基于围岩变形时空效应的顶管顶推力计算方法

摘要

本发明涉及一种基于围岩变形时空效应的顶管顶推力计算方法，其是将侧向摩阻力再叠加上迎面阻力得到总的顶推力，作为基于围岩变形时空效应的顶管顶推力。可以考虑顶管施工过程中围岩变形的时空效应，对顶管不同位置的荷载进行分析，最后积分得到总的顶推力，所得结果更加符合实际情况，可得到更为精细的顶推力计算结果，有利于对顶管结构、始发井、中继间和后靠背进行更为精细的设计。

说明书

技术领域

本发明涉及一种隧道与地下工程建设中的顶管顶推力计算方法，尤 其是基于围岩变形时空效应的顶管顶推力计算方法。

背景技术

在隧道和地下管线建设过程中，顶管施工作为一种非开挖方法，可 以在不开挖地表土的情况下完成工程施工，具有无可比拟的优点，得到 了越来越广泛的运用。顶管施工过程中，顶推力计算一直以来都倍受关 注，其直接关系到顶管结构、始发井、中继间和后靠背的设计。

当前针对顶推力的计算主要有两种模型：开挖面稳定模型和管土全 接触模型。开挖面稳定模型认为：顶管机外径与管道外径差值所产生的 缝隙一直存在，管道顶进过程中围岩上部是稳定的，管道只在底部一定 宽度的表面上滑动，在其它部分由于挖掘面保持稳定，管土之间没有接 触，因此，顶力主要由管道自重产生的摩擦阻力组成；管土全接触模型 认为：管道顶进过程中管道周围均与土体接触，顶力主要用来克服由作 用在管周的土压力引起的摩擦阻力。

现有顶管顶推力计算公式很多，但几乎都是在以上两种模型的基础 上发展而来的，总的顶推力为迎面阻力与管节摩擦力之和，主要区别在 于摩擦力的计算。当前顶推力计算方法都视顶管沿线路方向的径向荷载 为与施工过程和时间无关的不变量，即管土之间的接触状态从始至终是 不变的。

这样简化虽然使得计算简单，易于理解和实际操作，但随着技术的 发展，岩土行业精细化设计要求越来越高的今天，亟需一种更加切合实 际的顶管顶推力计算方法。本发明涉及内容正是针对以上技术难点，可 得到较为精细的顶推力计算结果。

发明内容

为了克服当前顶管施工过程中顶推力计算没有充分考虑围岩变形时 空效应的不足，本发明提供了一种基于围岩变形时空效应的顶管顶推力 计算方法。该方法能够考虑顶管施工过程中沿线路方向围岩变形的不同 特征，从而使计算结果更加切合实际，能有效指导顶管结构、工作井、 中继间以及后靠背等的设计。

本发明解决其技术问题所采用的主要技术方案包括：

一种基于围岩变形时空效应的顶管顶推力计算方法，将侧向摩阻力 再叠加上迎面阻力得到总的顶推力，作为基于围岩变形时空效应的顶管 顶推力，该方法能够考虑顶管施工过程中沿线路方向围岩变形的不同特 征，从而使计算结果更加切合实际。

优选为侧向摩阻力包括顶管不同位置径向荷载产生的侧向摩阻力。

更优选为顶管不同位置径向荷载产生的侧向摩阻力是根据施工过程 中所采取的减阻措施，对管土之间摩擦系数进行确定后得到的。

更优选为顶管不同位置的径向荷载是根据顶进速度得到顶管线路方 向上不同位置的接触情况计算得到的更优选为顶管不同位置的径向荷载 的计算还根据管土相互作用关系进行。

本发明一个实施例中，顶管不同位置的径向荷载的计算包括首先在 基础参数的基础上对围岩变形特性进行预测。

优选为基础参数包括顶管材料、埋深、断面尺寸、地层物理力学参 数。

本发明一个实施例中，侧向摩阻力指的是，对顶管摩阻力沿顶进方 向进行积分，得到的总的侧向摩阻力。

本发明一个实施例中，其包括以下步骤：

S1、根据工程基本情况获取包括顶管材料、埋深、断面尺寸、地层 物理力学参数在内的基础参数；

S2、在以上参数基础上对围岩变形特性进行预测，根据顶进速度得 到顶管线路方向上不同位置的接触情况，并根据管土相互作用关系对顶 管不同位置的径向荷载进行计算；

S3、根据施工过程中所采取的减阻措施，对管土之间摩擦系数进行 确定，并由此得到顶管不同位置径向荷载产生的侧向摩阻力；

S4、对顶管摩阻力沿顶进方向进行积分，得到总的侧向摩阻力，再 叠加上迎面阻力和管土粘滞力就得到总的顶推力。

步骤S1中，基础参数包括：地层压缩模量E_s、泊松比μ、内摩擦角 φ、顶管材料与地层摩擦系数f_s、顶管埋深h、顶管机外径D₀、管节外径D₁、 单位长度管节自重ω

本发明一个实施例中，步骤S2中，顶管不同位置的径向荷载的表征 包括单位长度内总的径向荷载P_r，其计算公式为：

当管节只在底部与土体接触，管节与土体之间的接触荷载主要为结 构自重时，p_r＝ω，式中，ω为单位长度管节自重；

当围岩变形发展到已经与管节接触时，p_r＝f₁(E,μ,h,D₀,D₁,t)+ω，式中， 表示围岩的形变荷载部分，是与围岩变形时空效应相关 的函数，自变量E,μ,h,D₀,D₁是步骤S1所获取的基础参数，t是围岩开挖后 的时长。

本发明一个实施例中，表征围岩变形程度的围岩变形量为：

其中，P(t)为释放荷载与时间的关系。

本发明一个实施例中，管土作用荷载的计算公式为

其中，P(t)为释放荷载与时间的关系，t₀为管土 刚接触的时刻。

本发明一个实施例中，释放荷载与时间的关系P(t)为： $P\left(t\right)=\frac{2}{\pi }{P}_0\arctan \left(mt\right),$式中，$m=\frac{4V}{{\mathrm{ND}}_0},$V为工作面平均推进速度。

本发明一个实施例中，当时，判定土体与顶管没有完全接 触；当时，判断土体与顶管已经接触。

优选为，步骤S2中，先计算得到所对应的时刻t₀，再根据 顶管顶进速度V(即工作面平均推进速度)，计算得到：管土接触分界长 度l₀＝Vt₀。

本发明一个实施例中，步骤S3中，顶管上某截面单位长度的侧摩阻 力为：P_s(l)＝πD₁P_rf_s。

优选为总的侧摩阻力为：

本发明一个实施例中，步骤S4中，总的顶推力P的计算公式为 式中：P_F为顶管迎面阻力，为总的侧摩阻力。

本发明的有益效果是，可以考虑顶管施工过程中围岩变形的时空效 应，对顶管不同位置的荷载进行分析，最后积分得到总的顶推力，所得 结果更加符合实际情况，可得到更为精细的顶推力计算结果，有利于对 顶管结构、始发井、中继间和后靠背进行更为精细的设计。

附图说明

图1是本发明的分析流程图；

图2是本发明第一实施例的纵剖面构造图；

图3是图2中的截面示意图(其中，A为A-A截面，B为B-B截面， C为C-C截面)；

图4是依照现有技术的方法得到的本发明第一实施例的不同顶进长 度的顶推力分布示意图；

图5是本发明第一实施例的方法得到的不同顶进长度的顶推力分布 示意图。

【附图标记说明】

1、地表；2、工作井；3、后背墙；4、顶推系统；5、顶推块；6、 管节；7、中继间；8、顶管机。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图通过具体实施 方式对发明作进一步描述。

参见图1，本发明的分析流程图，本发明的基于围岩变形时空效应的 顶管顶推力计算方法，包括如下步骤：

S1、对于某一需要分析的特定工程，根据工程基本情况获取顶管材 料、埋深、断面尺寸、地层物理力学参数等基础信息；

S2、在以上参数基础上对围岩变形特性进行预测，根据顶进速度得 到顶管线路方向上不同位置的接触情况，并根据管土相互作用关系(管 土相互作用关系即围岩与顶管之间的相互作用关系)对顶管不同位置的 径向荷载进行计算；

S3、根据施工过程中所采取的减阻措施，对管土之间摩擦系数进行 确定，并由此得到顶管不同位置径向荷载产生的侧向摩阻力；

S4、对顶管摩阻力沿顶进方向进行积分，得到总的侧向摩阻力，再 叠加上迎面阻力就得到总的顶推力。

实际实施过程中，根据本发明计算流程图的步骤和顺序，具体如下：

步骤S1：初始参数获取。

根据实际工程获取如下初始参数：

地层压缩模量E_s、泊松比μ、内摩擦角φ、顶管材料与地层摩擦系数f_s、 顶管埋深h、顶管机外径D₀、管节外径D₁、单位长度管节自重ω。

步骤S2：径向荷载计算。

通常情况下顶管机外径D₀会大于管节外径D₁(D₀>D₁)，从而导致，在 地层变形之前，管节(即顶管)上部与地层无接触，随着地层变形的逐渐发 展，土体慢慢与管节接触，该过程管节所受径向荷载逐渐增大。

如图2、图3所示，对于A-A截面位置：管节只在底部与土体接触，管 节与土体之间的接触荷载主要为结构自重，此时，单位长度内总的径向荷载 为：p_r＝ω。

如图2、图3所示，B-B截面为围岩变形发展到一定程度，已经与管节 接触，此时单位长度内总的径向荷载为：p_r＝f₁(E,μ,h,D₀,D₁,t)+ω。

式中：表示围岩的形变荷载部分，是与围岩变形时空 效应相关的函数。其中自变量E,μ,h,D₀,D₁就是步骤1所获取的参数，t是围 岩开挖后的时长。

随着围岩变形持续发展，会在某一时刻与管节接触，在接触前后顶管受 到的荷载不同，因此首先必须计算管土接触的分界点，确定分界长度l₀。

围岩变形量为：$u_r(D_1,t)=\frac{1+\mu }{2E}{D}_{1}P\left(t\right)$

上式中，释放荷载与时间的关系P(t)为：

式中：V是工作面平均推进速度。

当：

时，土体与顶管没有完全接触，该情况为截面A-A情形；

时，土体与顶管已经接触。

计算得到所对应的时刻t₀。

根据顶管顶进速度V(即工作面平均推进速度)，进一步得到：管土接 触分界长度l₀＝Vt₀。

在得到分界长度l₀和对应的时刻t₀后，就可以按下式对管土作用荷载进 行计算：

步骤S3：侧摩阻力计算。

顶管上某截面单位长度的侧摩阻力为：P_s(l)＝πD₁P_rf_s。

总的侧摩阻力为

步骤S4：总的顶推力计算。

总的顶推力$P=P_F+\underset{0}{\overset{l}{\int }}{P}_s\left(l\right)dl.$

式中：P_F为顶管迎面阻力；为总的侧摩阻力。

参见图2和图3，本发明的顶管顶推力计算的一个实施例。

假设某顶管工程初始参数如下：顶管机外径D₀＝505cm，混凝土管的外 径D₁＝500cm，每米管的重力ω＝29.4kN/m，混凝土容重γ＝26kN/m³，土的天 然容重γ＝20kN/m³，内摩擦角E_s＝10MPa，μ＝0.3，管与土的粘着力 c＝10kPa，标准贯入数N＝4，覆土深度H＝10m，无地下水，顶程L＝100m， 日推进距离3m。

1)按照现有技术，顶管规范计算过程与结果如下：

按《给水排水工程顶管技术规程》和《顶管工程施工规程》中采用的公 式P＝πD₁Lf_s+P_F

根据规范和实施例的上述参数可得到，上式中：

f_s＝5kN/m²

$P_F=\frac{\pi }{4}{D_g}^2\gamma H=3926kN$

P_l＝πD₁lf_s+P_F＝78.5l+3926(kN)

不同顶进长度的顶推力分布如图4所示。

2)本发明计算过程与结果

$m=\frac{4V}{{\mathrm{ND}}_0}=0.6$

α根据不同地层取不同值：

$u_r(D_1,t)=\frac{1+\mu }{2E_s}{D}_{1}P\left(t\right)=0.16P\left(t\right)$

当t＝t₀：$u_r(a,t)=\frac{D_0-D_1}{2}=2.5\left(cm\right)$

得：t₀＝2.5天

进一步得到l₀＝7.5m

因此在最前面7.5m，顶管竖向荷载由顶管结构自重组成，在7.5m之后， 竖向荷载为：