顶管施工土压力及顶力的理论计算与实测分析

方科楠 王 双 高 鑫 余 琳 陈忠清

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000；2.中兵勘察设计研究院，北京 100053)

目前顶管施工设计主要围绕圆形顶管顶力的计算而展开.顶力计算的前提是国外学者提出的顶力理论计算的两个假设：挖掘面稳定假设[1]和管土全接触假设[2].其中管土全接触假设认为，管道顶进过程中土体与管道周围全接触，因此被周围的土体加载，顶力主要克服作用在管周的土压力引起的摩阻力.国外学者将规范中的经验公式，与挖掘面稳定假设和管土全接触假设三者的计算结果进行了比较分析，得出了太沙基土压力理论与实际值较接近[3]的结论.顶力与土压力是顶管施工中的两个重要参数，综合反映顶管施工中注浆工艺水平、轴线控制的质量等，所以总结、分析顶管土压力与顶力的现场实际工程数据，比较其与理论计算结果之间的差异，具有现实意义.

1 工程概况

某工程顶管工程总长915 m，采用2×DN4000钢筋混凝土顶管，共两个工作井.由于顶管全线埋深差别不大，除部分区域受到河道的影响外，整个工程的地质情况变化不大，计算过程取值采用未受河道影响区域的数据，工程基本参数如表1所示.

表1 工程基本参数表

参数名称单 位取 值管顶埋深hm9 75管段半径R0m2 32顶管机半径Rm2 34顶进速度vmm/min50注浆压力设定值P标MPa0 2流体稠度系数KPa·sn1 31土体弹性模量EMPa7 4土体泊松比μ0 35土体内摩擦角ϕ°10 9土体粘聚力ckPa11土的平均密度γkN/m317 4埋 深Hm12 09

2 理论计算与现场实测分析

2.1 顶管土压力

顶管受到的土压力一般可分为三种，分别是垂直土压力、侧向土压力以及地基反力[4],其中主要荷载为垂直土压力.目前垂直土压力最常用的计算理论主要有土柱理论、太沙基理论、普氏理论等，这三种理论的计算公式如下[5].

2.1.1 土柱理论公式：

qv=γ·h.

(1)

式中：γ为土层密度；h为管顶深度.

2.1.2 太沙基理论公式：

(2)

式中：K为侧向土压力系数，取1.0；μ为土摩擦系数，取0.3；h为管顶深度；γ为土层密度；Be为扰动土宽度：

2.1.3 普式理论公式：

(3)

式中：γ为土层密度；φ为土体内摩擦角；D为顶管外径.

为获得作用在顶管管道上的实际土压力值，该工程采用JTM-V2000(B)型正弦式土压力盒测量顶管管壁上的接触压力，其量程为0.4 MPa，精度为2%FS，土压力盒布置如图1所示.

表2为在现场由土压力盒测量及采用不同理论计算方法得到的管顶处垂直土压力.由表2可知，太沙基理论计算的误差远小于土柱理论与普式理论.其原因可能是土柱理论未考虑土拱效应，普式理论未考虑土体本身的粘聚力产生的挟持作用[6]，而太沙基理论计算结果相对保守，因而与现场实测数据相差不大，较适用于本工程管顶垂直土压力的计算.

图1 土压力盒与钢筋应力计布设图

表2 实测与不同计算方法得到的管顶垂直土压力

获得方法管顶土压力/MPa误差/%现场测量0 150(均值)土柱理论0 17013 3太沙基理论0 1434 7普式理论0 17516 7

2.2 顶力与顶程关系分析

目前在顶管施工中还没有较统一的顶力理论计算公式.魏纲[7]等收集和筛选出若干现有的顶力计算公式，其中之一如下：

(4)

式中：D1为顶管外径；D2为掘进机直径；L为顶进距离；γ为土层密度；H为顶管覆盖土层厚度.

式(4)表明，当D1，D2，R,r,和H一定时，顶管顶力F随着顶程L的增加而呈线性增加的趋势，然而这种现象是不可能存在的.出现这种情况的假设条件是,顶管在施工过程中一直处于同一土层条件或者顶进距离很短.在实际施工过程中，顶管顶力会受到不同的土层条件、地下水、施工停顿、注浆工艺、超径比、管道状况及管线偏离等因素影响[8]，因此顶力会随着顶程发生起伏变化，而不是呈线性关系.

2.3 顶管顶力

2.3.1 理论计算

顶管顶力由顶进正面阻力与顶管管壁摩阻力两部分组成.

顶管顶进正面阻力近似等于顶管前端的水平土压力，可采用朗肯土压力理论来计算[9].一般为了方便计算，可以将顶管前端中心点所受到的阻力简化成顶管圆周上的均匀分布力.因该工程的土层位于无水位影响的区域，所以不考虑水压力.

顶管管壁摩阻力是决定施工顶推力大小的关键因素，顶力主要用来克服由作用在管周的土压力引起的摩擦阻力[10].在计算管壁摩阻力时，假设顶管一直保持水平顶进状态，即顶进方向与水平方向的夹角为零.叶艺超[11]通过弹性力学中的半无限空间弹性体柱形圆孔扩张理论得出了泥浆套厚度的计算方法，进而可得到顶管管壁摩阻力的计算公式.

由以上方法计算的顶管顶力见表3.

2.3.2 实测值

本工程在顶管纵向钢筋上安设有钢筋应力计，其布置如图1所示，该钢筋应力计采用振弦式钢筋应力计，在试验管段出洞之前测得土压力盒的初始频率，管段出洞后按需求测得各时刻土压力盒的频率，从而得到顶管顶力的实测值，见表3.

由表3可知，理论公式计算出的顶管顶力值与工程实测值相差甚远，其原因可能是在理论计算中出于安全因素的考虑，将工程中可能会出现的偶然因素都计入其中.在当前工程作业过程中，采用先进的注浆减摩技术，可将顶管管壁与土间的空隙控制得非常好，在注入泥浆后可以降低顶管与周围土体的摩擦系数[12]，即泥浆在消除管壁摩阻力方面起到了非常大的作用,使得实际工程中的管壁摩阻力远小于现有公式的计算值[13].

表3 顶管顶力实测值与理论值比较 kN

3 结论

a.在运用三大理论公式进行计算后可知，太沙基理论公式与实际值误差最小，同时也验证了规范中的经验公式与理论计算结果的正确性；

b.由于顶管在顶进过程中受到不同土层性质及其它因素影响，顶力的变化规律一直是研究的难题.现今需要对其影响因素进行深层剖析，寻找能够较好预测顶力随顶程变化规律的方法；

c.由于摩阻力的存在，施工会对土体产生较大的扰动，为了消除这一影响，一般会在施工中采用注浆减摩措施.因此，在实际工程中所测得的管壁摩阻力会明显小于现有理论公式的计算值.

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