頂管施工中的頂力計算及關(guān)鍵性技術(shù)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(biāo)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(yè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(yè)公司(G140+000～G140+771.3)輸水鋼筋混凝土Ⅲ級管頂管施工，設(shè)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(shè)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(biāo)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(zhì)土及泥炭，揭露厚度14.2 m～30.0 m。泥炭質(zhì)土及泥炭為有機質(zhì)質(zhì)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(gòu)造形式存在粘土中。頂管沿線無不良物理地質(zhì)現(xiàn)象，沿線Qal+L層巖性較均一，基本均為粘土，且層厚較穩(wěn)定，適宜頂管施工。

③砂土狀中風(fēng)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(qū)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(dǎo)

2.1 頂管迎面阻力公式推導(dǎo)

2.1.1 頂管上層土壓力

根據(jù)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(fā)生作用而使土體產(chǎn)生擾動。這種發(fā)生在管道與土層之間的作用復(fù)雜。為便于研究，本文采用《土力學(xué)》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(fā)來推導(dǎo)豎向圍巖壓力的，由頂管覆土壓力作用于頂管而使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，隨之引起地塊地移動。根據(jù)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(shù)值；φ 土的內(nèi)摩擦角。

計算公式為：

根據(jù)土力學(xué)，頂管鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(lián)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(chǎn)生阻力，阻力Rn的大小應(yīng)根據(jù)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(zhì)為粘土，土層容重γ 為20 kN/m3，內(nèi)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(shù)取值及計算得到的結(jié)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(dǎo)

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(shù)，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(cè) 1 處壓力 P1=（H有效+0.5D外)h1y，管道兩側(cè) 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(shù)，注漿液產(chǎn)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(jié)果見表 2。

表2 管壁阻力計算結(jié)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(shù)量，4 只；P 為壓力表讀數(shù)，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(yīng)讀取壓力表讀數(shù)，將得到的結(jié)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(xiàn)場壓力表實測及計算結(jié)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(jù)千斤頂數(shù)量、千斤頂直徑、油泵壓力表讀數(shù)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(xiàn)場實測數(shù)據(jù)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(jié)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(shè)計施工中應(yīng)根據(jù)工程經(jīng)驗乘以小于1 的系數(shù)來調(diào)整頂力設(shè)計值，既能夠保證施工安全，又可以達到節(jié)省投資效果。

4 頂管施工中設(shè)備選擇及工作井制作

4.1 頂進設(shè)備

結(jié)合現(xiàn)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(shù)要求可知，手掘式頂管機施工簡單，成本低，但是對地質(zhì)條件要求高，在敞開環(huán)境下頂進施工人員危險性大[5]?，F(xiàn)將其他兩種頂管機進行性能及適用范圍比較，比較結(jié)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(zhì)粘土（占鉆孔揭露巖芯的92%），夾泥炭質(zhì)土及泥炭，揭露厚度14.2 m～30.0 m。根據(jù)施工經(jīng)驗，結(jié)合本工程的施工條件和土質(zhì)情況，選擇土壓泥水平衡兩用頂管掘進機及配套設(shè)備，型號TPN1600，該機型使用土質(zhì)范圍廣，具有獨立的注水、注漿系統(tǒng)及糾偏系統(tǒng)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(shè)備及頂管機始發(fā)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(dāng)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(nèi)徑10 m 壁厚1.1 m，接收井G110+001.5 深度最深達19.9 m，內(nèi)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(shè)計及井筒結(jié)構(gòu)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(shè)置低于兩節(jié)交接面0.5 m，施工縫為凹型。沉井下沉第一節(jié)、第二節(jié)采用挖掘機挖土，第三節(jié)、第四節(jié)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(dāng)?shù)谝还?jié)沉井下沉至設(shè)計要求的標(biāo)高時，應(yīng)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(cè)上下左右各3 m 范圍設(shè)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(jié)論及建議

根據(jù)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(jié)論：

（1）在頂管工程設(shè)計施工時，頂管總頂力的理論計算直接關(guān)系到頂管設(shè)計施工后面所有環(huán)節(jié)的正確與否，應(yīng)選擇合理的理論依據(jù)，頂管頂進中總頂力值的大小。

（2）結(jié)合太沙基理論等相關(guān)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(shè)計時應(yīng)乘以小于1的參數(shù)來調(diào)節(jié)頂力值，從而為頂管設(shè)計工作提供指導(dǎo)和參考。

（3）從技術(shù)角度進行頂管施工中設(shè)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。