頂管技術中頂力計算問題探討

河南省礦建設工程（集團）有限公司 栗 營

河南鄭州市水利建筑勘計院 徐征亞

頂管技術中頂力計算問題探討

河南省礦建設工程（集團）有限公司 栗 營

河南鄭州市水利建筑勘計院 徐征亞

目前國內有關頂管技術方面的專業書籍較多，對于頂力的計算各有見解，沒有統一的說法，最權威的兩本國家級規范《給水排水管道工程施工及驗收規范》（GB 50268-2008）和已經被替代的《給水排水管道工程施工及驗收規范》（GB 50268-1997）（以下簡稱《2008規范》和《1997規范》)采用頂力的計算公式也不同，目前能夠查到的頂力計算公式有十幾種之多，而每個公式所使用的地區和工藝又有所不同，給設計和施工的頂力計算帶來了很多的不便。本文，筆者結合工程實例，分別采用《2008規范》和《1997規范》對頂力計算進行探討。

一、頂管原理和特點

頂管是借助頂推裝置，將管道在地下逐節頂進的非開挖施工技術。因其特殊的施工工藝，常被當作穿越鐵路、公路、河川及地面不允許被破壞的地區的施工手段，其最大的特點是對地面的擾動較小，但是它對管材、施工水平、投資要求較高。

二、頂力的影響因素和公式分析

對于管材的要求關鍵是頂推裝置所產生的頂進動力，即為頂力，管材必須能夠安全承受。影響頂力大小的因素很多，主要有：管道的材質、土的性質、工人的熟練程度和頂進的長度等。

針對以上因素《1997規范》6.4.8條款給出的頂力計算公式為：

式（1）主要從管道與周圍土體之間的相互影響考慮，頂力是克服管道與土體之間擠壓所產生的摩擦力，公式涉及的參數較多，考慮較為細致，但是對于管道頂部以上覆蓋土層的厚度沒有加以區分，在土層穩定埋設較深的頂進工程中計算值過于大，顯然是不合適的。

《2008規范》6.3.4條款給出的頂力計算公式為：

式（2）是建立在減阻基礎上的，省掉了許多參數，相當于把復雜問題簡單化了。減阻有兩種途徑：一是擴孔，一是壓注減阻泥漿。一般情況地下水位以上的頂管，大部分土層比較穩定，擴孔后管道不直接承受土壓力作用。地下水位以下的頂管，擴孔后管道與土層之間壓注減阻泥漿，管道是浮在泥漿套中向前移動的，管道不直接承受土壓力作用。

對于采用觸變泥漿減阻技術的,可以選用規范中表格數據，也可以根據后背墻抗力和管道的承載力綜合設定平均摩阻力，由減阻措施達到此值；不采用觸變泥漿減阻技術和覆蓋土層不穩定的規范中明確通過實驗確定，但是不是所有的工程在前期設計中都能做到實驗先行，特別是中小型工程難度更大。

綜合以上分析，兩公式都有一定的局限性，在一定的情況下使用相應的公式會比較準確，分析目前的工程設計情況，一般可分為以下幾種情況。

1.從土質來說，當上覆土層為飽和疏松的粉細砂、淤泥、干燥的砂類土等不穩定土層時，上覆土層由于自身抗剪強度很低，可按一般的土柱公式來計算土壓力；從施工工法來說，在單程頂進一般不超過100 m，覆蓋層較薄（一般不大于8 m）時，大多采用土質基坑、人工掘進，一般不需用化學泥漿減阻措施，此工法頂進時對管道周圍的土體擾動較大，精度難以控制，容易出現抬頭、磕頭、偏移等不確定因素，造成頂力增大。以上情況經工程實踐對比采用《1997規范》6.4.8條款給出的頂力公式計算是比較準確的。

2.從土質來說，當上覆土層為可塑、堅硬狀態的黏性土及不飽和的砂土等穩定土層時，上覆土層因自身抗剪強度的作用，使作用在管道上的土壓力小于上覆土自重，此時應考慮土體拱效應的作用；從施工工法來說，在單程頂進一般不超過200 m，覆蓋層較厚且趨于穩定或穩定土層（一般大于8 m）時，大多采用硬質基坑、機械掘進，一般不需用化學泥漿減阻措施，此工法頂進時精度容易控制，對周圍的土體擾動較小。以上情況即經工程實踐對比采用《大型地下頂管施工技術原理及應用》6～13條給出的頂力計算公式是比較準確的，此公式是在《2008規范》的公式的基礎上考慮了土拱效應后修訂而成，拱頂松弛層的高度計算采用太沙基松弛土壓力公式為：

式（3）中，H`為松弛層高度(m)。

修正后的頂力公式為：

3.采用減阻措施，主要是膨潤土觸變泥漿和以人工合成的高分子聚合物為主的化學泥漿，擴孔后加注減阻泥漿管道使泥漿套中間向前移動的，管道不直接承受土壓力作用，與土層的高度無關。施工工法大多采用硬質基坑、機械頂進等，此工法頂進時對管道周圍的土體擾動較小，精度容易控制，頂進時較為順直，經工程實踐對比采用《2008規范》6.3.4條款給出的頂力計算公式計算是比較準確的。

三、工程實踐

針對以上的頂管理論分析，下面就今年剛剛施工完畢的《鄭州市生態水系輸水工程》中的頂管部分的一些實例作以佐證。該工程共穿越公路11處，高埋深2處，下面就頂力問題選取幾個以作對比。

1.沿繞城公路北側50 m段長度180 m，管徑1 800 mm，埋深3.8 m，土質性質黃土狀粉土，頂進形式為機械頂進，減阻措施無，計算公式采用《1997規范》修訂考慮土拱，計算頂力600 t，實際頂力480 t。

2.穿越公路鄭平公路段長度101 m，管徑1 600 mm，埋深18 m，土質性質粉質黏土，頂進形式為人工掘進，減阻措施無，計算公式采用《1997規范》，計算頂力400 t，實際頂力320 t。

3.穿越公路黃郭路段長度78 m，管徑1 600 mm，埋深4.8 m，土質性質黃土狀粉土，頂進形式為人工掘進，減阻措施無，計算公式采用《1997規范》，計算頂力390 t，實際頂力270 t。

四、結論

通過以上數據的對比可以看出，用《1997規范》中考慮土拱的公式計算數值都稍有偏大，但是也都在可控制范圍之內；借助觸變泥漿減阻頂進用《2008規范》計算的數據比較準確。兩者的區別在于前者沒有人為的有利控制，計算誤差較大，后者采用了人為的有利控制，計算誤差較小，前者使用范圍較廣，后者適用于特定情況。因此建議在不同的情況下使用相應的公式計算會比較準確。科技在進步，有望在今后的工程實踐當中，對頂力的計算總結出一個全面、準確的結論。