要倩雅，王梓任，姚永宽，任 强
深埋条件下曲线顶管顶力分析
要倩雅，王梓任，姚永宽，任 强
（北京金河水务建设集团有限公司，北京 102206）
在设计顶管时，顶力计算是非常关键的一环，是千斤顶、中继间、后背墙、顶进长度的重要设计依据。在深埋条件下，试图从普氏理论出发，考虑土体产生的压力拱效应，先计算顶管在直线顶进时的管侧摩阻力，再利用静力学理论对曲线顶管进行力学分析，分析曲线顶管顶力增大的原因，提出一个新的曲线顶管顶力计算公式。并利用实际工程实测结果与计算结果相比较，发现计算结果与实测结果较为接近。
深埋条件；
曲线顶管顶力；
普氏理论；
静力学
在顶管施工中如何计算顶力是重中之重，但对于曲线顶管的顶力计算尚没有明确的规范规定。在计算顶力时，管土之间的摩阻力占据总顶力的重要部分。当前计算管土之间的摩阻力模型主要有管土部分接触模型[1]和管土全接触模型2种[2]，众多学者基于此对管土之间摩阻力进行了研究。王承德[3]对规范中的圆形管节和方形管节理论公式进行了修正，重新推导了侧摩阻力计算公式；
林越翔等[4]通过运用土柱理论和普氏压力拱理论，推出了浅埋和深埋仿矩形顶管管壁摩阻力的理论公式。除了上述2种模型，叶艺超等[5]、王双等[6]、张鹏等[7]还考虑了泥浆对顶进力的影响。将基于管土全接触理论，考虑在深埋条件产生压力拱的条件下，利用文献[3]的方法计算压力拱下的土压力进而计算在直线顶进时的管土之间的摩阻力，再采用静力学理论对曲线顶进时的力学状态进行受力分析，以此推导曲线顶管的计算公式。
1.1 普氏理论
普氏理论是俄国学者普罗托吉雅柯诺夫首次提出的理论。其针对松散介质进行了大量的试验并通过结合实际案例进行分析认为：当洞室开挖之后，土层原有的平衡状态被打破，洞室上方土体会发生塌落，但上方塌落的土体不会一直延伸到地面，而是塌落到一定高度后，土体重新达到平衡，即需要考虑土体的拱效应。当顶管在埋深较大的情况下施工时，也需要考虑土体的拱效应，拱上面部分的土压力由压力拱拱承担，拱下面的土体造成的土压力由顶管承担，可以按照土柱理论分析计算。利用普式理论计算的圆形顶管竖向土压力可由图1所示。
图1 圆形顶管普氏理论竖向土压力示意图
理论公式如下：
图2是利用普氏理论求得的土压力分布，可以看出土压力上下左右分别对称，因此只需分别取上下和左右的一侧求解摩阻力，最后乘以2即可。
图2 管周土压力分布
1.2 顶管上方产生的正压力计算
图3是计算顶管上方产生的土压力积分示意图。由图1及式(1)～式(3)可以推出卸荷拱ACB的曲线方程是：
图3 管顶土压力积分
管顶上的任一点竖向土压力为：
(5)
1.3 顶管两侧产生的正压力计算
式中：1为主动土压力系数。
图4 管侧土压力积分
1.4 迎面阻力
顶管顶进过程中的迎面阻力取决于顶管机前方的土层的水平土压力，并且为了控制对地面环境的影响，需要尽力保持顶管机前方土体相对平衡，因此利用静止土压力理论计算迎面阻力比较适合实际情况。可以用下式计算：
直线顶管中总阻力为：
图5 曲线顶管受力图
则由曲线施工中顶进一根管需要克服的摩擦力为：
综上所述可得，曲线顶管施工工程中总顶力：
第三节上的顶力2：
第四节上的顶力3：
在本工程中顶管顶进过程中的迎面阻力为开始时的顶力为711 kN，迎面阻力计算公式为：
AB段，推导公式顶力计算：
曲线BC段，曲率半径为1 000 m，顶管节数为18，管接口处张开角度0.14°，推导公式顶力计算：
CD段，推导公式顶力计算：
总顶力为直线段AB、CD和曲线段BC的顶力及迎面阻力之和，计算如下：
从图6和表1可以看出，本文推导公式比较符合实际，总顶力计算值和实际顶力值相差在13.1%左右，曲线段相差在12%左右。
表1 实测顶力值与本文公式及规范公式计算顶力比较
区段实测值/kN本文公式 计算值/kN误差/% 直线AB段7269851917.1 曲线BC段2320259812.0 直线CD段16091554-3.5 总区段119091347113.1
(1)根据顶管顶力的实测值可以看出，顶力随着顶进距离的增加而增加。
(2)在曲线顶管中，顶力在顶管接头处与管道轴线发生偏转，产生的偏向力是造成曲线顶管顶力增加的主要原因。
(3)基于普氏理论，充分考虑了顶管深埋条件下的土拱效应，推导出直线顶管的顶力计算公式，在此基础上利用静力学理论推导出曲线顶管计算公式。将计算结果与实测数据相比较，计算结果比较接近实际情况。该公式更适用于较大埋深的曲线顶管顶力计算。
[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. 顶管施工中管壁摩阻力理论公式的商榷[J]. 特种结构, 1999(3): 22-25.
[4] 林越翔, 彭立敏, 吴桂航, 等. 仿矩形顶管管壁摩阻力理论公式的探讨[J]. 现代隧道技术, 2017, 54(4): 180-185.
[5] 叶艺超, 彭立敏, 杨伟超, 等. 考虑泥浆触变性的顶管顶力计算方法[J]. 岩土工程学报, 2015, 37(9): 1653-1659.
[6] 王双, 夏才初, 葛金科. 考虑泥浆套不同形态的顶管管壁摩阻力计算公式[J]. 岩土力学，2014, 35(1): 159-166, 174.
[7] 张鹏, 马保松, 曾聪, 等. 基于管土接触特性的顶进力计算模型分析[J]. 岩土工程学报, 2017, 39(2): 244-249.
[8] Pellet B A L, Kastner R. Experimental and analytical study of friction forces during microtunneling operations[J]. Tunnellingand Underground Space Technology, 2002, 17: 83-97.
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，工程师。
责任编辑：孙 林
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