基于交通载荷作用下顶管顶力计算优化分析

2019-01-02王晓凡张玉廷白延杰

水科学与工程技术 2018年6期

王晓凡，张玉廷，白延杰

（河北工程大学水利水电学院，河北邯郸 056001）

顶管法施工技术在我国已被广泛采用并得到了飞速发展。工程上使用顶管法施工首先是顶管顶力的计算。目前工程上关于顶力计算多是采用经验公式，往往把安全裕度取得过大，导致施工经济成本加大，而且由于各地区的施工条件、地层条件不一样，经验公式往往不适用。焦程龙［1］通过对各种顶力计算公式在工程实例应用中对比分析提出了适合沈阳地区砂性土层的一套计算公式，但是主要是基于经验公式的整合，缺乏理论计算。薛振兴［2］将土压力理论考虑进顶力计算理论中去推导出了新的理论计算公式，虽然顶力计算值与实际值误差较小，但是顶力安全裕度过小，安全系数没有考虑。何莲、刘灿生、帅华国等［3］通过现场实测软土条件下顶管机顶进过程顶力的变化情况，得出了顶力变化规律，提出了一个合理计算顶力的方法。但是这种计算公式适用条件较窄，不能被各种复杂地质条件影响因素下顶管工程所接受。笔者在总结众多学者对顶管顶力理论计算中发现，交通载荷作用往往由于施工区车辆很少且难以量化容易被工程设计人员忽略。

由于施工区该顶管工程穿越路段修路导致车流量密集，经常拥堵且有较多大吨位重型卡车，认为交通载荷作用在顶力计算中不能忽略。本文通过对施工区域内顶力影响区交通载荷的量化，结合土压力计算理论对现有的顶管顶力理论计算公式进行优化。

1 交通载荷作用量化

道路交通量的统计和轴载的计算影响着交通载荷作用的确定。按照JTJ014—199《公路沥青路面设计规范》和JTGD30—2004《公路路基设计规范》［4-5］从车辆类型组成、轴组组成和轴重、交通量及增长率等方面进行交通数据调查，对交通荷载作用进行量化确定。

1.1 交通量确定

交通量是指一定时间间隔内各种类型车辆通过道路某一横断面的数量。道路设计主要使用全年的日交通量观测结果的平均值—年平均日交通当量轴次进行荷载计算。

本文采用日平均每秒当量轴次N0表征通过顶力影响区的最大当量轴次。计算如式（1）：

式中 N1为年平均日交通当量轴次；N0为日平均每秒当量轴次；Ni为每日交通实际当量轴次。

每日交通实际当量轴次Ni主要与每日交通量、方向系数、车辆类型、车辆类型分布系数、车辆当量轴载换算系数及车道系数等因素有关，具体计算如式（2）：

式中 A为道路双向每日实际交通量（辆/d）；D为方向系数，无实测数据时取值范围为0.5～0.6；F为车道系数；V为车辆类型分布系数；E为车辆当量轴载换算系数；i，j为车辆类型编号。

道路双向每日实际交通量A需要人为观测，主要记录每日车辆类型、车辆数量及通过时间段等。本次以式（2）内的各项系数进行分析确定。

1.1.1 车道系数F的确定

按照JTJ014—199《公路沥青路面设计规范》［4］可按3种方法确定车道系数：

（1）通过现场实测交通量统计不同车道上车辆的数量确定车道系数。

（2）采用工程经验值。

（3）采用如表1推荐取值。

表1 车道系数取值

1.1.2 车辆类型分布系数V的确定

按照JTG/T D71—2004《公路路基设计规范》［5］可按3种方法确定车辆类型分布系数V。道路若采用加铺设计，应采用第1种方法，新建路面按第2种和第3种方法确定。

（1）根据交通观测资料分析各类车型所占的百分比，得到车辆类型分布系数。

（2）根据当地默许值确定公路TTC分类，然后确定车辆类型分布系数。

（3）根据经验数据按表2确定公路TTC分类，采用表3车辆类型分布系数。

表2 公路TTC分类标准单位：%

表3 不同TTC分类车辆类型分布系数单位：%

1.1.3 车辆当量轴载换算系数E的确定

按照式（3）计算各类型车辆的各种轴型在不同轴重区间的当量轴载换算系数。

式中 Ps为标准轴载（kN），我国水泥混凝土路面设计和沥青路面设计选用双轮组单轴轴载100kN作为标准轴载；Pmij为m类车辆中i种轴型在j级轴重区间的单轴荷载；b为换算指数，沥青层疲劳和沥青层永久变形时，b=4，路基永久变形时，b=5，无机结合料层疲劳时，b=13；C1，C2为被换算轴型的轴组系数。

1.2 施工期当量轴载每秒累计作用次数Ne的确定

采用日平均每秒当量轴次N0表示通过顶力影响区的最大当量轴次，按式（4）计算：

式中 Ne为施工期内车道上的当量轴载每秒累计作用次数（次）；t为施工期（年）；γ为工作期内交通量的年平均增长率。

1.3 交通载荷的确定

由于交通载荷属于动荷载，将其转化为静荷载进行量化很难。笔者提出在顶管顶力影响区域内的轴载每秒累计作用次数Ne作为交通载荷组合的最不利因素，则交通载荷作用转化为静荷载如式（5）：

式中 G为最大交通载荷（kN）；Ps为标准轴载（kN）。

2 顶管顶力理论公式优化

关于顶力的理论计算的基础上，通过顶管顶进过程的受力分析，顶力计算过程分为覆盖在顶管上的载荷计算、顶管管壁摩阻力的计算、构建合适的顶力计算模型3大步骤。

2.1 覆盖在顶管上的载荷

覆盖在顶管上的载荷主要由管节上方土压力和道路交通载荷组成，管节上方土压力主要与覆土深度和土层有关，在考虑卸荷拱效应的作用下，采用散粒体的极限平衡理论的马斯顿法计算土压力，马斯顿法相比其他土压力理论方法考虑了土体内聚力的影响［1-2］。

则顶管顶进过程中覆盖载荷计算如式（6）：

式中 qv为垂直土压力。

2.2 顶管管周摩阻力

顶管管壁摩阻力主要与管顶上方荷载造成的正压力、管道两侧土压力造成的正压力有关。

考虑到管节自重产生的摩擦阻力及管土之间的黏着力，则管周摩擦阻力如式（7）：

式中 μ为管土摩擦系数；N为管周总法向土压力；W为单个管节自重；D为顶管外径；C为管土之间黏着力；L为顶进长度。

2.3 顶力计算模型的建立

顶管顶进过程中总顶力由顶进正面阻力和管周摩擦阻力两部分组成。

2.3.1 顶进正面阻力

顶进正面阻力与顶进前端的管顶上方载荷有关，图2为计算模型。对于顶管正面阻力计算可参考文献［1-2］。

2.3.2 管周摩擦阻力

管周摩擦阻力可由式（7）计算得出，则总顶力如式（8）。

交通载荷作用下顶管顶力理论计算公式优化为式（9）：

式中 F为总的顶管顶力（kN）；H为地下水位（m）；Hw为地下水位至管线的距离（m）；D为顶管外径（m）；μ为管土之间的摩擦系数；N为管周总法向土压力（kPa）；W为单个管节自重（kN/m3）；C′为摩擦系数；L为顶管总长（m）；C为土的黏聚力（kPa）；γ为土的重度（kN/m3）；γw为水的重度，取10kN/m3；γ′为土的有效重度（浮重度），γ′=γ-10；Ka为主动土压力系数，Ka=

3 工程实例

本工程为邯郸市磁县和谐大道污水管道穿越南水北调中线干线配套工程，分两段横穿和谐大道，采用顶管施工，顶管距离共90m，西侧埋深2.94m，顶进距离计划44m；东侧埋深6.13m，顶进距离计划46m。采用d1000Ⅲ级钢筋混凝土管，工作区土层为非饱和性砂性土，内摩擦角29°，重度18kN/m3，内聚力11kPa，管土之间黏着力为0kPa，管顶覆土深度西段顶管按照3m计算，东段顶管按照6.2m计算。顶管外径1.0m，壁厚0.1m，单位长度管节的重力17.67kN/m，顶进长度西段顶管设计44m，东段顶管设计46m，因顶进距离过短，考虑经济、工期等因素，决定不采用注浆工艺以减小阻力，拟采用在管节前面喷涂石蜡减小阻力。

现场通过24h实测路段对交通量得出调查数据，如表4。

表4 对交通量调查数据（辆）

通过对路段实测交通量调查数据的处理，依据式（2）得出道路双向日交通当量轴载轴次约为230785.6次；结合式（1）（4）（5）可得该路段最大交通荷载为267kN。根据式（9）可得东段顶管总顶力1852kN，经对比实测东段顶管总顶力1673kN，与实际值相对误差10.7%；理论计算得西段顶管总顶力1877kN，实测西段顶管总顶力1658kN，与实际值相对误差13.2%。经计算，西段顶管工程总顶力，与实际值对比并求得相对误差，如表5。

表5 西段顶管总顶力与实际值

由表5看出，本文计算结果与实际值相对误差为10.7%，可靠性较好，能满足工程要求，除北京经验公式外，其他公式计算结果与实际值相差较大，因其他经验公式中参数取值较为保守，且未考虑卸荷拱效应；北京经验公式计算结果与实际值相对误差最小，因邯郸磁县地区与北京同属华北地区，土层条件相似，所以计算结果相对接近。计算结果与实际值较为接近。

通过对西段顶管顶进过程中顶力的计算与实测值对比认为随着顶程距离的加大，顶力也在加大，如图3。

究其原因，由于顶管在顶进过程中遇到了较多大粒径砂卵石及坚硬岩石，且没有使用减阻措施，所以阻力加大，顶力突然升高，顶程15～31m之间顶力较大，因其上方是道路交通载荷影响区，顶管顶进较为吃力。