深埋條件下曲線頂管頂力分析

要倩雅，王梓任，姚永寬，任 強

深埋條件下曲線頂管頂力分析

要倩雅，王梓任，姚永寬，任 強

（北京金河水務建設集團有限公司，北京 102206）

在設計頂管時，頂力計算是非常關鍵的一環，是千斤頂、中繼間、后背墻、頂進長度的重要設計依據。在深埋條件下，試圖從普氏理論出發，考慮土體產生的壓力拱效應，先計算頂管在直線頂進時的管側摩阻力，再利用靜力學理論對曲線頂管進行力學分析，分析曲線頂管頂力增大的原因，提出一個新的曲線頂管頂力計算公式。并利用實際工程實測結果與計算結果相比較，發現計算結果與實測結果較為接近。

深埋條件；曲線頂管頂力；普氏理論；靜力學

在頂管施工中如何計算頂力是重中之重，但對于曲線頂管的頂力計算尚沒有明確的規范規定。在計算頂力時，管土之間的摩阻力占據總頂力的重要部分。當前計算管土之間的摩阻力模型主要有管土部分接觸模型[1]和管土全接觸模型2種[2]，眾多學者基于此對管土之間摩阻力進行了研究。王承德[3]對規范中的圓形管節和方形管節理論公式進行了修正，重新推導了側摩阻力計算公式；林越翔等[4]通過運用土柱理論和普氏壓力拱理論，推出了淺埋和深埋仿矩形頂管管壁摩阻力的理論公式。除了上述2種模型，葉藝超等[5]、王雙等[6]、張鵬等[7]還考慮了泥漿對頂進力的影響。將基于管土全接觸理論，考慮在深埋條件產生壓力拱的條件下，利用文獻[3]的方法計算壓力拱下的土壓力進而計算在直線頂進時的管土之間的摩阻力，再采用靜力學理論對曲線頂進時的力學狀態進行受力分析，以此推導曲線頂管的計算公式。

1 深埋直線頂管頂力分析

1.1 普氏理論

普氏理論是俄國學者普羅托吉雅柯諾夫首次提出的理論。其針對松散介質進行了大量的試驗并通過結合實際案例進行分析認為：當洞室開挖之后，土層原有的平衡狀態被打破，洞室上方土體會發生塌落，但上方塌落的土體不會一直延伸到地面，而是塌落到一定高度后，土體重新達到平衡，即需要考慮土體的拱效應。當頂管在埋深較大的情況下施工時，也需要考慮土體的拱效應，拱上面部分的土壓力由壓力拱拱承擔，拱下面的土體造成的土壓力由頂管承擔，可以按照土柱理論分析計算。利用普式理論計算的圓形頂管豎向土壓力可由圖1所示。

圖1 圓形頂管普氏理論豎向土壓力示意圖

理論公式如下：

圖2是利用普氏理論求得的土壓力分布，可以看出土壓力上下左右分別對稱，因此只需分別取上下和左右的一側求解摩阻力，最后乘以2即可。

圖2 管周土壓力分布

1.2 頂管上方產生的正壓力計算

圖3是計算頂管上方產生的土壓力積分示意圖。由圖1及式(1)～式(3)可以推出卸荷拱ACB的曲線方程是：

圖3 管頂土壓力積分

管頂上的任一點豎向土壓力為：

(5)

1.3 頂管兩側產生的正壓力計算

式中：1為主動土壓力系數。

圖4 管側土壓力積分

1.4 迎面阻力

頂管頂進過程中的迎面阻力取決于頂管機前方的土層的水平土壓力，并且為了控制對地面環境的影響，需要盡力保持頂管機前方土體相對平衡，因此利用靜止土壓力理論計算迎面阻力比較適合實際情況?？梢杂孟率接嬎悖?/p>

直線頂管中總阻力為：

2 深埋曲線頂管頂力分析

圖5 曲線頂管受力圖

則由曲線施工中頂進一根管需要克服的摩擦力為：

綜上所述可得，曲線頂管施工工程中總頂力：

第三節上的頂力2：

第四節上的頂力3：

3 工程案例

在本工程中頂管頂進過程中的迎面阻力為開始時的頂力為711 kN，迎面阻力計算公式為：

AB段，推導公式頂力計算：

曲線BC段，曲率半徑為1 000 m，頂管節數為18，管接口處張開角度0.14°，推導公式頂力計算：

CD段，推導公式頂力計算：

總頂力為直線段AB、CD和曲線段BC的頂力及迎面阻力之和，計算如下：

從圖6和表1可以看出，本文推導公式比較符合實際，總頂力計算值和實際頂力值相差在13.1%左右，曲線段相差在12%左右。

表1 實測頂力值與本文公式及規范公式計算頂力比較

區段實測值/kN本文公式 計算值/kN誤差/% 直線AB段7269851917.1 曲線BC段2320259812.0 直線CD段16091554-3.5 總區段119091347113.1

4 結論

(1)根據頂管頂力的實測值可以看出，頂力隨著頂進距離的增加而增加。

(2)在曲線頂管中，頂力在頂管接頭處與管道軸線發生偏轉，產生的偏向力是造成曲線頂管頂力增加的主要原因。

(3)基于普氏理論，充分考慮了頂管深埋條件下的土拱效應，推導出直線頂管的頂力計算公式，在此基礎上利用靜力學理論推導出曲線頂管計算公式。將計算結果與實測數據相比較，計算結果比較接近實際情況。該公式更適用于較大埋深的曲線頂管頂力計算。

[1] HASLEM R F. Pipe-jacking forces :from practice to theory[C]//Proceedings of ICE North Western Association Centenary Conference in Infrastructure Renovation and Waste Control Manchester: Manstock, 1986: 173.

[2] OREILLY M P, ROGERS C D F. Pipe jacking forces[C]//Proceedings of International Conference on Foundations and Tunnels. Edinburgh: Engineering Technics Press, 1987: 201.

[3] 王承德. 頂管施工中管壁摩阻力理論公式的商榷[J]. 特種結構, 1999(3): 22-25.

[4] 林越翔, 彭立敏, 吳桂航, 等. 仿矩形頂管管壁摩阻力理論公式的探討[J]. 現代隧道技術, 2017, 54(4): 180-185.

[5] 葉藝超, 彭立敏, 楊偉超, 等. 考慮泥漿觸變性的頂管頂力計算方法[J]. 巖土工程學報, 2015, 37(9): 1653-1659.

[6] 王雙, 夏才初, 葛金科. 考慮泥漿套不同形態的頂管管壁摩阻力計算公式[J]. 巖土力學，2014, 35(1): 159-166, 174.

[7] 張鵬, 馬保松, 曾聰, 等. 基于管土接觸特性的頂進力計算模型分析[J]. 巖土工程學報, 2017, 39(2): 244-249.

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Jacking Aorce Analysis of Curved Pipe in Deep Buried Condition

YAO Qian-ya, WANG Zi-ren, YAO Yong-kuan, REN Qiang

（Beijing Jinhe Water Construction Group Co. Ltd, Beijing 102206, China）

Jacking force calculation is a very key part in the design of pipe jacking, which is an important design basis for jack, trunk, back wall and jacking length. In the deep buried condition, this paper tries to consider the pressure arching effect of soil mass from the Platelloway theory, firstly calculates the lateral friction resistance of pipe jacking in a straight line, and then uses the statics theory to carry out mechanical analysis on the curve jacking force, analyzes the reasons for the increase of the curve jacking force, and puts forward a new calculation formula for the curve jacking force. By comparing the measured results with the calculated results, it is found that the calculated results are close to the measured results.

deep burial condition; curved pipe jacking force; Platts theory; statics

10.15916/j.issn1674-3261.2023.03.012

TU990.3

A

1674-3261(2023)03-0206-05

2023-02-23

要倩雅(1985-)，女，河北承德人，工程師。

責任編輯：孫 林