顶管和微型隧道施工中顶进力的分析计算

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1、第21卷第2~3期2004年非开挖技术TrenclllessTechnologyV01．21．No．2—3Apr，2004顶管和微型隧道施工中顶进力的分析计算马保松曾聪(中国地质大学(武汉)工程学院武汉430074)摘要：顶管和微型隧道施T中顶进力的分析计算一直是该领域值得研究的问题，本文分析了顶管和微型隧道施T中影响顶进力的各种因素，按照施工方法的不同，分别对敞口式和压力平衡式顶管施工时的贯入阻力的分析计算进行了详细地探讨；并研究分析了顶管和微型隧道施工中的摩阻力计算方法。关键词：顶管、微型隧道、顶进力、分析计算

2、1概述微型隧道和顶管技术中的顶进力(TackingLoa∽是在施工中推进整个管道系统和相关机械设备向前运动的力．顶进力需要克服顶进中的各种阻力(摩阻力、工具管前端的迎面阻力或称为贯人阻力等)(见图1)，同时在顶进过程中还不断受到各种外界因素影响(纠偏、后背的位移等)。所以在顶管工程实施之前，准确计算所需的顶进力不仅有利于合理设计顶进工作站和中继站。而且对于后背墙的设计也是至关重要的。因此，合理、准确计算顶进力对于实施顶管和微型隧道工程具有十分重要的意义和不可忽视的作用。在顶管和微型隧道施工中，一旦施工的顶进长度确定

3、以后，就可以据此来确定顶进力。然后根据所确定的顶进力的大小来分别进行顶进管道、顶进设图1顶管和微型隧道施工中的受力示意图备和后座墙等的选择和设计。影响顶进力的因素可以分为两大类：一是施工设计和现场施工条件的影响．二是施工工艺因素的影响。施工设计和现场施工条件对顶进力的影响主要包括如下因素：(1)顶进管道的尺寸、形状、自重和外表面的性质：(2)施工管线的长度；(3)土层类型及其在施工过程中的变化情况；(4)地下水位高度；(5)土体的稳定性；(6)覆土厚度以及上部地层的比重；(7)地表的载荷情况。施工工艺对顶进力的影响

4、因素主要包括：(1)施工中的超挖量；(2)施工中所采用的润滑措施；(3)管接头处的台阶和／或管接头变形；(4)曲线段的顶进；(5)管道的错位；(6)中继站的采用；(7)管道的顶进速度；(8)施工停顿的频度和时间长短。上述大部分影响因素是针对摩擦阻力的，其中只有少数对迎面阻力其作用．下面将详细讨论这些影响因素。作者简介：马保松，男，汉族，河南唐河县人，1968年生。工学博士，地质T程专业，副教授，目前主要从事非开挖地下管线工程技术的科学研究和教学t作。第21卷第2~3期马保松曾聪：顶管和微型隧道施工中顶进力的分析计算

5、9l2迎面切人阻力的分析计算对于敞开式和压力平衡顶管和微型隧道施工方法，其迎面切入阻力(FaceResis伽1ce／Pene仃ationResistallce)的来源也不同，下面将分别对其进行讨论。这里指的敞开式顶管和微型隧道工法包括手掘式顶管和其它采用螺旋钻头和切削刀头非压力平衡方法；压力平衡掘进法包括土压平衡法、加泥式土压平衡法和纯粹的泥水平衡等类似工法。2．1敞开式顶管的迎面切入阻力计算德国人对顶管施工时切削工具管的切入阻力研究较多，其中Herzog通过对打入桩的深人观察研究，并和顶管技术现场记录成功地结合起

6、来．建立了如下水平顶管切削阻力计算公式：Ps21T×Ds×tS×ps这里：PS_切削阻力，kN；DS-顶管机外径，m；寸一切削工具管的壁厚，m：pr单位面积土的端部阻力(见表1)，kN／m7．表I不同地层的单位面积土的端部阻力风土层类型A／kN．m_2软岩，固结土12000砂砾石层7000致密砂层6000中等密度砂层4000松散砂层2000硬一坚硬粘土层3000软一硬粘土层1000粉砂层，淤积层400这里值得说明的是，Herzog认为顶管作业是在岩石中掘进，而不是简单地将管道在已开挖好得空洞中向前推进，所以，在岩石

7、中的端部阻力取值较大。schede通过对这一问题的综合研究．提出了计算迎面阻力的阻力系数￡，根据地层类型的不同，这一系数取值在300~600kN／m2之间。用该系数乘以切削面积即可得切入阻力，计算公式如下：一2PS_半×￡土的内摩擦角图2承载力系数与土的内摩擦角的关系这里：PS_切削阻力，kN；D广顶管机外径，m；6——阻力系数，取值范围为300~600kN／mz。根据对实际施工记录的分析和实验室研究。weber给出了确定切削阻力的如下计算公式：Ps=(一yB×Z×tan巾+c)×k×1T×D×ts式中：弧一土的重

8、度，kN／m3；z——覆土厚度，m；由——土的内摩擦角：D——螺旋输送装置的直径，m；卜切削工具管的壁厚，m；入。-一承载力系数。该系数与土的内摩擦角的关系如图2所示。weber的实验研究还表明。切削刀头在工具管中的位置也是影响切人阻力的一个重要因素(图3)。当切削刀头位于工具管刃口相对靠后的位置时。实测的结果和利用上面最后一个方程的计算结果吻合得比较好；但