顶管计算

4.5.3.5顶管施工关键参数计算以下的顶管机主要性能参数的计算主要是根据本工程地质勘察报告和水文地质资料选取适当参数，并结合顶管机生产厂家设计共同计算完成。一、顶力计算：顶管过程是一个复杂的力学过程，它涉及材料力学、岩土力学、流体力学、弹塑性力学等诸多学科。但顶管计算的根本问题是要估计顶管的顶力。顶管的顶力就是顶管过程管道受的阻力，包括工具头正面泥水压力、管壁摩擦阻力。（一）4#～5#段4#~5#顶管段，长407.2m，管顶覆土取13mLfFF00式中：F——总推力（kN）F0——初始推力（kN）f0——每米管子与土层之间的综合摩擦阻力（kN/m）（1）204)0(cBppF式中：Bc——管外径，取4.14mp0——土水压力（砂分算，粘土合算）δ=r1h1tg2(45-Ф2/2)-2c2tg(45-Ф2/2)≈350KN/mghp0＝1000×10×8＝80000Pa＝80kPa△P——附加压力（一般取20kPa）式中：ρ——水的密度（kg/m3）g——重力加速度（m/s2）h——地下水位到挖掘机中心深度，取8m得：F0＝（350+80+20）×3.14×4.14×4.14/4＝6055（kN）（2）f0=RS式中：R——综合摩擦阻力（kPa），取8kPaS——管外周长（m），得S＝cB＝3.14×4.14＝13（m）得：f0＝8×13＝104（kN/m）（3）最后得出：总推力F＝6055+104×407.2＝48383（kN）›13000（kN），需加中继间。(二)5#~6#段5#~6#顶管段，长45.9m，管顶覆土取13mLfFF00式中：F——总推力（kN）F0——初始推力（kN）f0——每米管子与土层之间的综合摩擦阻力（kN/m）（1）204)0(cBppF得：F0＝6055（kN）（2）RSf0式中：R——综合摩擦阻力（kPa），取8kPaS——管外周长（m），得S＝cB＝3.14×4.14＝13（m）得：f0＝8×13＝104（kN/m）（3）最后得出：总推力F＝6055+104×45.9＝10839﹤13000（kN），不需要加中继间。(三)6#~7#段6#~7#顶管段，长293.5m，管顶覆土取13mLfFF00式中：F——总推力（kN）F0——初始推力（kN）f0——每米管子与土层之间的综合摩擦阻力（kN/m）（1）204)0(cBppF式中：Bc——管外径，取4.14mp0——土水压力（砂分算，粘土合算）δ=r1h1tg2(45-Ф2/2)-2c2tg(45-Ф2/2)≈683KN/mghp0＝1000×10×8＝80000Pa＝80kPa△P——附加压力（一般取20kPa）式中：ρ——水的密度（kg/m3）g——重力加速度（m/s2）h——地下水位到挖掘机中心深度，取8m得：F0＝（683+80+20）×3.14×4.14×4.14/4＝10535（kN）（2）RSf0式中：R——综合摩擦阻力（kPa），取8kPaS——管外周长（m），得S＝cB＝3.14×4.14＝13（m）得：f0＝8×13＝104（kN/m）（3）最后得出：总推力F＝10535+104×293.5＝41007›13000（kN），需加中继间。说明：以上的管壁摩擦力计算未考虑触变泥浆减阻效果，施工是采用触变泥浆减阻，可以有效折减管壁摩擦阻力。二、管材受力分析（1）DN4140混凝土管壁厚320mm。（2）设计图纸管节容许顶力为13000KN。三、工作井设计顶力计算根据总推力、工作井所能承受的最大顶力及管材轴向允许推力比较后，取最小值作为油缸的总推力。各油缸有其独立的油路控制系统，可根据施工需要通过调整主顶装置的合力中心来进行辅助纠偏。每只油缸顶力控制在1800kN以下，这可以通过油泵压力来控制，顶进时需加中继间。四、中继间接力系统中继环的放置以主顶顶力来控制，中继环安放时，第一个中继环应放在前面一些，因为顶管机在推进过程中推力的变化会因土质条件的变化而有较大的变化。所以，当后座总顶力达到中继环总推力的50%时，就应布置第一个中继环，以后每当后座总顶力达到中继环总推力的70%时，就布置一个中继环。而当后座总顶力达到中继环总推力的90%时，就必须启动中继环。各井段中间均需要增加中继环，各中继环布置计算如下：一、4#~5#井段1、根据主顶油缸总顶力为10800kN计算，顶管长度小于L＝（P-N）/F，（若考虑触变泥浆减阻效果，则总和摩阻力可以减少1/3左右，取砂层段F=48383/407.2×2/3=79（KN/m）），即L＝（10800-2020）/79＝111（m）的管段可以直接由总顶力完成顶进，不需要增加中继间。2、当顶进长度大于111m时，中继间布置方法如下：（1）第一道中继间布置L=（K•P-N）/F式中：P——中继间设计顶力（KN），拟设计采用50个300KN的油缸，则总推力为15000KN›13000KN›10800KN，取10800KN。N——机头迎面阻力（KN），为150×3.14×4.14×4.14/4=2020KNF——每米管壁摩阻力（KN/m），取为79KN/m（考虑触变泥浆减阻效果）K——总推力达到中继间总推力的百分比，取50％。得：L=（50％×10800-2020）/79=42.6m，取42m。因此，第一道中继间布置于距头部42m处。（2）第二道中继间开始，若余下顶管长度小于L＝P/F＝10800/79＝136.7（m），则管段可以直接由总顶力完成顶进，不需要继续增加中继间。（3）若余下顶管段大于136.7m时，则增加中继间布置如下：L=（K•P）/F式中：P——中继间设计顶力（KN），拟设计采用50个300KN的油缸，则总推力为15000KN›13000KN›10800KN，取10800KN。F——每米管壁摩阻力（KN/m），取为100KN/mK——总推力达到中继间总推力的百分比，取75％得：L=（75％×10800）/79=76.7m.，取76m。因此，若需要增加第二道或更多中继间时，每隔75m布置一道。4#~5#井段设置4个中继间。同理：5#~6#设置不需要设置中继间；6#~7#设置3个中继间。表4-2顶进系统概况图管线段计算总推力长度（m）主顶油缸选用备注4#~5#48383kN407.28台2000kN级油缸需加4个中继间5#~6#10839kN45.98台2000kN级油缸6#~7#41007kN293.58台2000kN级油缸需加3个中继间五、后靠背稳定性验算在顶管过程中，为了使分散的各个油缸推力变成均匀地作用在工作坑的后方土体上，一般需要浇筑一睹后座墙，在后座墙与主顶油缸尾部之间，在垫上一块钢制的后靠板，有后靠板厚后座墙以及基坑后方土体这三者组成了顶管的后座。1、方形工作井受的静止、主动、被动土压力计算公式方形工作井受土压力平面示意图如图3，工作井侧壁受的土压力按静止土压力计算，工作井前壁受到的土压力为主动土压力，后壁受到的土压力为被动土压力。静止土压力：ikkksiooihKE1静止土压力系数oK宜由试验确定，当无试验条件时，正常固结土sin-1oK，超固结土sin-1oK，为土的有效内摩擦角。主动土压力：)(1111ikkiisiaikkksiaaihzKhKE被动土压力：)(1111ikkiisipikkksippihzKhKE2、方形工作井侧壁摩阻力的计算对于方形工作井侧壁摩阻力的计算，为了便于计算，把井壁受到的静止土压力等效转化为均布压力来简化计算，lf为同时计算工作井两侧壁与土体的摩阻力，计算公式如下：HLEufoil1式中：1u为井壁与土体之间的综合摩阻力系数，可以按不同土层摩阻力系数加权平均计算而得，一般取0.2～1.0或按表1进行取值；H为井的外壁高度（m）；L为井的外壁长（m）。3、自重、浮力及井底反力oEpEaEF|)(|21浮FGGW式中：W为井底反力（kN）；1G为井体的重量（kN）；2G为工作井内设备自重（KN），一般取100～200kN；浮F为井体受到的浮力（kN），按地下最高水位计算。4、井底摩阻力Wufb22式中：2为折减系数，主要是因为井在施工过程中扰动了地基土，一般取0.6～0.8；2u为摩阻力系数，一般取0.7～1.0。5、顶管工作井整体受力计算分析根据工作井整体受力平衡，工作井允许的沿顶进方向的最大土体反力为ablpFffFRmax则工作井允许的顶力F：max13000RF式中：为安全系数，一般取1.2～1.6，由于工作井受到的顶力反力是一个反复荷载，从零到满荷载的反复变化多达几百，这样土体有可能在没有达到被动土压力时就已经被破坏，因此应留有安全余地。后靠背满足要求。