连江县塘坂引水二期工程顶管施工中顶力影响因素敏感性分析研究

游玲峰

(福建路港(集团)有限公司，福建 泉州 362000)

1 工程概况

连江县塘坂引水二期工程中顶管施工的有三段，全长3887.8m，占总线路长度(9415m)的41.2%，第一段为观音阁—狮山段G110+000～G110+436.3输水钢管顶管施工，净长度436.3m，顶管穿越敖江；第二段为炎埕坂—粮食储运中心段G130+180～G131+164.4、G131+398～G132+860.2输水钢管顶管施工；第三段为粮食储运中心—远洋渔业公司G140+000～G140+771.3输水钢管顶管施工。三段顶管穿越土层主要为淤泥层，埋设深度6～22m。顶管设计为顶进DN2200钢筋混凝土管，管道内安装DN1200输水钢管，顶管共设计7个工作井，井内尺寸均为10m，8个接收井，井内尺寸均为8m，工作井和接收井采用沉井、三轴水泥搅拌桩及高压旋喷桩刃脚加固和支护施工。顶管顶进中顶管力主要受到覆土层高度、顶管外径、内摩擦角及地下水位的影响，在设计施工中通过对这些影响因素进行分析比较，得到各影响因素对顶力的影响规律，为设计施工提供指导。

2 顶管施工顶力公式推导

2.1 顶管阻力公式推导

2.1.1 顶管上层土压力

根据工程实际情况，顶管中心线为直线，顶管在施工中随着土压泥水平衡两用顶管掘进机机头刀盘切入土体，前方土体会随之松动坍塌，周围土体也受到影响，这是由于顶管顶推力与周围土层发生作用而使土体产生扰动。为便于研究，采用太沙基(Terzagtfi)理论来计算顶管上层土压力[1-2]，土压力示意图见图1。

图1 顶管上方土压力示意图

根据拱顶理论，顶管上层土压力值大小为

(1)

2B=2[b+htan(45°-φ/2)]

(2)

式中σ——顶管上层土压力，kN/m2；

γ——土层的重度，kN/m3；

b——顶管中心线到顶管外径的宽度，m；

B——顶管管道上部对管道荷载作用的宽度，m；

h——顶管高度，对于圆形钢筋混凝土顶管，h=D外，m；

H——覆土层高度，m；

λ——土压力系数；

φ——土的内摩擦角。

对于圆形钢筋混凝土顶管，D外=2b=h，整理后的作用在顶管上方的土压力计算公式为

(3)

根据土力学知识，顶管土压力为土层的重度与其有效高度之积，即σ=γH有效，带入式(3)整理得到

(4)

2.1.2 顶管迎面阻力Rn

顶管顶进土体中，管道前方土体对管道前进产生阻力，阻力Rn的大小应根据阻压力与受力面积大小确定[3]，计算公式如下：

p1=λ0σ

(5)

p2=p1+λ0γD外=λ0(σ+γD外)

(6)

(7)

式中，土压力系数λ=tan2(45°-φ/2)。

本次考虑顶管为直线，均衡顶进施工的情况，得λ0=1，联立式(1)～式(7)进行求解，最终求得的管顶迎面阻力公式为

(8)

本工程土质为黏土，土层重度γ为19.8kN/m3，内摩擦角为16°，顶管为DN2200钢筋混凝土Ⅲ级管，管壁厚0.22m，顶管外径D外为2.64m，覆土层高度在6～21m，本文取H=16m进行计算，参数取值及计算得到的结果见表1。

表1 顶管迎面阻力理论值计算(H=16m)

2.2 顶管管壁阻力的计算

顶管管道周围阻力的计算公式为[4]

F摩=μpS=MS

(9)

式中F摩——摩擦阻力，kN；

μ——摩擦系数，取0.5(按最不利因素考虑)；

p——管道周围的压力值，包括作用在管道上方土压力p顶=γH有效，管道两侧1处(见图1)压力p1= (H有效+ 0.5D外)λ1γ，管道两侧2(见图1)处压力p2= (H有效+0.5D外)λ2γ，管底处压力P底=(H有效+D外)γ+G/D外，kN/m2；

S——管道与土体接触面积，S=πD外L， m2；

M——单位面积摩擦阻力，kN/m2。

将管道周围压力计算公式带入得

(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——顶进管道每1m长度的重量，当使用注浆技术且有足够的浮力支撑管道重量时，G取为0。

本工程计算时只考虑顶管为直线，均衡顶进施工的情况，λ1=λ2=λ。计算后得到的结果见表2。

表2 管壁阻力理论值计算

注L为顶进长度

2.3 顶管总阻力

顶管顶进过程中主要受到顶管迎面阻力和管壁阻力的作用[5]，所以总阻力为两者之和，即：F总=Rn+F摩=136.9+65.3L(tf)。

3 理论计算值与实际测量值对比分析

3.1 顶管顶进过程中顶力实际测量值

本工程总顶力F可以根据千斤顶数量、千斤顶直径、油泵压力表读数而求得，计算公式为

(11)

式中D——油缸直径，280mm；

n——千斤顶数量，4只；

p——压力表读数，MPa。

顶进过程中应实时跟踪压力表读数，测量结果见表3。

表3 顶进过程中的顶力实测值

3.2 实际测量值与计算对比分析

计算结果及实测数据对比见表4。

表4 计算结果与实测数据比较

由比较结果可知，由太沙基理论公式计算得到的结果是偏于保守的，比实际测量值要大，在实际设计时可以乘以一个小于1的系数来调整顶力数值，从而达到安全、经济的双重效果[4]。

4 顶管施工中影响因素敏感性分析

4.1 影响因素敏感性分析原理

敏感性分析是假设影响顶力的单一因素发生变化而其他因素不变，分析其对最终顶力影响的敏感性强弱。将各个影响因素逐一分析，得到各自对顶力的敏感性，最后综合得出各个因素的影响程度。本文顶管施工中，迎面阻力的影响因素有覆土层高度、管道外径和土内摩擦角；管壁阻力的影响因素有地下水位高度、管道外径及覆土层高度等[4-6]。

4.2 各因素对顶管迎面阻力敏感性分析

影响顶管阻力的因素有覆土层高度H、管道外径D外和内摩擦角φ，在进行敏感性分析之前，先确定一个比较基准。本文标题2下迎面顶力理论计算值(H=16m)为计算基准值，分析时每次选择一个影响因素变化，其他因素不变。三个影响因素计算参数见表5，覆土层高度值变化对应的迎面阻力计算结果 (部分)见表6，计算所得对应的迎面阻力Rn如图2～图4所示。

表5 迎面阻力各影响因素及计算参数

表6 覆土层高度值变化对应的计算结果(部分)

图2 覆土层高度对迎面阻力的影响

图3 管道外径对迎面阻力的影响

图4 内摩擦角φ对迎面阻力的影响

覆土层高度H、管道外径D外及内摩擦角φ变化时对迎面阻力的影响敏感性分析结果见表7。

表7 各影响因素对迎面阻力的敏感性分析

通过迎面阻力影响因素的敏感性分析可知，顶管施工中三个因素对迎面阻力的影响程度由重到轻依次为管道外径D外、覆土层高度H、内摩擦角φ；迎面阻力值随覆土层高度H的增加而增大且呈线性方式发展，随管道外径D外增大而增大且呈二次方方式发展，随着摩擦角φ增大而降低，但当摩擦角增大到一定程度时，迎面阻力趋于稳定。

4.3 各因素对顶管外壁摩擦阻力敏感性分析

影响管壁阻力的因素有地下水位H水上、管道外径D外、覆土层高度H，顶管管壁阻力计算公式在2.2中已经推导出来，在进行各因素对管壁阻力敏感性分析前，同顶管迎面阻力敏感性分析一样，先确定一个比较基准，以本文标题2下管壁顶力理论计算值为计算基准值进行计算[4-5]，取顶进长度L为10m。

本次分析每次只取一个影响因素变化，其他因素不变。三个影响因素计算参数见表8，计算所得对应的管壁阻力F摩如图5～图7所示。

图5 地下水位对管壁阻力的影响

图6 管道外径对管壁阻力的影响

图7 覆土层厚度对管壁阻力的影响

表8 管壁阻力各影响因素及计算参数

覆土层高度H、管道外径D外及地下水位H水上变化时对管壁阻力的影响敏感性分析结果见表9。

表9 各影响因素对管壁阻力的敏感性分析

由以上图、表可以看出，三个因素对管壁阻力的影响程度由重到轻依次管道外径D外、地下水位H水上、覆土层高度H。同时，管壁阻力值随着地下水位H水上的增加而增加，随着管道外径D外的增大而增大，随着覆土层厚度H的增大而增大，且三个影响因素与管壁阻力均呈线性发展形势[7]。

5 结论及建议

根据顶管阻力理论计算、实际测量及顶管顶力影响因素敏感性计算分析，得到以下结论：

a.顶管顶力的计算是顶管工程开始的第一步，关系到后面所有环节的正确与否，合理地计算顶管存在的顶力是非常必要的。

b.结合太沙基理论等相关定理对顶管顶进过程中的迎面阻力、管壁阻力进行理论计算，并与工程施工时实际测量值进行对比分析，得到理论值略大于实际测量值，因此设计时应乘以小于1的参数来调节顶力值。

c.通过深入研究影响顶管施工顶力的相关因素，运用敏感性分析方法对顶管施工中对顶力影响较大的因素，即覆盖层高度H、管径D外、内摩擦角φ及地下水位H水上进行研究，得到了顶管迎面阻力及管壁阻力的敏感性成果，可为顶管工作提供指导和参考依据。