顶管技术中顶力计算问题探讨

河南省矿建设工程（集团）有限公司 栗 营

河南郑州市水利建筑勘计院 徐征亚

顶管技术中顶力计算问题探讨

河南省矿建设工程（集团）有限公司 栗 营

河南郑州市水利建筑勘计院 徐征亚

目前国内有关顶管技术方面的专业书籍较多，对于顶力的计算各有见解，没有统一的说法，最权威的两本国家级规范《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB 50268-2008）和已经被替代的《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB 50268-1997）（以下简称《2008规范》和《1997规范》)采用顶力的计算公式也不同，目前能够查到的顶力计算公式有十几种之多，而每个公式所使用的地区和工艺又有所不同，给设计和施工的顶力计算带来了很多的不便。本文，笔者结合工程实例，分别采用《2008规范》和《1997规范》对顶力计算进行探讨。

一、顶管原理和特点

顶管是借助顶推装置，将管道在地下逐节顶进的非开挖施工技术。因其特殊的施工工艺，常被当作穿越铁路、公路、河川及地面不允许被破坏的地区的施工手段，其最大的特点是对地面的扰动较小，但是它对管材、施工水平、投资要求较高。

二、顶力的影响因素和公式分析

对于管材的要求关键是顶推装置所产生的顶进动力，即为顶力，管材必须能够安全承受。影响顶力大小的因素很多，主要有：管道的材质、土的性质、工人的熟练程度和顶进的长度等。

针对以上因素《1997规范》6.4.8条款给出的顶力计算公式为：

式（1）主要从管道与周围土体之间的相互影响考虑，顶力是克服管道与土体之间挤压所产生的摩擦力，公式涉及的参数较多，考虑较为细致，但是对于管道顶部以上覆盖土层的厚度没有加以区分，在土层稳定埋设较深的顶进工程中计算值过于大，显然是不合适的。

《2008规范》6.3.4条款给出的顶力计算公式为：

式（2）是建立在减阻基础上的，省掉了许多参数，相当于把复杂问题简单化了。减阻有两种途径：一是扩孔，一是压注减阻泥浆。一般情况地下水位以上的顶管，大部分土层比较稳定，扩孔后管道不直接承受土压力作用。地下水位以下的顶管，扩孔后管道与土层之间压注减阻泥浆，管道是浮在泥浆套中向前移动的，管道不直接承受土压力作用。

对于采用触变泥浆减阻技术的,可以选用规范中表格数据，也可以根据后背墙抗力和管道的承载力综合设定平均摩阻力，由减阻措施达到此值；不采用触变泥浆减阻技术和覆盖土层不稳定的规范中明确通过实验确定，但是不是所有的工程在前期设计中都能做到实验先行，特别是中小型工程难度更大。

综合以上分析，两公式都有一定的局限性，在一定的情况下使用相应的公式会比较准确，分析目前的工程设计情况，一般可分为以下几种情况。

1.从土质来说，当上覆土层为饱和疏松的粉细砂、淤泥、干燥的砂类土等不稳定土层时，上覆土层由于自身抗剪强度很低，可按一般的土柱公式来计算土压力；从施工工法来说，在单程顶进一般不超过100 m，覆盖层较薄（一般不大于8 m）时，大多采用土质基坑、人工掘进，一般不需用化学泥浆减阻措施，此工法顶进时对管道周围的土体扰动较大，精度难以控制，容易出现抬头、磕头、偏移等不确定因素，造成顶力增大。以上情况经工程实践对比采用《1997规范》6.4.8条款给出的顶力公式计算是比较准确的。

2.从土质来说，当上覆土层为可塑、坚硬状态的黏性土及不饱和的砂土等稳定土层时，上覆土层因自身抗剪强度的作用，使作用在管道上的土压力小于上覆土自重，此时应考虑土体拱效应的作用；从施工工法来说，在单程顶进一般不超过200 m，覆盖层较厚且趋于稳定或稳定土层（一般大于8 m）时，大多采用硬质基坑、机械掘进，一般不需用化学泥浆减阻措施，此工法顶进时精度容易控制，对周围的土体扰动较小。以上情况即经工程实践对比采用《大型地下顶管施工技术原理及应用》6～13条给出的顶力计算公式是比较准确的，此公式是在《2008规范》的公式的基础上考虑了土拱效应后修订而成，拱顶松弛层的高度计算采用太沙基松弛土压力公式为：

式（3）中，H`为松弛层高度(m)。

修正后的顶力公式为：

3.采用减阻措施，主要是膨润土触变泥浆和以人工合成的高分子聚合物为主的化学泥浆，扩孔后加注减阻泥浆管道使泥浆套中间向前移动的，管道不直接承受土压力作用，与土层的高度无关。施工工法大多采用硬质基坑、机械顶进等，此工法顶进时对管道周围的土体扰动较小，精度容易控制，顶进时较为顺直，经工程实践对比采用《2008规范》6.3.4条款给出的顶力计算公式计算是比较准确的。

三、工程实践

针对以上的顶管理论分析，下面就今年刚刚施工完毕的《郑州市生态水系输水工程》中的顶管部分的一些实例作以佐证。该工程共穿越公路11处，高埋深2处，下面就顶力问题选取几个以作对比。

1.沿绕城公路北侧50 m段长度180 m，管径1 800 mm，埋深3.8 m，土质性质黄土状粉土，顶进形式为机械顶进，减阻措施无，计算公式采用《1997规范》修订考虑土拱，计算顶力600 t，实际顶力480 t。

2.穿越公路郑平公路段长度101 m，管径1 600 mm，埋深18 m，土质性质粉质黏土，顶进形式为人工掘进，减阻措施无，计算公式采用《1997规范》，计算顶力400 t，实际顶力320 t。

3.穿越公路黄郭路段长度78 m，管径1 600 mm，埋深4.8 m，土质性质黄土状粉土，顶进形式为人工掘进，减阻措施无，计算公式采用《1997规范》，计算顶力390 t，实际顶力270 t。

四、结论

通过以上数据的对比可以看出，用《1997规范》中考虑土拱的公式计算数值都稍有偏大，但是也都在可控制范围之内；借助触变泥浆减阻顶进用《2008规范》计算的数据比较准确。两者的区别在于前者没有人为的有利控制，计算误差较大，后者采用了人为的有利控制，计算误差较小，前者使用范围较广，后者适用于特定情况。因此建议在不同的情况下使用相应的公式计算会比较准确。科技在进步，有望在今后的工程实践当中，对顶力的计算总结出一个全面、准确的结论。