中粗砂地層中頂管頂進(jìn)力計(jì)算分析

白建市，賈志獻(xiàn)，肖長(zhǎng)波

（中國(guó)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(jìn)力計(jì)算分析

白建市，賈志獻(xiàn)，肖長(zhǎng)波

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

以長(zhǎng)春市伊通河排水管網(wǎng)改造工程為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中粗砂地層條件下采用泥水平衡頂管頂進(jìn)過(guò)程中頂進(jìn)力的變化情況，系統(tǒng)研究了影響頂進(jìn)力的因素及其變化規(guī)律，并對(duì)頂進(jìn)力的計(jì)算進(jìn)行了理論分析，與實(shí)際頂進(jìn)力進(jìn)行了對(duì)比，最后運(yùn)用Matlab軟件對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)力計(jì)算公式。

中粗砂地層;頂管;頂進(jìn)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(duì)該項(xiàng)技術(shù)的理論研究還相對(duì)滯后，相關(guān)設(shè)計(jì)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(qiáng)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的理論研究，以更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1 頂進(jìn)力計(jì)算存在的問(wèn)題

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

國(guó)內(nèi)外在頂管頂進(jìn)力計(jì)算方面進(jìn)行了大量研究，得出了許多理論公式、半經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)公式。對(duì)這些公式進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)存在以下幾個(gè)問(wèn)題。

（1）各公式計(jì)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(jiǎn)化假定，未考慮觸變泥漿潤(rùn)滑引起的管土摩擦系數(shù)的折減，所得結(jié)果比實(shí)際值大很多。另外，由于影響頂管頂進(jìn)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(jìn)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(jìn)力變化差異也很大。所以很多經(jīng)驗(yàn)公式都只能適用于特定的條件，如某種土質(zhì)、一定的頂進(jìn)長(zhǎng)度、管徑范圍等［1］。

（2）在各公式中，摩阻力均采用定值進(jìn)行計(jì)算，而實(shí)際因土層和觸變泥漿及管壁的相互作用，在頂進(jìn)過(guò)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(jìn)力計(jì)算差異很大。

本文結(jié)合長(zhǎng)春市伊通河排水官網(wǎng)改造工程，研究影響頂進(jìn)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(jìn)力計(jì)算公式。

2 工程概況

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試主要針對(duì)其中6段頂管進(jìn)行，各段具體情況如表1、表2所示。

表1 各頂管段現(xiàn)場(chǎng)基本情況

表2 頂管段地層狀況

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試內(nèi)容

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各段頂管頂進(jìn)過(guò)程進(jìn)行全程測(cè)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(jìn)過(guò)程中頂進(jìn)力的變化情況，并繪制出頂進(jìn)力頂距變化曲線圖（見(jiàn)圖1）;

圖1 01、02段頂管實(shí)測(cè)頂進(jìn)力曲線

（2）通過(guò)頂管機(jī)艙內(nèi)的土壓力表讀數(shù)測(cè)定掘進(jìn)面土壓力隨頂進(jìn)力的變化關(guān)系;

（3）通過(guò)全站儀和經(jīng)緯儀測(cè)定頂進(jìn)過(guò)程中管線的水平和高程偏差情況;

（4）通過(guò)泥漿泵的讀數(shù)測(cè)定頂進(jìn)過(guò)程中的注漿量和注漿壓力變化情況;

（5）每隔一定距離進(jìn)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(cè)試結(jié)果分析

綜合該工程的工程地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)出頂管施工中影響頂進(jìn)力的主要因素有如下幾個(gè)方面。

（1）地層條件和地下水的影響。頂進(jìn)過(guò)程中地層的變化對(duì)頂進(jìn)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(cāng)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(jìn)行頂管施工時(shí)，地下水位的變化，必然會(huì)引起作用于管壁和掘進(jìn)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(shí)測(cè)頂進(jìn)力變化情況，將相同條件下不同管徑的頂進(jìn)力進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，頂進(jìn)力隨著管徑的增大而呈線性上升趨勢(shì)，管徑愈大，頂進(jìn)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(rùn)滑涂層的減阻性能對(duì)頂進(jìn)摩阻力都會(huì)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(gè)環(huán)節(jié)，尤其在長(zhǎng)距離頂管中，注漿效果的好壞，直接關(guān)系到頂管施工的成敗［2］。

注漿對(duì)頂進(jìn)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(shí)間不足，則泥漿的減阻性能就得不到充分發(fā)揮。若進(jìn)出洞口時(shí)未采取有效的密封措施或頂進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生泥漿漏失，又不及時(shí)補(bǔ)漿，則不能形成完整泥漿套而使頂進(jìn)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(guò)小，由于地下水壓力的存在使得泥漿不能有效擴(kuò)散到頂管周圍形成完整泥漿套，則管道側(cè)面阻力會(huì)增大［3］。

（4）頂進(jìn)中斷的影響。頂進(jìn)過(guò)程中中斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，重新啟動(dòng)頂進(jìn)力會(huì)增大。由于停頓時(shí)間長(zhǎng)，管壁四周松土坍落在管壁上將管道抱死，同時(shí)觸變泥漿中水分也會(huì)離析出來(lái)，失去減阻支承作用，導(dǎo)致頂進(jìn)阻力增大。該工程四標(biāo)段一段頂管在頂進(jìn)過(guò)程中遇到障礙物，清除障礙物（10天后）重新啟動(dòng)后頂進(jìn)力達(dá)到9700 kN，但是在頂進(jìn)2 m之后，頂進(jìn)力下降到了4500 kN。

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

4 頂進(jìn)力計(jì)算分析

頂進(jìn)過(guò)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(jìn)力計(jì)算的理論公式為:

式中:Rf——頂進(jìn)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(jìn)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(jì)算采用文獻(xiàn)［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(zhǎng)度質(zhì)量，t/m;L——管道頂進(jìn)長(zhǎng)度，m;D內(nèi)——管道內(nèi)徑，m。

以01段頂管頂進(jìn)DN2400鋼筋混凝土管道為例:頂進(jìn)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(jìn)行計(jì)算可得出:

從公式（6）可以得知，在頂進(jìn)至70 m左右頂進(jìn)力已經(jīng)超過(guò)了20000 kN，并且增長(zhǎng)的速度沒(méi)有變化。顯然該頂進(jìn)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了頂管工作井設(shè)計(jì)時(shí)所考慮的頂進(jìn)力大小，并且與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比也發(fā)現(xiàn)是不準(zhǔn)確的。

5 頂進(jìn)力計(jì)算的數(shù)值模擬

顯然，用公式（1）～（5）進(jìn)行頂進(jìn)力的計(jì)算未考慮注漿潤(rùn)滑作用引起的管土摩擦系數(shù)的折減，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際相差較大。在進(jìn)行長(zhǎng)距離頂管時(shí)，通常需要采取注漿減阻措施以達(dá)到減小側(cè)摩阻力的作用。在考慮注漿減阻條件下，頂進(jìn)力可以按照以下公式進(jìn)行計(jì)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(yàn)，一般取7～16 kN/m2。

在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集的基礎(chǔ)上，把實(shí)測(cè)頂進(jìn)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(jìn)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(duì)該工程01、02兩段實(shí)測(cè)頂進(jìn)力數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(lái)，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(rùn)滑減阻作用得到充分發(fā)揮。

通過(guò)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(zhǎng)而逐漸趨于穩(wěn)定［7］。根據(jù)摩阻力的實(shí)際變化規(guī)律，考慮到各段的差異，以及為便于理解和計(jì)算，擬對(duì)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(jìn)鋼筋混凝土管道的頂進(jìn)力計(jì)算公式:

6 理論頂力與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)頂力及新公式計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析

圖5是采用公式（10）對(duì)01段頂管的計(jì)算結(jié)果與理論頂進(jìn)力及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)頂進(jìn)力的對(duì)比圖。

圖5 01段理論頂進(jìn)力、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)頂進(jìn)力與新公式計(jì)算頂進(jìn)力對(duì)比圖

從圖5中可以看出，公式（10）的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)頂進(jìn)力擬合得很好。

另外，理論計(jì)算頂進(jìn)力比實(shí)測(cè)頂進(jìn)力大得多，尤其是隨著頂進(jìn)距離的增加呈線性增加，而實(shí)測(cè)頂進(jìn)力呈曲線上升趨勢(shì)，但時(shí)大時(shí)小，這是由于瞬間注漿效果時(shí)好時(shí)壞的原因，也說(shuō)明實(shí)測(cè)頂進(jìn)力就是頂管施工過(guò)程中注漿減阻效果的真實(shí)體現(xiàn)［1］。因此，在計(jì)算頂進(jìn)力時(shí)，不考慮注漿減阻會(huì)使計(jì)算結(jié)果偏大。

通過(guò)對(duì)實(shí)際頂進(jìn)力與理論計(jì)算頂進(jìn)力的對(duì)比可以得出，采用觸變泥漿潤(rùn)滑后，頂進(jìn)力可減小到原來(lái)的25% ～30%。

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析以及頂進(jìn)力計(jì)算的對(duì)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(jì)算公式，該公式代入實(shí)際工程驗(yàn)證，結(jié)果與實(shí)際擬合得很好。

（2）在進(jìn)行長(zhǎng)距離頂管頂進(jìn)力計(jì)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮泥漿的潤(rùn)滑作用引起的折減系數(shù)，使得計(jì)算結(jié)果更接近工程實(shí)際，以確保工程的經(jīng)濟(jì)性。

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

（4）在長(zhǎng)距離頂管工程中采用觸變泥漿潤(rùn)滑，頂進(jìn)力明顯減小，注漿后頂進(jìn)力可減到原來(lái)的25%～30%。

（5）頂進(jìn)中斷、注漿潤(rùn)滑、管線方向偏離等施工中常見(jiàn)的問(wèn)題對(duì)頂進(jìn)力影響較大，在設(shè)計(jì)中應(yīng)全面考慮，以保證設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

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

［2］ 簡(jiǎn)崇林，馬孝春.長(zhǎng)距離頂管工程中注漿減摩作用機(jī)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(kāi)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(yàn)收規(guī)范［S］.

［7］ 何蓮，劉燦生，帥華國(guó).頂管施工的頂力設(shè)計(jì)計(jì)算研究［J］.中國(guó)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(guó)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(kāi)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(hào)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院碩1201013信箱，baijianshi@163.com;賈志獻(xiàn)（1986-），男（漢族），河南新鄉(xiāng)人，中國(guó)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(kāi)挖工程理論與技術(shù)相關(guān)方面的研究工作，285689027@qq.com。