顶管顶力技术计算讲解

南水北调

济南市市区续建配套工程东湖水库输水工程

（三标段）

济广高速顶管技术指标计算

批准：王海滨 审核：左兆杰 编制：姚中瑞

青岛瑞源工程集团有限公司

东湖水库输水工程输水管线施工Ⅲ标项目部

2016年10月10日

目 录

一、工程简介........................................................................................................... - 1 - 二、施工方案........................................................................................................... - 3 - 三、顶力计算........................................................................................................... - 4 - 四、结论................................................................................................................... - 8 -

一、工程简介

1、位置

现状济广高速为双向4车道高速路，现在正在实施拓宽工程，加宽至双向8车道，路面高程约为28.40m。工程位置处道路两侧现状为农田，路基高度约为3.3m。

济广高速顶管段管道桩号范围为16+558-16+708，顶管长度为150m。管线与济广高速中心线交角为81.4°。顶管段管道中心线高程为18.20m。

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2、水文

根据地勘资料，工程位置处勘查期间地下水位为19.86—20.07m，设计管顶高程为18.71m，位于地下水位以下。工程位置处现状有现状雨水管道等市政管线，但因该处为顶管施工，埋深较大，其他管线不影响顶管施工。

3、地质情况

济广高速顶管穿越地层主要为⑤层壤土和⑥1层粘土，局部涉及到①1层壤土、②层轻壤土、②1层(裂隙)粘土、④层壤土和④1层粘土，地质情况良好。

①1层壤土(Q4al)：黄褐色，稍湿，可塑，局部硬塑，局部粉粒含量较高，干强度、韧性中等，切面稍有光泽，摇震反应无；该土层仅在ZK17、ZK35、ZK36、ZK37以及青银高速、济广高速顶管钻孔中揭露，层厚1.2~3.8m，平均层厚2.75m，层顶标高19.39~25.72m。

②层轻壤土(Q4al)：黄褐色，稍湿~湿，干强度、韧性低，切面无光泽，摇震反应轻微；该土层分布较连续，层厚0.6~4.8m，平均层厚1.96m。

②1层(裂隙)粘土(Q4al)：黄褐色，局部浅灰色，稍湿~湿，可塑，可见发育有裂隙，裂隙宽约2~5mm左右，充填轻壤土及砂壤土；干强度、韧性高，切面有光泽，摇震反应无；该土层分布不连续，层厚0.3~3.5m，平均层厚1.72m。

④层壤土(Q4al)：浅灰色~灰色，局部灰褐色、黑灰色，饱和，可塑~软塑，局部硬塑，干强度、韧性中等，切面稍有光泽，摇震反应无；该土层分布较连续，层厚0.7~4.1m，平均层厚2.03m。

④1层粘土(Q4al)：浅灰色~灰色，局部灰褐色、黑灰色，饱和，可塑~软塑，局部硬塑，干强度、韧性高，切面有光泽，摇震反应无；该土层分布不连续，层厚0.7~5.9m，平均层厚2.44m。

⑤层壤土(Q4al)：黄褐色，局部浅灰褐色，饱和，可塑，局部偶见姜石，含量约5%，粒径一般0.5~5.0cm，最大超过10cm，干强度、韧性中等，切面稍有光泽，摇震反应无；该土层分布较连续，层厚0.9~4.9m，平均层厚2.38m，层顶标高7.64~20.19m。

⑥1层粘土(Q4al)：黄褐色~褐黄色，饱和，可塑，局部硬塑，见姜石，含量

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约5~10%，粒径一般1.5~4.0cm，最大超过10cm，干强度、韧性高，切面有光泽，摇震反应无；该土层仅在DH2-1和济广高速顶管钻孔中揭露，层厚1.2~5.0m，平均层厚3.92m，层顶标高6.49~17.54m。

4、输水管线与济广高速交叉采用顶管穿越方式通过公路，设计顶管采用DN1600三级钢筋混凝土管内套DN1400螺旋钢管顶管，具体位置见下表： 表1 济广高速顶管与公路交叉情况表

序桩号 号 16+480-161 +680 16+558-162 +708 济广高速公路 穿越公路名称 （m） 200 （m） 10.94 （mm） Φ1600 （m） 45 原设计 顶管长度顶管深度套管管径 路基宽度备注 济广高速公路 150 9.72 Φ1600 45 调整后 5、顶管高程设计：调整后进洞地面高程25.51米，管底高程17.49米；出洞口地面高程25.11米，管底高程17.49米；穿越济广高速段路面高程28.43米，管底高程17.49米。

6、顶工作井的深度主要由设计管底高程决定，管外底高程加上基坑轨道及底板厚度，就是需开挖的坑底标高。工作井顶部高程24.40米，底板厚度为80cm，高程16.70米。综合顶管机具的尺寸及作业要求，顶进坑净空尺寸定为 16.0米（长）×8.5米（宽）×7.1米（深）。

7、接收坑的净空尺寸为8.5米（长）×6.0米（宽）×7.7（深）。

二、施工方案

根据工程地质情况，采用泥水平衡顶管施工方法，泥水平衡机械顶管施工的基本原理：

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顶管机在顶进过程中与它所处土层的地下水压力和土压力处于一种平衡状态；顶管机的排土量与推进所占去的土的体积也处于一种平衡状态。顶管机土仓的压力P如果小于顶管机所处土层的主动土压力Pa时，地面就会产生沉降。反之，如果顶管机在掘进过程中其土仓的压力大于所处土层的被动土压力Pp时，地面就会隆起。如果把顶管机土仓压力值控制在Pa＜P＜Pp这样一个范围内，就能达到土压平衡。

一般常把控制土压里P设置在静止吐压力P0±20KPa范围之内。

顶管机与周围土体的平衡是动态的，顶管机具有动态控制这种平衡的能力。如果土仓压力过大，顶管机可以增加排土量，将多于的碎土排出，减小土仓压力，使土仓压力与土体压力仍然平衡；如果土仓压力过低，顶管机后部的顶进油缸向前推进，给土仓增加一个持续的压力，仍能保持这种平衡。顶管机在这种动态的平衡中前进，达到敷设管道的目的。正是这种平衡的存在，使得开挖面能够保持稳定，防止地层的沉降与隆起。

三、顶力计算

（一）管道允许顶力计算

原设计顶进管道采用DN1600III级钢筋混凝土管，壁厚160mm，内套DN1400螺旋钢管，壁厚12mm特加强级别，顶进DN1600钢筋混凝土管，壁厚160mm，外径1920mm。

DN1650钢筋混凝土管允许顶力计算公式：

123Fde0.5fcAp

Qd5其中：Fde，为混凝土管道允许顶力，单位N；

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Φ1，混凝土材料受压强度折减系数，取0.9； Φ2，偏心受压强度提高系数，取1.05； Φ3，材料脆性系数，取0.85；

Φ5，混凝土强度标准调整系数，取0.79； fc，混凝土受压强度设计值，单位pa；32.4

Ap，管道的最小有效传力面积，单位mm2；884224 =3.14*9602-3.14*8002 γQd，顶力分享系数；取1.3。

经过计算管道允许顶力计算Fde=11203600N=11204KN。

表3.1 管道允许顶力计算表

钢筋混凝土管(d=1600mm) 计算公式 式中： Fde 混凝土管道允许顶力 混凝土材料受压强度折减系 Φ1 数 Φ2 Φ3 偏心受压强度提高系数 材料脆性系数 1.05 0.85 0.9 N 123Fde0.5fcAp Qd511203600 - 5 -

基本数值 Φ1 0.9 Ap Fde=

Φ5 fc Ap γQd Φ2 1.05 884224 11204 混凝土强度标准调整系数 混凝土受压强度设计值 管道的最小有效传力面积 顶力分享系数 Φ3 0.85 γQd KN = Φ5 0.79 1.3 1120 t 0.79 pa mm2 1.3 fc 32.4 （二）管道顶力计算

管道顶力包括顶管机迎面阻力和顶进阻力，F=F1+F2 1、顶进阻力F1= D1Lfk

其中：D1为管道外径，取1.92m；

L为管道设计顶进长度，设计150m；

f k 为管外壁与土的单位面积平均摩阻力kN/m2；

其数值一般通过试验确定，如果采用触变泥浆减阻技术按下表选用

土类 粘性土 管材 钢筋砼管 钢管 3.0-5.0 3.0-4.0 5.0-8.0 4.0-7.0 8.0-11.0 7.0-10.0 11.0-16.0 10.0-13.0 粉土 粉、细砂土 中、粗砂土 当触变泥浆技术成熟可靠、管外壁能形成和保持稳定、连续的泥浆套时，f k可直接取值3.0-5.0 kN/m2 ，本工程取5.0 kN/m2。

经过计算，顶进阻力F1=4521.6 KN。

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2、迎面阻力F2=

4DggHg

2其中：Dg顶管机外径，取1.92m； g土的重度，取18.45kN/m3； Hg覆土层厚度，本次取9.72m。 经过计算，迎面阻力F2=518.96 KN。

3、管道总顶力F=F1+F2=4521.6KN+518.96KN=5040.56KN=504.06t。

表3.2 管道顶力计算表

顶力计算 钢筋混凝土管(d=1600mm) 计算公式 FD1LfkF2 F D1 L fk F2 L 150 5041 fk 5 KN = 总顶力标准值 管道外径 管道设计顶进长度 管道外壁和土的平均摩阻力 顶管机的迎面阻力 F2 518.96 504.06 t 5040.56 式中： 基本数值 D1 1.92 F KN m m kN/m2 kN 顶管机迎面阻力计算 - 7 -

钢筋混凝土管(d=1600mm) 计算公式 F2F2 Dg γg Hg γg 18.45 518.96 4DggHg 顶管机的迎面阻力 顶管机外径 土的重度 覆土层厚度 Hg 9.72 51.90 t 2518.96 式中： 基本数值 Dg 1.92 F2

kN m kN/m3 m KN = 四、结论

工作井内设备顶进能力可达到800T，采用4个200T的千斤顶完全满足要求，本工程顶管采用注浆减阻法，理论顶力小于实际动力值，因此我们无需增加额外的顶进系统即可满足要求，设计图纸最大顶距为150m是合理的经济距离。

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