顶管工程施工中的顶力计算

摘要：本文主要介绍顶管的顶力计算方法，计算公式的适用条件，计算顶力的必要性，并结合工程实例对顶力计算公式进行了验算，对顶管工程的施工具有参考价值。

关键词：顶管顶力的计算土压力荷载

一、引言

随着城市现代建设的迅速发展，顶管施工作为非开挖技术，在城市管线的建设和改造中已得到广泛应用，尤其在埋深较大，周围环境对位移有严格限制的地段，显得较为安全和经济。南通市人民西路污水管工程位于交通繁忙、车辆人流拥挤的人民西路，考虑到交通现状，管道大开挖施工方案不可取，因此，选择采用了顶管法施工。该工程西起南通港、东至南通长途汽车总站，全长1.3Km。而顶管施工之前，顶管顶力的计算是确定顶管单元长度的基本数据，对工作井后背墙的整体稳定和结构安全设计与施工起关键作用，同时也是确定顶管工作井的数量、结构形式、顶管施工方案、以及工程工期和造价的依据。所以，顶管最大顶力的计算，在顶管施工中显得非常重要。

二、顶管的顶力计算

顶管施工中，千斤顶的顶力需要克服周边各种摩阻力，包括管端贯入阻力、由垂直土压力施加于管壁的法向应力、水平土压力施加于管壁的法向应力、以及管道自生重量产生的摩阻力等。由于顶管在推进过程中，还不断受到各种外界因素的影响，如纠偏、后背位移等，使顶力随时发生变化，且各地区地质条件的差别，所选择的施工工艺也不同，由此，顶管顶力的计算公式较多，同时也总结了不少的经验公式，经过长期工程实践并结合土力学理论，顶推力的常用计算公式为以下几种。

（二）、在手掘式顶管施工中的顶力计算式为：

公式（一）

式中：F为总推力（KN）；D为管道外径（m）；L为推进长度（m）；G为每米管的重力（KN/m）；C1为管与土之间的粘着力（KPa）

1为管与土之间的摩擦系数，1=，为土的内摩擦角；N为标准贯入值，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为管周边均布荷载（KPa），由管顶上方土的垂直荷载与地面的动荷载组成，即：q=qv+p ，其中qv为管顶上方的垂直荷载（KPa）；p为地面动荷载（KPa），一般取5～10KPa。管顶上方的垂直荷载 ，其中；

。式中：Ce为土的太沙基载荷系数；

Be为管顶上方土的扰动宽度（m）; 土为的容重（KN/m3）;

c为土的内聚力（KPa） ; K为土的太沙基侧向土压力系数（K=1）；

为土的摩擦系数（=; H为管道顶以上覆土深度（m）。

（二）在土压平衡顶管施工中的顶力计算式为：

公式（二）

式中pa为顶管所处土层的主动土压力（KPa），

=。其中h1 为地面至地下水面的高度；h2为地下水面至顶管中心的深度；1为地下水以上土的容重N/m3）；2为地下水以下土的浮容重（KN/m3），但对于渗漏性较小的粘性土，由于水和土不容易分离开来，2则为地下水以下饱和土的容重（KN/m3），此时，不考虑地下水的压力pw（KPa）。

p为土仓的预加压力，一般情况为20 KPa 。

为综合系数，参见下表（一）：

公式（二）中的计算方法及其它符号的含义与公式（一）相同

（三）在泥水平衡顶管施工中的顶力计算式为：

公式（三）

式中：pe为挖掘面前土压力（pe=150 KPa）；为管子与土之间剪切应力（KPa）， ，其中t为管壁厚度（m）；p为土仓的预加压力（取20 KPa）；为管子法向应力取值范围，根据经验和C1可参见下表（二）。

公式（二）中的计算方法及其它符号的含义与公式（一）相同。

以上三种公式都没有考虑到注入滑浆后的减摩效果。由于公式采用了太沙基理论公式即隧道压力公式，因经，该公式比较适用于能形成卸荷拱、且具有一定抗剪强度的稳定土，包括可塑至坚硬状态的粘性土及饱和的砂土。由此可知，土层稳定是采用此公式的前提条件。

对于饱和疏松的粉细砂、干燥的砂类土、淤泥及其它液态性粘土，均属于不稳定土，这类土的抗剪强度小，且不能形成卸荷拱，减荷作用很小，一般采用土柱公式计算管道的竖向压力。管道上的竖向压力等于管道外径范围内的土柱重，侧向力一般按其竖向压力乘以主动压力系数计算。因此，以上公式中的管道周边均布载荷q（KPa）可以按土柱压力计算，即q=H。

采用土柱公式计算的土压力一般偏大，尤其是对稳定土层，计算结果偏大较多。但由于在顶管期间可能出现的特殊情况，如附近管道渗水、顶管纠偏、施工操作、土颗粒进入管节使摩擦系数增加等因素，其土压力虽然未达到土柱压力，但已明显增大在。基于以上情况，计算结果偏大是允许的，也有利于施工的安全。

（四）、顶力的计算经验公式

由于各地区土质条件的不同，不同地区、不同单位也总结了相应的成熟经验公式，因此，在选用顶力的计算公式时可以根据具体情况，选择更接近实际情况的计算公式。以下是笔者了解的经验公式，仅供参考。

（1）手掘式顶管时，总推力P=P0+DL，式中R为综合摩擦系数，P0为初始推力，其中R和P0经验值见下表（三）：

(3)北京地区的经验公式：在亚粘土、粘土层中，总推力 P=K（22D-10）L，K为粘土系数（1.0～1.30）。在粉砂、细砂、中砂、粗砂土层中，总推力P=K（34D-21）L，K为砂土系数（1.0～1.50）。

（4）上海地区在顶管施工时，采用触变泥浆进行减摩，其经验公式：总推力P=（8～12）DL（KN）。

以上公式中的其它符号含义同前。

三、算例分析

南通市人民路污水管工程，地处长江边，地下水位为地面以下2.5m，顶管为直径1.2m、壁厚为0.12m的钢筋混凝土水泥管，管重10.6KN/m，管道埋深4.5～5.5m，顶管处于地下水位以下。沿线均匀布置3个工作井中，在每个工作井中，顶管分别向东、西方向顶进，顶进单元长度为215米。根据地质报告，顶管道层土质为粉细砂，土的容重为18KN/m3、内摩擦角为28 ，管与土之间的粘着力C1为0,内粘聚力C为13KPa。由于地下水位较高，该层土属于不稳定土，在顶管施工中可能产生流砂。为了保证工程质量，避免因流砂原因，使路基发生沉降，沿管道走向，采取深井降水措施（井的间距为25米，井深15为米），待地下水位下降至管道底部以下0.5米处，再进行顶管施工。由于采取了降水措施，顶管层的土体结构较为稳定，施工时采用了泥水平衡顶管施工法，适应顶力计算公式（三）的计算条件。该顶管工程的顶力的计算如下：

上计算结果与四台千斤顶油压表显示的总数据基本吻合。

五、结语

影响顶管顶力的因素很多，主要包括土层的稳定性及其覆盖厚度、地下水的影响、管道的材料、管径和重量、顶进的方法和操作熟练程度、顶进长度、减阻措施以及施工经验等，在这此因素中，土层的稳定性，覆盖土层的厚度和施工方法的选择，对顶管顶力的计算结果影响尤为突出。因此，在顶管顶力的计算时，应选用合适的理论计算公式并结合经验公式，对计算结果，进行分析，慎重采略，这样才能确保工程的顺利实施。

参考文献：

余彬泉、陈传灿.顶管施工技术.人民交通出版社2005

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。