連江縣塘坂引水二期工程頂管施工中頂力影響因素敏感性分析研究

游玲峰

(福建路港(集團)有限公司，福建 泉州 362000)

1 工程概況

連江縣塘坂引水二期工程中頂管施工的有三段，全長3887.8m，占總線路長度(9415m)的41.2%，第一段為觀音閣—獅山段G110+000～G110+436.3輸水鋼管頂管施工，凈長度436.3m，頂管穿越敖江；第二段為炎埕坂—糧食儲運中心段G130+180～G131+164.4、G131+398～G132+860.2輸水鋼管頂管施工；第三段為糧食儲運中心—遠洋漁業公司G140+000～G140+771.3輸水鋼管頂管施工。三段頂管穿越土層主要為淤泥層，埋設深度6～22m。頂管設計為頂進DN2200鋼筋混凝土管，管道內安裝DN1200輸水鋼管，頂管共設計7個工作井，井內尺寸均為10m，8個接收井，井內尺寸均為8m，工作井和接收井采用沉井、三軸水泥攪拌樁及高壓旋噴樁刃腳加固和支護施工。頂管頂進中頂管力主要受到覆土層高度、頂管外徑、內摩擦角及地下水位的影響，在設計施工中通過對這些影響因素進行分析比較，得到各影響因素對頂力的影響規律，為設計施工提供指導。

2 頂管施工頂力公式推導

2.1 頂管阻力公式推導

2.1.1 頂管上層土壓力

根據工程實際情況，頂管中心線為直線，頂管在施工中隨著土壓泥水平衡兩用頂管掘進機機頭刀盤切入土體，前方土體會隨之松動坍塌，周圍土體也受到影響，這是由于頂管頂推力與周圍土層發生作用而使土體產生擾動。為便于研究，采用太沙基(Terzagtfi)理論來計算頂管上層土壓力[1-2]，土壓力示意圖見圖1。

圖1 頂管上方土壓力示意圖

根據拱頂理論，頂管上層土壓力值大小為

(1)

2B=2[b+htan(45°-φ/2)]

(2)

式中σ——頂管上層土壓力，kN/m2；

γ——土層的重度，kN/m3；

b——頂管中心線到頂管外徑的寬度，m；

B——頂管管道上部對管道荷載作用的寬度，m；

h——頂管高度，對于圓形鋼筋混凝土頂管，h=D外，m；

H——覆土層高度，m；

λ——土壓力系數；

φ——土的內摩擦角。

對于圓形鋼筋混凝土頂管，D外=2b=h，整理后的作用在頂管上方的土壓力計算公式為

(3)

根據土力學知識，頂管土壓力為土層的重度與其有效高度之積，即σ=γH有效，帶入式(3)整理得到

(4)

2.1.2 頂管迎面阻力Rn

頂管頂進土體中，管道前方土體對管道前進產生阻力，阻力Rn的大小應根據阻壓力與受力面積大小確定[3]，計算公式如下：

p1=λ0σ

(5)

p2=p1+λ0γD外=λ0(σ+γD外)

(6)

(7)

式中，土壓力系數λ=tan2(45°-φ/2)。

本次考慮頂管為直線，均衡頂進施工的情況，得λ0=1，聯立式(1)～式(7)進行求解，最終求得的管頂迎面阻力公式為

(8)

本工程土質為黏土，土層重度γ為19.8kN/m3，內摩擦角為16°，頂管為DN2200鋼筋混凝土Ⅲ級管，管壁厚0.22m，頂管外徑D外為2.64m，覆土層高度在6～21m，本文取H=16m進行計算，參數取值及計算得到的結果見表1。

表1 頂管迎面阻力理論值計算(H=16m)

2.2 頂管管壁阻力的計算

頂管管道周圍阻力的計算公式為[4]

F摩=μpS=MS

(9)

式中F摩——摩擦阻力，kN；

μ——摩擦系數，取0.5(按最不利因素考慮)；

p——管道周圍的壓力值，包括作用在管道上方土壓力p頂=γH有效，管道兩側1處(見圖1)壓力p1= (H有效+ 0.5D外)λ1γ，管道兩側2(見圖1)處壓力p2= (H有效+0.5D外)λ2γ，管底處壓力P底=(H有效+D外)γ+G/D外，kN/m2；

S——管道與土體接觸面積，S=πD外L， m2；

M——單位面積摩擦阻力，kN/m2。

將管道周圍壓力計算公式帶入得

(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——頂進管道每1m長度的重量，當使用注漿技術且有足夠的浮力支撐管道重量時，G取為0。

本工程計算時只考慮頂管為直線，均衡頂進施工的情況，λ1=λ2=λ。計算后得到的結果見表2。

表2 管壁阻力理論值計算

注L為頂進長度

2.3 頂管總阻力

頂管頂進過程中主要受到頂管迎面阻力和管壁阻力的作用[5]，所以總阻力為兩者之和，即：F總=Rn+F摩=136.9+65.3L(tf)。

3 理論計算值與實際測量值對比分析

3.1 頂管頂進過程中頂力實際測量值

本工程總頂力F可以根據千斤頂數量、千斤頂直徑、油泵壓力表讀數而求得，計算公式為

(11)

式中D——油缸直徑，280mm；

n——千斤頂數量，4只；

p——壓力表讀數，MPa。

頂進過程中應實時跟蹤壓力表讀數，測量結果見表3。

表3 頂進過程中的頂力實測值

3.2 實際測量值與計算對比分析

計算結果及實測數據對比見表4。

表4 計算結果與實測數據比較

由比較結果可知，由太沙基理論公式計算得到的結果是偏于保守的，比實際測量值要大，在實際設計時可以乘以一個小于1的系數來調整頂力數值，從而達到安全、經濟的雙重效果[4]。

4 頂管施工中影響因素敏感性分析

4.1 影響因素敏感性分析原理

敏感性分析是假設影響頂力的單一因素發生變化而其他因素不變，分析其對最終頂力影響的敏感性強弱。將各個影響因素逐一分析，得到各自對頂力的敏感性，最后綜合得出各個因素的影響程度。本文頂管施工中，迎面阻力的影響因素有覆土層高度、管道外徑和土內摩擦角；管壁阻力的影響因素有地下水位高度、管道外徑及覆土層高度等[4-6]。

4.2 各因素對頂管迎面阻力敏感性分析

影響頂管阻力的因素有覆土層高度H、管道外徑D外和內摩擦角φ，在進行敏感性分析之前，先確定一個比較基準。本文標題2下迎面頂力理論計算值(H=16m)為計算基準值，分析時每次選擇一個影響因素變化，其他因素不變。三個影響因素計算參數見表5，覆土層高度值變化對應的迎面阻力計算結果 (部分)見表6，計算所得對應的迎面阻力Rn如圖2～圖4所示。

表5 迎面阻力各影響因素及計算參數

表6 覆土層高度值變化對應的計算結果(部分)

圖2 覆土層高度對迎面阻力的影響

圖3 管道外徑對迎面阻力的影響

圖4 內摩擦角φ對迎面阻力的影響

覆土層高度H、管道外徑D外及內摩擦角φ變化時對迎面阻力的影響敏感性分析結果見表7。

表7 各影響因素對迎面阻力的敏感性分析

通過迎面阻力影響因素的敏感性分析可知，頂管施工中三個因素對迎面阻力的影響程度由重到輕依次為管道外徑D外、覆土層高度H、內摩擦角φ；迎面阻力值隨覆土層高度H的增加而增大且呈線性方式發展，隨管道外徑D外增大而增大且呈二次方方式發展，隨著摩擦角φ增大而降低，但當摩擦角增大到一定程度時，迎面阻力趨于穩定。

4.3 各因素對頂管外壁摩擦阻力敏感性分析

影響管壁阻力的因素有地下水位H水上、管道外徑D外、覆土層高度H，頂管管壁阻力計算公式在2.2中已經推導出來，在進行各因素對管壁阻力敏感性分析前，同頂管迎面阻力敏感性分析一樣，先確定一個比較基準，以本文標題2下管壁頂力理論計算值為計算基準值進行計算[4-5]，取頂進長度L為10m。

本次分析每次只取一個影響因素變化，其他因素不變。三個影響因素計算參數見表8，計算所得對應的管壁阻力F摩如圖5～圖7所示。

圖5 地下水位對管壁阻力的影響

圖6 管道外徑對管壁阻力的影響

圖7 覆土層厚度對管壁阻力的影響

表8 管壁阻力各影響因素及計算參數

覆土層高度H、管道外徑D外及地下水位H水上變化時對管壁阻力的影響敏感性分析結果見表9。

表9 各影響因素對管壁阻力的敏感性分析

由以上圖、表可以看出，三個因素對管壁阻力的影響程度由重到輕依次管道外徑D外、地下水位H水上、覆土層高度H。同時，管壁阻力值隨著地下水位H水上的增加而增加，隨著管道外徑D外的增大而增大，隨著覆土層厚度H的增大而增大，且三個影響因素與管壁阻力均呈線性發展形勢[7]。

5 結論及建議

根據頂管阻力理論計算、實際測量及頂管頂力影響因素敏感性計算分析，得到以下結論：

a.頂管頂力的計算是頂管工程開始的第一步，關系到后面所有環節的正確與否，合理地計算頂管存在的頂力是非常必要的。

b.結合太沙基理論等相關定理對頂管頂進過程中的迎面阻力、管壁阻力進行理論計算，并與工程施工時實際測量值進行對比分析，得到理論值略大于實際測量值，因此設計時應乘以小于1的參數來調節頂力值。

c.通過深入研究影響頂管施工頂力的相關因素，運用敏感性分析方法對頂管施工中對頂力影響較大的因素，即覆蓋層高度H、管徑D外、內摩擦角φ及地下水位H水上進行研究，得到了頂管迎面阻力及管壁阻力的敏感性成果，可為頂管工作提供指導和參考依據。