深埋條件下曲線頂管頂力分析

要倩雅，王梓任，姚永寬，任 強(qiáng)

深埋條件下曲線頂管頂力分析

要倩雅，王梓任，姚永寬，任 強(qiáng)

（北京金河水務(wù)建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102206）

在設(shè)計(jì)頂管時，頂力計(jì)算是非常關(guān)鍵的一環(huán)，是千斤頂、中繼間、后背墻、頂進(jìn)長度的重要設(shè)計(jì)依據(jù)。在深埋條件下，試圖從普氏理論出發(fā)，考慮土體產(chǎn)生的壓力拱效應(yīng)，先計(jì)算頂管在直線頂進(jìn)時的管側(cè)摩阻力，再利用靜力學(xué)理論對曲線頂管進(jìn)行力學(xué)分析，分析曲線頂管頂力增大的原因，提出一個新的曲線頂管頂力計(jì)算公式。并利用實(shí)際工程實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果較為接近。

深埋條件；曲線頂管頂力；普氏理論；靜力學(xué)

在頂管施工中如何計(jì)算頂力是重中之重，但對于曲線頂管的頂力計(jì)算尚沒有明確的規(guī)范規(guī)定。在計(jì)算頂力時，管土之間的摩阻力占據(jù)總頂力的重要部分。當(dāng)前計(jì)算管土之間的摩阻力模型主要有管土部分接觸模型[1]和管土全接觸模型2種[2]，眾多學(xué)者基于此對管土之間摩阻力進(jìn)行了研究。王承德[3]對規(guī)范中的圓形管節(jié)和方形管節(jié)理論公式進(jìn)行了修正，重新推導(dǎo)了側(cè)摩阻力計(jì)算公式；林越翔等[4]通過運(yùn)用土柱理論和普氏壓力拱理論，推出了淺埋和深埋仿矩形頂管管壁摩阻力的理論公式。除了上述2種模型，葉藝超等[5]、王雙等[6]、張鵬等[7]還考慮了泥漿對頂進(jìn)力的影響。將基于管土全接觸理論，考慮在深埋條件產(chǎn)生壓力拱的條件下，利用文獻(xiàn)[3]的方法計(jì)算壓力拱下的土壓力進(jìn)而計(jì)算在直線頂進(jìn)時的管土之間的摩阻力，再采用靜力學(xué)理論對曲線頂進(jìn)時的力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行受力分析，以此推導(dǎo)曲線頂管的計(jì)算公式。

1 深埋直線頂管頂力分析

1.1 普氏理論

普氏理論是俄國學(xué)者普羅托吉雅柯諾夫首次提出的理論。其針對松散介質(zhì)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)并通過結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行分析認(rèn)為：當(dāng)洞室開挖之后，土層原有的平衡狀態(tài)被打破，洞室上方土體會發(fā)生塌落，但上方塌落的土體不會一直延伸到地面，而是塌落到一定高度后，土體重新達(dá)到平衡，即需要考慮土體的拱效應(yīng)。當(dāng)頂管在埋深較大的情況下施工時，也需要考慮土體的拱效應(yīng)，拱上面部分的土壓力由壓力拱拱承擔(dān)，拱下面的土體造成的土壓力由頂管承擔(dān)，可以按照土柱理論分析計(jì)算。利用普式理論計(jì)算的圓形頂管豎向土壓力可由圖1所示。

圖1 圓形頂管普氏理論豎向土壓力示意圖

理論公式如下：

圖2是利用普氏理論求得的土壓力分布，可以看出土壓力上下左右分別對稱，因此只需分別取上下和左右的一側(cè)求解摩阻力，最后乘以2即可。

圖2 管周土壓力分布

1.2 頂管上方產(chǎn)生的正壓力計(jì)算

圖3是計(jì)算頂管上方產(chǎn)生的土壓力積分示意圖。由圖1及式(1)～式(3)可以推出卸荷拱ACB的曲線方程是：

圖3 管頂土壓力積分

管頂上的任一點(diǎn)豎向土壓力為：

(5)

1.3 頂管兩側(cè)產(chǎn)生的正壓力計(jì)算

式中：1為主動土壓力系數(shù)。

圖4 管側(cè)土壓力積分

1.4 迎面阻力

頂管頂進(jìn)過程中的迎面阻力取決于頂管機(jī)前方的土層的水平土壓力，并且為了控制對地面環(huán)境的影響，需要盡力保持頂管機(jī)前方土體相對平衡，因此利用靜止土壓力理論計(jì)算迎面阻力比較適合實(shí)際情況?？梢杂孟率接?jì)算：

直線頂管中總阻力為：

2 深埋曲線頂管頂力分析

圖5 曲線頂管受力圖

則由曲線施工中頂進(jìn)一根管需要克服的摩擦力為：

綜上所述可得，曲線頂管施工工程中總頂力：

第三節(jié)上的頂力2：

第四節(jié)上的頂力3：

3 工程案例

在本工程中頂管頂進(jìn)過程中的迎面阻力為開始時的頂力為711 kN，迎面阻力計(jì)算公式為：

AB段，推導(dǎo)公式頂力計(jì)算：

曲線BC段，曲率半徑為1 000 m，頂管節(jié)數(shù)為18，管接口處張開角度0.14°，推導(dǎo)公式頂力計(jì)算：

CD段，推導(dǎo)公式頂力計(jì)算：

總頂力為直線段AB、CD和曲線段BC的頂力及迎面阻力之和，計(jì)算如下：

從圖6和表1可以看出，本文推導(dǎo)公式比較符合實(shí)際，總頂力計(jì)算值和實(shí)際頂力值相差在13.1%左右，曲線段相差在12%左右。

表1 實(shí)測頂力值與本文公式及規(guī)范公式計(jì)算頂力比較

區(qū)段實(shí)測值/kN本文公式 計(jì)算值/kN誤差/% 直線AB段7269851917.1 曲線BC段2320259812.0 直線CD段16091554-3.5 總區(qū)段119091347113.1

4 結(jié)論

(1)根據(jù)頂管頂力的實(shí)測值可以看出，頂力隨著頂進(jìn)距離的增加而增加。

(2)在曲線頂管中，頂力在頂管接頭處與管道軸線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的偏向力是造成曲線頂管頂力增加的主要原因。

(3)基于普氏理論，充分考慮了頂管深埋條件下的土拱效應(yīng)，推導(dǎo)出直線頂管的頂力計(jì)算公式，在此基礎(chǔ)上利用靜力學(xué)理論推導(dǎo)出曲線頂管計(jì)算公式。將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)相比較，計(jì)算結(jié)果比較接近實(shí)際情況。該公式更適用于較大埋深的曲線頂管頂力計(jì)算。

[1] HASLEM R F. Pipe-jacking forces :from practice to theory[C]//Proceedings of ICE North Western Association Centenary Conference in Infrastructure Renovation and Waste Control Manchester: Manstock, 1986: 173.

[2] OREILLY M P, ROGERS C D F. Pipe jacking forces[C]//Proceedings of International Conference on Foundations and Tunnels. Edinburgh: Engineering Technics Press, 1987: 201.

[3] 王承德. 頂管施工中管壁摩阻力理論公式的商榷[J]. 特種結(jié)構(gòu), 1999(3): 22-25.

[4] 林越翔, 彭立敏, 吳桂航, 等. 仿矩形頂管管壁摩阻力理論公式的探討[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2017, 54(4): 180-185.

[5] 葉藝超, 彭立敏, 楊偉超, 等. 考慮泥漿觸變性的頂管頂力計(jì)算方法[J]. 巖土工程學(xué)報, 2015, 37(9): 1653-1659.

[6] 王雙, 夏才初, 葛金科. 考慮泥漿套不同形態(tài)的頂管管壁摩阻力計(jì)算公式[J]. 巖土力學(xué)，2014, 35(1): 159-166, 174.

[7] 張鵬, 馬保松, 曾聰, 等. 基于管土接觸特性的頂進(jìn)力計(jì)算模型分析[J]. 巖土工程學(xué)報, 2017, 39(2): 244-249.

[8] Pellet B A L, Kastner R. Experimental and analytical study of friction forces during microtunneling operations[J]. Tunnellingand Underground Space Technology, 2002, 17: 83-97.

Jacking Aorce Analysis of Curved Pipe in Deep Buried Condition

YAO Qian-ya, WANG Zi-ren, YAO Yong-kuan, REN Qiang

（Beijing Jinhe Water Construction Group Co. Ltd, Beijing 102206, China）

Jacking force calculation is a very key part in the design of pipe jacking, which is an important design basis for jack, trunk, back wall and jacking length. In the deep buried condition, this paper tries to consider the pressure arching effect of soil mass from the Platelloway theory, firstly calculates the lateral friction resistance of pipe jacking in a straight line, and then uses the statics theory to carry out mechanical analysis on the curve jacking force, analyzes the reasons for the increase of the curve jacking force, and puts forward a new calculation formula for the curve jacking force. By comparing the measured results with the calculated results, it is found that the calculated results are close to the measured results.

deep burial condition; curved pipe jacking force; Platts theory; statics

10.15916/j.issn1674-3261.2023.03.012

TU990.3

A

1674-3261(2023)03-0206-05

2023-02-23

要倩雅(1985-)，女，河北承德人，工程師。

責(zé)任編輯：孫 林