連江縣塘坂引水二期工程頂管施工中頂力影響因素敏感性分析研究

游玲峰

(福建路港(集團(tuán))有限公司，福建 泉州 362000)

1 工程概況

連江縣塘坂引水二期工程中頂管施工的有三段，全長(zhǎng)3887.8m，占總線路長(zhǎng)度(9415m)的41.2%，第一段為觀音閣—獅山段G110+000～G110+436.3輸水鋼管頂管施工，凈長(zhǎng)度436.3m，頂管穿越敖江；第二段為炎埕坂—糧食儲(chǔ)運(yùn)中心段G130+180～G131+164.4、G131+398～G132+860.2輸水鋼管頂管施工；第三段為糧食儲(chǔ)運(yùn)中心—遠(yuǎn)洋漁業(yè)公司G140+000～G140+771.3輸水鋼管頂管施工。三段頂管穿越土層主要為淤泥層，埋設(shè)深度6～22m。頂管設(shè)計(jì)為頂進(jìn)DN2200鋼筋混凝土管，管道內(nèi)安裝DN1200輸水鋼管，頂管共設(shè)計(jì)7個(gè)工作井，井內(nèi)尺寸均為10m，8個(gè)接收井，井內(nèi)尺寸均為8m，工作井和接收井采用沉井、三軸水泥攪拌樁及高壓旋噴樁刃腳加固和支護(hù)施工。頂管頂進(jìn)中頂管力主要受到覆土層高度、頂管外徑、內(nèi)摩擦角及地下水位的影響，在設(shè)計(jì)施工中通過(guò)對(duì)這些影響因素進(jìn)行分析比較，得到各影響因素對(duì)頂力的影響規(guī)律，為設(shè)計(jì)施工提供指導(dǎo)。

2 頂管施工頂力公式推導(dǎo)

2.1 頂管阻力公式推導(dǎo)

2.1.1 頂管上層土壓力

根據(jù)工程實(shí)際情況，頂管中心線為直線，頂管在施工中隨著土壓泥水平衡兩用頂管掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭刀盤切入土體，前方土體會(huì)隨之松動(dòng)坍塌，周圍土體也受到影響，這是由于頂管頂推力與周圍土層發(fā)生作用而使土體產(chǎn)生擾動(dòng)。為便于研究，采用太沙基(Terzagtfi)理論來(lái)計(jì)算頂管上層土壓力[1-2]，土壓力示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 頂管上方土壓力示意圖

根據(jù)拱頂理論，頂管上層土壓力值大小為

(1)

2B=2[b+htan(45°-φ/2)]

(2)

式中σ——頂管上層土壓力，kN/m2；

γ——土層的重度，kN/m3；

b——頂管中心線到頂管外徑的寬度，m；

B——頂管管道上部對(duì)管道荷載作用的寬度，m；

h——頂管高度，對(duì)于圓形鋼筋混凝土頂管，h=D外，m；

H——覆土層高度，m；

λ——土壓力系數(shù)；

φ——土的內(nèi)摩擦角。

對(duì)于圓形鋼筋混凝土頂管，D外=2b=h，整理后的作用在頂管上方的土壓力計(jì)算公式為

(3)

根據(jù)土力學(xué)知識(shí)，頂管土壓力為土層的重度與其有效高度之積，即σ=γH有效，帶入式(3)整理得到

(4)

2.1.2 頂管迎面阻力Rn

頂管頂進(jìn)土體中，管道前方土體對(duì)管道前進(jìn)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(jì)算公式如下：

p1=λ0σ

(5)

p2=p1+λ0γD外=λ0(σ+γD外)

(6)

(7)

式中，土壓力系數(shù)λ=tan2(45°-φ/2)。

本次考慮頂管為直線，均衡頂進(jìn)施工的情況，得λ0=1，聯(lián)立式(1)～式(7)進(jìn)行求解，最終求得的管頂迎面阻力公式為

(8)

本工程土質(zhì)為黏土，土層重度γ為19.8kN/m3，內(nèi)摩擦角為16°，頂管為DN2200鋼筋混凝土Ⅲ級(jí)管，管壁厚0.22m，頂管外徑D外為2.64m，覆土層高度在6～21m，本文取H=16m進(jìn)行計(jì)算，參數(shù)取值及計(jì)算得到的結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 頂管迎面阻力理論值計(jì)算(H=16m)

2.2 頂管管壁阻力的計(jì)算

頂管管道周圍阻力的計(jì)算公式為[4]

F摩=μpS=MS

(9)

式中F摩——摩擦阻力，kN；

μ——摩擦系數(shù)，取0.5(按最不利因素考慮)；

p——管道周圍的壓力值，包括作用在管道上方土壓力p頂=γH有效，管道兩側(cè)1處(見(jiàn)圖1)壓力p1= (H有效+ 0.5D外)λ1γ，管道兩側(cè)2(見(jiàn)圖1)處壓力p2= (H有效+0.5D外)λ2γ，管底處壓力P底=(H有效+D外)γ+G/D外，kN/m2；

S——管道與土體接觸面積，S=πD外L， m2；

M——單位面積摩擦阻力，kN/m2。

將管道周圍壓力計(jì)算公式帶入得

(10)

式中γ中——土壤的平均重度，γ中= (γ水上H水上+γ水下H水下)/(H水上+H水下)；

G——頂進(jìn)管道每1m長(zhǎng)度的重量，當(dāng)使用注漿技術(shù)且有足夠的浮力支撐管道重量時(shí)，G取為0。

本工程計(jì)算時(shí)只考慮頂管為直線，均衡頂進(jìn)施工的情況，λ1=λ2=λ。計(jì)算后得到的結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 管壁阻力理論值計(jì)算

注L為頂進(jìn)長(zhǎng)度

2.3 頂管總阻力

頂管頂進(jìn)過(guò)程中主要受到頂管迎面阻力和管壁阻力的作用[5]，所以總阻力為兩者之和，即：F總=Rn+F摩=136.9+65.3L(tf)。

3 理論計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值對(duì)比分析

3.1 頂管頂進(jìn)過(guò)程中頂力實(shí)際測(cè)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，計(jì)算公式為

(11)

式中D——油缸直徑，280mm；

n——千斤頂數(shù)量，4只；

p——壓力表讀數(shù)，MPa。

頂進(jìn)過(guò)程中應(yīng)實(shí)時(shí)跟蹤壓力表讀數(shù)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 頂進(jìn)過(guò)程中的頂力實(shí)測(cè)值

3.2 實(shí)際測(cè)量值與計(jì)算對(duì)比分析

計(jì)算結(jié)果及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較

由比較結(jié)果可知，由太沙基理論公式計(jì)算得到的結(jié)果是偏于保守的，比實(shí)際測(cè)量值要大，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可以乘以一個(gè)小于1的系數(shù)來(lái)調(diào)整頂力數(shù)值，從而達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的雙重效果[4]。

4 頂管施工中影響因素敏感性分析

4.1 影響因素敏感性分析原理

敏感性分析是假設(shè)影響頂力的單一因素發(fā)生變化而其他因素不變，分析其對(duì)最終頂力影響的敏感性強(qiáng)弱。將各個(gè)影響因素逐一分析，得到各自對(duì)頂力的敏感性，最后綜合得出各個(gè)因素的影響程度。本文頂管施工中，迎面阻力的影響因素有覆土層高度、管道外徑和土內(nèi)摩擦角；管壁阻力的影響因素有地下水位高度、管道外徑及覆土層高度等[4-6]。

4.2 各因素對(duì)頂管迎面阻力敏感性分析

影響頂管阻力的因素有覆土層高度H、管道外徑D外和內(nèi)摩擦角φ，在進(jìn)行敏感性分析之前，先確定一個(gè)比較基準(zhǔn)。本文標(biāo)題2下迎面頂力理論計(jì)算值(H=16m)為計(jì)算基準(zhǔn)值，分析時(shí)每次選擇一個(gè)影響因素變化，其他因素不變。三個(gè)影響因素計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表5，覆土層高度值變化對(duì)應(yīng)的迎面阻力計(jì)算結(jié)果 (部分)見(jiàn)表6，計(jì)算所得對(duì)應(yīng)的迎面阻力Rn如圖2～圖4所示。

表5 迎面阻力各影響因素及計(jì)算參數(shù)

表6 覆土層高度值變化對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果(部分)

圖2 覆土層高度對(duì)迎面阻力的影響

圖3 管道外徑對(duì)迎面阻力的影響

圖4 內(nèi)摩擦角φ對(duì)迎面阻力的影響

覆土層高度H、管道外徑D外及內(nèi)摩擦角φ變化時(shí)對(duì)迎面阻力的影響敏感性分析結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 各影響因素對(duì)迎面阻力的敏感性分析

通過(guò)迎面阻力影響因素的敏感性分析可知，頂管施工中三個(gè)因素對(duì)迎面阻力的影響程度由重到輕依次為管道外徑D外、覆土層高度H、內(nèi)摩擦角φ；迎面阻力值隨覆土層高度H的增加而增大且呈線性方式發(fā)展，隨管道外徑D外增大而增大且呈二次方方式發(fā)展，隨著摩擦角φ增大而降低，但當(dāng)摩擦角增大到一定程度時(shí)，迎面阻力趨于穩(wěn)定。

4.3 各因素對(duì)頂管外壁摩擦阻力敏感性分析

影響管壁阻力的因素有地下水位H水上、管道外徑D外、覆土層高度H，頂管管壁阻力計(jì)算公式在2.2中已經(jīng)推導(dǎo)出來(lái)，在進(jìn)行各因素對(duì)管壁阻力敏感性分析前，同頂管迎面阻力敏感性分析一樣，先確定一個(gè)比較基準(zhǔn)，以本文標(biāo)題2下管壁頂力理論計(jì)算值為計(jì)算基準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算[4-5]，取頂進(jìn)長(zhǎng)度L為10m。

本次分析每次只取一個(gè)影響因素變化，其他因素不變。三個(gè)影響因素計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表8，計(jì)算所得對(duì)應(yīng)的管壁阻力F摩如圖5～圖7所示。

圖5 地下水位對(duì)管壁阻力的影響

圖6 管道外徑對(duì)管壁阻力的影響

圖7 覆土層厚度對(duì)管壁阻力的影響

表8 管壁阻力各影響因素及計(jì)算參數(shù)

覆土層高度H、管道外徑D外及地下水位H水上變化時(shí)對(duì)管壁阻力的影響敏感性分析結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 各影響因素對(duì)管壁阻力的敏感性分析

由以上圖、表可以看出，三個(gè)因素對(duì)管壁阻力的影響程度由重到輕依次管道外徑D外、地下水位H水上、覆土層高度H。同時(shí)，管壁阻力值隨著地下水位H水上的增加而增加，隨著管道外徑D外的增大而增大，隨著覆土層厚度H的增大而增大，且三個(gè)影響因素與管壁阻力均呈線性發(fā)展形勢(shì)[7]。

5 結(jié)論及建議

根據(jù)頂管阻力理論計(jì)算、實(shí)際測(cè)量及頂管頂力影響因素敏感性計(jì)算分析，得到以下結(jié)論：

a.頂管頂力的計(jì)算是頂管工程開始的第一步，關(guān)系到后面所有環(huán)節(jié)的正確與否，合理地計(jì)算頂管存在的頂力是非常必要的。

b.結(jié)合太沙基理論等相關(guān)定理對(duì)頂管頂進(jìn)過(guò)程中的迎面阻力、管壁阻力進(jìn)行理論計(jì)算，并與工程施工時(shí)實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比分析，得到理論值略大于實(shí)際測(cè)量值，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)乘以小于1的參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)頂力值。

c.通過(guò)深入研究影響頂管施工頂力的相關(guān)因素，運(yùn)用敏感性分析方法對(duì)頂管施工中對(duì)頂力影響較大的因素，即覆蓋層高度H、管徑D外、內(nèi)摩擦角φ及地下水位H水上進(jìn)行研究，得到了頂管迎面阻力及管壁阻力的敏感性成果，可為頂管工作提供指導(dǎo)和參考依據(jù)。