鄭東新區(qū)頂管施工中頂進阻力的確定方法探討

王 剛， 景兆凱， 呂小凡， 師永霞， 何 波

(1.河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450053； 2.唐山市青少年宮，河北 唐山 063000)

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鄭東新區(qū)頂管施工中頂進阻力的確定方法探討

王 剛1， 景兆凱1， 呂小凡1， 師永霞1， 何 波2

(1.河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450053； 2.唐山市青少年宮，河北 唐山 063000)

介紹頂管施工尤其是長距離頂管施工中頂進阻力的重要性，列舉了采用《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS：2008)、《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》(GB 50268—2008)計算頂進阻力的公式和日本下水道協(xié)會制定的頂進鋼筋混凝土管頂力的計算公式。在鄭東新區(qū)土壓平衡頂管工程實例中對頂進阻力進行了測試和研究,指出理論計算結(jié)果與實際值之間存在的差異。提出了適合鄭東新區(qū)的頂管頂進阻力的計算方法。

土壓平衡頂管；長距離頂管；頂進阻力；摩阻力；鄭東新區(qū)

頂管是城市建設(shè)中施工地下管道的一種常用方法，具有明挖鋪管施工所不具有的優(yōu)越性。頂進阻力是制約頂管施工尤其是長距離頂管施工的一個重要因素，它直接決定頂管的施工方案，也影響到工程的造價高低。頂進阻力包括工作面的迎面阻力和管壁與其四周土體之間的摩阻力2部分，而后者則是決定總頂進阻力大小的主要因素。摩阻力是管道工程勘察中要提供的一個參數(shù)指標(biāo)，如何提供一個準(zhǔn)確的摩阻力值一直以來也是勘察技術(shù)人員比較頭疼的問題。筆者根據(jù)頂管施工的經(jīng)驗，提出根據(jù)實測頂力反算摩阻力，再由迎面阻力和摩阻力準(zhǔn)確計算擬建頂管頂進阻力的技術(shù)方法。

1 頂進阻力的概念和計算頂進阻力的經(jīng)驗公式

1.1 頂進阻力的概念及影響摩阻力的因素與注漿減摩原理

頂進阻力是指管道頂進過程中管外壁四周受土體摩擦產(chǎn)生的摩擦阻力及管端受土壓、水壓造成的阻力，阻止管節(jié)向前移動或滑動。影響頂進阻力的因素很多，主要有土層的物理力學(xué)性質(zhì)、場地水文地質(zhì)條件、頂管管道的尺寸和埋深、管壁的粗糙程度和頂管施工方法，以及施工誤差造成的管道軸線彎曲情況等。為減小頂管總頂進阻力，保證頂管單元的順利完成，施工中常用壓注觸變泥漿的辦法來減小摩阻力。就是在頂管過程中通過注漿管在管外壁與周圍土體之間注入潤滑漿液，使觸變泥漿在管道周圍形成一個封閉的泥漿套。當(dāng)頂進管道時，將克服管壁與土層之間的摩擦力轉(zhuǎn)化為觸變泥漿的剪切力，降低管壁與土之間的摩擦系數(shù)，從而達到減小摩阻力的效果。這種方法工藝簡單，效果好，而且有利于提高頂進速度，是目前長距離頂管施工中經(jīng)常采用的減摩措施。

1.2 計算頂進阻力的經(jīng)驗公式

影響頂進阻力的因素很多，不同的地區(qū)或同一地區(qū)不同的地質(zhì)條件下差別都較大。國內(nèi)外有多種計算頂管頂進阻力的方法，《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS：2008)和《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》(GB 50268—2008)也分別提供了計算頂管總頂進阻力的公式。前者是上海市政行業(yè)根據(jù)本地區(qū)觸變泥漿減摩頂管施工的經(jīng)驗并結(jié)合地區(qū)土層的具體條件總結(jié)出來的計算公式，這個公式在近些年用得比較多。后者是北京市政工程局根據(jù)北京地區(qū)頂管中實測頂力統(tǒng)計結(jié)果總結(jié)出來的經(jīng)驗公式，也是傳統(tǒng)計算頂管頂進阻力的公式。日本下水道協(xié)會也制定過頂進鋼筋混凝土管計算頂力的公式，計算程序相對復(fù)雜一些，在國內(nèi)使用得不多。

1.2.1 《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS：2008)提供的頂管頂力計算公式

F0=πD1Lfk+Nf

(1)

式中：F0——總頂力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；D1——管道的外徑，m；L——管道的頂進長度，m；fk——管道外壁與土的平均摩阻力，kN/m2，取值見表1所列；Nf——掘進機的迎面阻力，kN。

表1 觸變泥漿減阻管壁與土的平均摩阻力 kN/m2

注：玻璃纖維增強塑料夾砂管可參考鋼管乘以0.8的系數(shù)。

土壓平衡機械頂管掘進機的迎面阻力：

Nf=πD2γsHs

式中：Nf——頂管機的迎面阻力，kN；D——頂管機的外徑，m；γs——土的重度，kN/m3；Hs——覆土厚度，m。

1.2.2 《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》(GB 50268—2008)提供的頂管頂力計算公式

(2)

式中：P——計算的總頂力，kN；γ——管道所處土層的重度，kN/m3；D1——管道的外徑，m；H——管道頂部覆土厚度，m；φ——管道所處土層的內(nèi)摩擦角，(°)；ω——管道單位長度的自重力，kN/m；L——管道的計算頂進長度，m；f——頂進時，管道表面與其周圍土層的摩擦系數(shù)，其取值可按表2所列；PF——頂進時，工具管的迎面阻力，kN。

表2 頂進管道與其周圍土層的摩擦系數(shù)

1.2.3 日本下水道協(xié)會制定的頂進鋼筋混凝土管頂力計算公式

P=F0+μ′(πBcq+W)L+πBccL

(3)

式中：P——總頂力，t；F0——頂端阻力，F(xiàn)0=1.3πBcN，t；N——標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的N值；q——管道上的垂直荷載，q=p+ω；Bc——管道直徑；p——活荷載，p=3.78/(H+0.1)，當(dāng)p>1.0時，取p=1.0，t/m2；H——覆土深度，m；ω——太沙基公式計算的土的垂直均布荷載，ω=γ-(2c/Be)Ce，t；γ——土的重度，t/m3；c——土的粘結(jié)力，t/m2；Be——土的松弛寬度，Be=Bt{1+sin〔45°-(φ/2)〕}/cos〔45°-(φ/2)〕，m；Bt——管道的直徑，Bt=Bc+0.1，m；Ce——太沙基荷載系數(shù)，Ce=〔Be/(2Kμ)〕〔1-e-(2Kμ/Be)H〕；K——太沙基側(cè)向系數(shù)，1.0；μ——土的摩擦系數(shù)，μ=tanφ；φ——土的內(nèi)摩擦角；μ′——土和管的摩擦系數(shù)；W——管道單位長度的質(zhì)量，t/m；L——頂進長度，m。

這些計算公式都是根據(jù)特定地區(qū)頂管施工經(jīng)驗總結(jié)出來的，計算結(jié)果差別也比較大，在不同的地區(qū)也不一定適用。由于影響頂進阻力的因素較多，目前為止，還沒有一個可以利用管道設(shè)計參數(shù)和土層的巖土指標(biāo)來準(zhǔn)確計算頂進阻力的成熟的公式或方法。本文將以鄭東新區(qū)的頂管工程為實例，探討一下幾種頂力經(jīng)驗公式的計算結(jié)果與實際頂力值的對比情況，提出另外一種計算頂進阻力的技術(shù)方法。

2 區(qū)域工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)條件

據(jù)勘察資料，本區(qū)管道勘探深度范圍內(nèi)地層主要由全新統(tǒng)填土Q4ml，粉土Q4al+pl，粉質(zhì)粘土Q4al+pl和粉細(xì)砂Q4al+pl組成。根據(jù)地層結(jié)構(gòu)特點、成因和地質(zhì)時代及其工程地質(zhì)特征，主要分為4個主要地層及2個亞層，自上而下為：

①填土Q4ml，雜色，疏松，層厚0.5～1.2 m，層底標(biāo)高77.85～81.88 m；

②粉土Q4al+pl，褐黃色，稍濕，稍密，層厚1.0～6.4 m，層底標(biāo)高74.40～78.92 m；

②1粉質(zhì)粘土Q4al+pl，褐灰色，軟塑，層厚0.5～4.0 m，層底標(biāo)高73.37～77.27 m；

③粉土Q4al+pl，褐黃色，濕，稍密，層厚0.7～4.8 m，層底標(biāo)高70.75～75.90 m；

③1粉質(zhì)粘土Q4al+pl，褐灰色，軟塑，層厚0.9～5.1 m，層底標(biāo)高69.24～73.29 m；

④粉土Q4al+pl，褐黃色，濕，稍密，層厚1.0～5.2 m，層底標(biāo)高67.90～71.54 m；

⑤粉細(xì)砂Q4al+pl，灰褐色，飽和，中密—密實，該層在20 m勘探深度內(nèi)未揭穿。

各土層巖土參數(shù)如表3所示。

表3 土層巖土參數(shù)指標(biāo)統(tǒng)計

2.2 水文地質(zhì)條件

據(jù)勘察資料，場地地下水類型為第四系孔隙潛水，地下水位埋深3.25～7.27 m，年變幅2～3 m，接受大氣降水和河流補給，排泄類型為自然蒸發(fā)和人工開采活動。

2.3 工程概況

鄭州市鄭東新區(qū)污水處理廠廠外配套管網(wǎng)工程管道沿城市主干道一側(cè)布置，管道為D3000鋼筋混凝土管，埋深11.7～13.1 m。根據(jù)施工圖設(shè)計，工作井采用鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)，管道施工采用頂管施工工藝。場地地下水位埋深約3.5 m，頂管施工層位為第③1層粉質(zhì)粘土層和第④層粉土層，采用土壓平衡機械頂管施工工藝。推進設(shè)備采用4～8臺DTL350-18型等液壓千斤頂，單千斤頂提供最大頂力為2000 kN。為減少施工對周邊居民及道路交通的影響，經(jīng)綜合研究取消4個頂管接收井，接收井取消后使對應(yīng)的4個區(qū)段管道單向頂進長度均超過了600 m，最大長度達678 m。

3 頂進阻力計算

根據(jù)勘察資料提供的巖土參數(shù)，以埋深12.0 m、單向頂進長度678 m的D3000鋼筋混凝土管頂管單元為代表,分別采用3種不同方式計算本單元的總頂進阻力。

采用公式(1)即《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS：2008)提供的頂力計算公式模擬計算，掘進機的迎面阻力Nf=2261.50 kN，常態(tài)下總頂進阻力為270505.4 kN，觸變泥漿減摩狀態(tài)下總頂進阻力為55910.3 kN。不計算迎面阻力的情況下，觸變泥漿減摩后摩阻力為常態(tài)摩阻力的20.0%。

采用公式(2)即《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》(GB 50268—2008)提供的頂力計算公式模擬計算，掘進機的迎面阻力Nf=2261.50 kN，常態(tài)下總頂進阻力為371771.5 kN。按照20.0%的摩阻力折減系數(shù)，觸變泥漿減摩狀態(tài)下總頂進阻力應(yīng)為76163.5 kN。

采用公式(3)即日本經(jīng)驗公式計算，掘進機的迎面阻力Nf=122.86 t，即1228.6 kN，常態(tài)下總頂進阻力為247187 kN。按照20%的摩阻力折減系數(shù)，觸變泥漿減摩狀態(tài)下總頂進阻力應(yīng)為50420.0 kN。

根據(jù)以上3種經(jīng)驗公式計算觸變泥漿減摩狀態(tài)下678 m頂管單元采用土壓平衡機械施工的總頂進阻力，計算結(jié)果對比如表4所示。

表4 各階段頂進阻力值

4 頂管可行性分析與處理措施

4.1 管材抗壓強度計算

利用《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS：2008)提供的計算公式計算D3000強度等級C50的鋼筋混凝土管允許最大頂力：

Fdc= 0.5φ1φ2φ3fcAp/(rQdφ5)

式中：Fdc——混凝土管道允許頂力，N；φ1——混凝土材料受壓強度折減系數(shù)，可取0.9；φ2——偏心受壓強度提高系數(shù)，可取1.05；φ3——材料脆性系數(shù)，可取0.85；φ5——混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整系數(shù)，取0.79；fc——混凝土受壓強度設(shè)計值，N/mm2；Ap——管道最小傳力面積，mm2；rQd——頂力分項系數(shù)，可取1.3。

通過計算，強度等級C50的D3000鋼筋混凝土管的允許最大頂力為17991.3 kN。

4.2 頂管可行性分析

根據(jù)計算結(jié)果，3種公式計算管道頂進200 m的頂進阻力平均值為18793.8 kN，大于管材允許的最大頂力值17991.3 kN，也大于頂進設(shè)備可以提供的最大頂力16000 kN。也就是說必須采取有效的處理措施，否則頂管的單元長度不能超過200 m，不增加中繼間的話678 m的頂管單元不可能順利完成。

勘察資料提供的觸變泥漿減摩下混凝土管壁與粉質(zhì)粘土的摩阻力值為7.0 kN/m2，按照這個數(shù)值計算出來總頂進阻力為75143.3 kN。本次頂管層位土質(zhì)均在第③1層粉質(zhì)粘土和第④層粉土中，這兩層土在飽水狀態(tài)下土質(zhì)很軟，且在擾動下會出現(xiàn)砂土液化現(xiàn)象，這有利于降低頂進阻力。從經(jīng)驗上判斷，勘察單位提供的管壁與土的摩阻力值7.0 kN/m2有些偏高?！督o水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS：2008)提供的觸變泥漿減摩下管壁與軟粘土的摩阻力為3.0～5.0 kN/m2，按照規(guī)程提供的摩阻力值下限3.0 kN/m2進行計算，總頂進阻力為25253.8 kN。由此看來，采取有效的觸變泥漿減摩措施并提高注漿減阻效果在降低頂進阻力方面有很大的潛力可以挖掘。

4.3 處理措施

為高效、經(jīng)濟順利完成本次頂管施工任務(wù)，決定將最長的678 m區(qū)段作為頂管試驗段，以便準(zhǔn)確掌握各項頂進參數(shù)，積累地區(qū)施工經(jīng)驗，科學(xué)指導(dǎo)后面的頂管施工。施工過程中利用千斤頂上的油壓表對頂力進行連續(xù)性跟蹤監(jiān)測，精確記錄每個時段、不同頂進長度時的頂進阻力值。在地面設(shè)置沉降變形監(jiān)測點，對沉降值進行監(jiān)測，及時掌握施工對環(huán)境造成的影響情況，以便調(diào)整施工工藝和技術(shù)參數(shù)。

根據(jù)計算結(jié)果分析，單一采用壓注觸變泥漿減摩措施不能保證頂管施工順利完成，必須在區(qū)段中間設(shè)置頂進中繼間。當(dāng)頂力達到管材允許頂力的90%時，即頂力達到16200 kN時必須設(shè)置一道中繼間，以確保管材不被頂壞。按照這種原則結(jié)合中繼間的常規(guī)設(shè)置方法，試驗段中分別在距離掘進機機頭160、340、538 m等處設(shè)置了3道中繼間，利用中繼間將本區(qū)段劃分為了4個分段。同時，采用機頭同步注漿和管道跟進補漿相結(jié)合的方法確保注漿質(zhì)量和減摩效果。機頭后每3根管節(jié)設(shè)置一根定制的注漿管節(jié)，這根管節(jié)四周均布有3根DN30注漿管，通過DN50總注漿管連接BM160型三活塞式泥漿泵。通過注漿泵向管四周壓注觸變泥漿，觸變泥漿配比及性能為：膨潤土15%,純堿6‰,CMC2‰,含水量78.8%,粘度>30 s。注漿壓力控制在0.2～0.8 MPa。根據(jù)以往施工經(jīng)驗，控制注漿量不小于計算體積的1.5倍，掘進機外徑3620 mm，管道外徑3600 mm，計算出頂管中單位注漿量≮0.17 m3。

5 施工中頂進阻力與摩阻力反算

5.1 施工中監(jiān)測

頂管施工中發(fā)現(xiàn)實際頂進阻力值并沒有事先估算的那么大，詳細(xì)情況如表5所列。雖然按照經(jīng)評審的專項方案要求在預(yù)定位置安裝了3道中繼間，一直到頂管施工結(jié)束中繼間也沒有被開啟使用。而且，監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)當(dāng)注漿壓力達到0.5 MPa以上時，注漿量可以達到計算量的3倍以上，減摩效果好且經(jīng)泥漿置換后控制地面沉降效果也好。

表5 各階段實測頂進阻力值

5.2 計算頂進阻力與實測頂力對比

對比施工前估算的頂進阻力值與施工中實測頂力值發(fā)現(xiàn)：施工中實際頂力值遠(yuǎn)小于計算的頂進阻力，無論機頭迎面阻力還是區(qū)段總頂進阻力均小于計算值。而且，實際頂進阻力并不是隨著頂管推進長度的增加相應(yīng)的線性正比增加，而是開始階段頂力值增加快，中間有趨于穩(wěn)定甚至有略微降低的區(qū)段，最后階段頂力值又增加較快。實測的機頭迎面阻力值與日本經(jīng)驗公式(公式3)計算的值非常吻合。

5.3 原因分析

根據(jù)施工中頂力變化趨勢分析，起到降低頂進阻力作用的關(guān)鍵因素是注漿減摩，注漿減摩是頂管施工一個非常重要的環(huán)節(jié)。混凝土管與土體之間的摩擦屬于滑動摩擦，頂進施工中如果壓注的潤滑漿液可以在管子的四周形成一個完整的漿套，頂進阻力將大幅度降低。剛開始頂進階段之所以頂力增加比較快，就是因為漿套沒有形成或是形成的漿套不完整，管壁與土之間的摩擦力自然就隨著接觸面積加大而增加。后期階段頂力值又增加較快，原因是隨著頂管距離加長頂進偏差越來越多，造成管道前進的軌跡不是直線，從而直接導(dǎo)致頂進阻力增加。由于頂管層位土層較軟，又處于粉質(zhì)粘土和粉土的變層部位，注漿壓力稍大時，漿液擴散范圍較大，因此實際注漿量超過計算注漿量較多。

5.4 摩阻力反分析

根據(jù)施工中頂力監(jiān)測結(jié)果，利用《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS：2008)提供的頂力計算公式反算混凝土管壁與土體的實際摩阻力值(見表6)，以用來指導(dǎo)后面的頂管施工方案設(shè)計與施工。

表6 摩阻力反分析統(tǒng)計

摩阻力反分析計算結(jié)果表明，試驗段在觸變泥漿減摩措施下混凝土管壁與土體的單位摩阻力值為0.76～1.29 kN/m2。

6 應(yīng)用與效果分析

根據(jù)施工監(jiān)測結(jié)果和反分析計算，鄭東新區(qū)長距離頂管中在觸變泥漿減摩情況下，無論勘察單位提供的管壁與土體的摩阻力值還是《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS：2008)提供的摩阻力值均大于實際值。機頭迎面阻力值可以根據(jù)土層巖土參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)采用日本經(jīng)驗公式計算，摩阻力值可以按照試驗段實測頂力值進行反算，這樣就可以準(zhǔn)確計算出每個擬施工頂管區(qū)段的總頂進阻力。在保證注漿質(zhì)量的情況下，確定的頂力在本區(qū)實際頂進長度要大于按照規(guī)范下限值計算長度的2～3倍，可以大幅度減少長距離頂管中中繼間的使用數(shù)量。根據(jù)這種地區(qū)經(jīng)驗，在鄭東新區(qū)后續(xù)的長距離頂管施工中加強了注漿質(zhì)量的控制，注漿時按照注漿壓力和注漿量雙控的原則，注漿壓力控制在0.5～0.8 MPa，注漿量不小于計算體積的2～3倍，從而保證了注漿減摩效果。另外，頂進中的每階段尤其是開始頂進階段嚴(yán)格控制管道水平向和垂直向的偏差，保證管道軸線順直，降低管子行進阻力。同時，根據(jù)施工區(qū)段地質(zhì)條件計算出施工層位土體的主動土壓力和被動土壓力，控制掘進機的土倉壓力保持在兩者之間，降低了施工對環(huán)境造成的不良影響。

按照施工中總結(jié)的迎面阻力和摩阻力的計算方法，準(zhǔn)確計算了各頂管單元的頂進阻力，科學(xué)指導(dǎo)施工，順利完成全部頂管施工任務(wù)，而且提高了施工效率，降低了工程造價，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。

這種頂進阻力計算方法與施工技術(shù)對周邊地區(qū)的頂管施工也有很大的借鑒意義，值得進一步推廣應(yīng)用。

[1] 余彬泉,陳傳燦，等.頂管施工技術(shù)[M].上海：人民交通出版社，2003.

[2] 王剛.鄭東新區(qū)頂管施工中影響頂進阻力的因素分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2006,33(4):32-34.

[3] 王剛，趙建糧，趙目軍.鄭東新區(qū)地下管道頂管施工中常遇到的幾個問題[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2004,31(12):21-29.

[4] 隆威,傅斌,紀(jì)鵬,等.長距離管道頂管下無粘土漿液研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2012,39(5):68-70.

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[6] 白建市,賈志獻,肖長波.中粗砂地層中頂管頂進力計算分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2012,39(7):37-40.

[7] CECS：2008，給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程[S].

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

[9] JG J8—2007，建筑變形測量規(guī)范[S].

[10] GB 50021—2001，巖土工程勘察規(guī)范[S].

Discussion of Jacking Resistance Determination Method in Pipe-jacking Construction in Zhengdong New District

(1.No.2 Institute of Geo-environment Survey of Henan, Zhengzhou Henan 450053, China; 2.Tangshan Youth & Children’s Palace, Tangshan Hebei 063000, China)

This paper introduces the importance of pipe jacking resistance in pipe jacking construction, especially in long distance pipe jacking construction. The formulas for calculating jacking resistance in Technical Specification for Pipe Jacking in Water Supply and Drainage Engineering(CECS：2008)and Code for Construction and Acceptance of Water Supply and Drainage Pipeline Engineering(GB 50268—2008)as well as the formula for calculating jacking force of jacking reinforced concrete pipe made by Japan Sewer Association are listed. In a case of earth pressure balancing pipe jacking engineering in Zhengdong new district, the jacking resistance is tested and studied, the difference between theoretical calculation results and actual value is pointed out and new calculating method for the pipe jacking resistance suitable for Zheng Dong new district is put forward.

earth pressure balancing pipe jacking; long distance pipe jacking; jacking resistance; frictional resistance; Zhengdong new district

2016-12-20；

2017-03-27

王剛，男，漢族，1971年生，水環(huán)分院副院長，高級工程師，從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作，河南省鄭州市南陽路56號河南地礦大廈6樓607室，617623706@qq.com。

TU992；P634.7

A

1672-7428(2017)05-0088-05