131+398～G132+860.2) 輸水鋼筋混凝土Ⅲ級管頂管施工，設計管徑為D1600 mm 鋼筋混凝土Ⅲ級管壁厚0.22 m，頂管穿越土層主要為淤泥層；第三段糧食儲運中心～遠洋漁業公司(G140+000～G140+771.3)輸水鋼筋混凝土Ⅲ級管頂管施工，設計管徑為D1600 mm 鋼筋混凝土Ⅲ級管壁厚0.22 m，頂管穿越土層主要為粘土層。本文三段頂管在設計施工上采用的思路和方法大體一致，選取第一段觀音閣～獅山段 (G110+000～G110+436.3)輸水鋼筋混凝土Ⅲ級管頂管施工為典型段進行頂管施工中頂力分析計算，其他兩段的計算方法和測量方法與第一段相同。觀音閣～獅ft 段(G110+000～G110+436.3)頂管管線平面布置圖見圖1。

圖1 觀音閣～獅山段頂管管線平面布置圖

2 地層情況

第一段觀音閣～獅山段G110+000～G110+436.3 其巖土層從上往下可分為3 層，分別為[1]：

①雜填土：該層零星分布于管道沿線，揭示厚度1.1 m～1.7 m，層頂標高4.37 m～14.4 m。其空間上分布不均勻。

②粘土：揭露巖性主要為褐紅、灰黃的粘土（占鉆孔揭露巖芯的95%），夾泥炭質土及泥炭，揭露厚度14.2 m～30.0 m。泥炭質土及泥炭為有機質質土，一般呈黑色或灰白色，含水量高～極高，壓縮性很大且不均勻，以透鏡狀、團塊狀的夾層構造形式存在粘土中。頂管沿線無不良物理地質現象，沿線Qal+L層巖性較均一，基本均為粘土，且層厚較穩定，適宜頂管施工。

③砂土狀中風化花崗巖：該層零星分布在管道沿線，揭露層厚為7 m～17 m，大部分區域未揭穿該層。其空間上總體分布不均勻。

2 頂管施工迎面阻力及管壁阻力公式推導

2.1 頂管迎面阻力公式推導

2.1.1 頂管上層土壓力

根據觀音閣～獅ft 段G110+000～G110+436.3 輸水鋼筋混凝土Ⅲ級管頂管工程管線實際布置情況，頂管管線為直線布置，頂管在施工中隨著頂管掘進機機頭進入土體，前方土體會隨之松動坍塌，周圍土體也同樣受到影響，這是因為頂管推進時頂推力與周圍土層發生作用而使土體產生擾動。這種發生在管道與土層之間的作用復雜。為便于研究，本文采用《土力學》中太沙基(Terzagtfi)理論來計算頂管上層土壓力[2]，頂管上方土壓力示意圖見圖2。

圖2 頂管上方土壓力示意圖

太沙基理論是從力傳遞原理出發來推導豎向圍巖壓力的，由頂管覆土壓力作用于頂管而使結構發生變形，隨之引起地塊地移動。根據拱頂理論，頂管上層土壓力值大小為：

式中：σ 為頂管上層覆土壓力，kN/m2；γ 土層的容重，kN/m3；B為頂管管道上部對管道有荷載作用的寬度，m；H 為覆土層高度，m；λ 土壓力系數值；φ 土的內摩擦角。

計算公式為：

根據土力學，頂管鋼筋混凝土結構承受土壓力的大小等于頂管上覆土層的容重乘以其有效高度H有效，即σ=γH有效，將該公式與（3）式聯立得到：

2.1.2 頂管迎面阻力Rn

頂管頂進土體中，管道前方土體對管道前進產生阻力，阻力Rn的大小應根據阻壓力與受力面積大小確定[3]，計算公式如（7）所示，施工中頂管迎面阻力示意圖見圖3。

圖3 頂管迎面阻力圖

本工程土質為粘土，土層容重γ 為20 kN/m3，內摩擦角φ為16°，頂管為DN1600 鋼筋混凝土Ⅲ級管管壁厚0.20 m，頂管外徑D外為1.64 m，覆土層高度在14.2 m～30 m，本文取H=22 mm 進行計算，參數取值及計算得到的結果見表1。

表1 表頂管迎面阻力理論值計算表(H=22 m)

2.2 頂管管壁阻力的計算公式推導

頂管管壁壓力及千斤頂布置情況見圖4、圖5。

圖4 頂管管壁壓力圖

圖5 千斤頂布置示意圖

頂管管壁阻力的計算公式可表示為[4]：

式中：F摩為摩擦阻力，kN；μ 為摩擦系數，取 0.5（按最不利因素考慮）；P 為管道周圍的壓力值（見圖4），包括作用在管道上方土壓力 P頂=yH有效，管道兩側 1 處壓力 P1=（H有效+0.5D外)h1y，管道兩側 2 處壓力 P2=（H有效+0.5D外）h2y，管底壓力 P底=（H有效+D外)·γ+G/D外，kN/m2；S 為管道與土體接觸面積，S=πD外L，m2；M 為單位面積摩擦阻力，kN/m2，將管道周圍壓力計算公式帶入得：

式中：γ中為土壤的平均容重，y中= (y水上·H水上+y水下·H水下)/(H水上+H水下)，G 為鋼筋混凝土頂管道單位長度上的重度，本文采用先進注漿技術，注漿液產生的浮力大于管道自重，故本文G 取為0。本工程計算時只考慮頂管為直線，均衡頂進施工的情況，λ1=λ2=λ，計算后得到的結果見表 2。

表2 管壁阻力計算結果表

2.3 頂管總阻力

頂管頂進過程中主要受到頂管迎面阻力和管壁阻力的作用，所以總阻力為二者之和，即：

3 理論計算值與實際測量值對比分析

式中：D 為油缸直徑，280 mm；n 為千斤頂數量，4 只；P 為壓力表讀數，MPa；在頂管施工過程中從工作井第一次開始頂進3 m，后每頂進2 m 時均應讀取壓力表讀數，將得到的結果帶入公式（12），可以求得頂管機頂進20 m 時的總頂力值，每次現場壓力表實測及計算結果見表3。

3.1 頂管頂進過程中頂力實際測量值

本工程總頂力F 可以根據千斤頂數量、千斤頂直徑、油泵壓力表讀數而求得，千斤頂布置見圖5，計算公式如下：

表3 頂進過程中的頂力值

3.2 實際測量值與計算對比分析

本文以頂管頂進長度20 m 為研究對象進行頂管頂力計算，帶入公式（11）可求得頂管總阻力理論值，并與現場實測數據對比見表4。

表4 總阻力理論值與實測總頂力計算值比較表

由表4 理論計算結果與實測值對比可以看出，由理論計算得到的總阻力大于實際測量值，在設計施工中應根據工程經驗乘以小于1 的系數來調整頂力設計值，既能夠保證施工安全，又可以達到節省投資效果。

4 頂管施工中設備選擇及工作井制作

4.1 頂進設備

結合現有手掘式頂管機、泥水式平衡頂管機和土壓式平衡頂管機3 種常用頂管機的適用范圍及施工技術要求可知，手掘式頂管機施工簡單，成本低，但是對地質條件要求高，在敞開環境下頂進施工人員危險性大[5]。現將其他兩種頂管機進行性能及適用范圍比較，比較結果見表5。

表5 頂管機性能及適用范圍比較

本工程頂管沿線穿越地層巖性主要為粉質粘土（占鉆孔揭露巖芯的92%），夾泥炭質土及泥炭，揭露厚度14.2 m～30.0 m。根據施工經驗，結合本工程的施工條件和土質情況，選擇土壓泥水平衡兩用頂管掘進機及配套設備，型號TPN1600，該機型使用土質范圍廣，具有獨立的注水、注漿系統及糾偏系統等，頂進速度快，施工精度高，采用地面集中控制，安全、直觀、方便，清晰視頻傳輸。

4.2 工作井制作施工

頂管施工時需要開挖工作井和接收井，工作井是安裝、操作頂進設備及頂管機始發頂進的場地，按形狀可以分為圓形、矩形及多邊形，其中矩形工作井空間大、使用最廣，一般用于頂管軸線為直線施工中，當頂管施工需要雙向或多向頂進時采用圓形工作井，使用范圍最廣的是鋼筋混凝土井。

本工程第一段觀音閣～獅山段（G110+000～G110+436.3）共布置工作井、接收井各1 個，過江工作井G110+436.3 深度最深達22.3 m，內徑10 m 壁厚1.1 m，接收井G110+001.5 深度最深達19.9 m，內徑6 m 壁厚0.95 m，且穿越敖江中砂層436.3 m，施工難度最大。工作井、接收井布置情況見表6。

表6 工作井、接收井布置情況

過江工作井G110+439.8 施工圖設計及井筒結構高度22.3 m，沉井井壁分4 層制作、每層約5 m～5.9 m，施工縫設置低于兩節交接面0.5 m，施工縫為凹型。沉井下沉第一節、第二節采用挖掘機挖土，第三節、第四節下沉沉井土方工程采用潛水員用高壓水泵沖刷，泥漿泵吸泥。當第一節沉井下沉至設計要求的標高時，應采用C30 水下混凝土封底；并采用C30 鋼筋混凝制作底板。沉井頂管洞口外側上下左右各3 m 范圍設置高壓旋噴樁作土體加固處理，三軸水泥攪拌樁刃腳加固和支護施工。

5 結論及建議

根據頂管阻力理論計算、實際測量及頂管頂力影響因素敏感性計算分析，得到以下結論：

（1）在頂管工程設計施工時，頂管總頂力的理論計算直接關系到頂管設計施工后面所有環節的正確與否，應選擇合理的理論依據，頂管頂進中總頂力值的大小。

（2）結合太沙基理論等相關定理對頂管頂進過程中的迎面阻力、管壁阻力進行理論計算，并與工程施工時實際測量值進行對比分析，得到理論值略大于實際測量值，設計時應乘以小于1的參數來調節頂力值，從而為頂管設計工作提供指導和參考。

（3）從技術角度進行頂管施工中設備的選擇及工作井的布置及施工方法探討，為頂管工程施工提出合理可行的建議。