顶管施工技术参数计算

顶管施工技术参数计算一、顶推力计算（1）推力的理论计算： (CJ2~CJ3段)F=F1+F2其中：F —总推力Fl 一迎面阻力 F2—顶进阻力F1＝π/4×D 2×P (D —管外径2.64m P —控制土压力) P ＝Ko ×γ×Ho式中 Ko —静止土压力系数，一般取0.55Ho —地面至掘进机中心的厚度，取最大值6.43m γ—土的湿重量，取1.9t/m 3P ＝0.55×1.9×6.56＝6.8552t/m 2F1=3.14/4×2.642×6.8552＝37.5tF2＝πD ×f ×L式中f 一管外表面平均综合摩阻力，取0.85t/m 2D —管外径2.64mL —顶距，取最大值204.53mF2＝3.14×2.64×0.85×204.53＝1441.15t因此，总推力F=37.5+1441.53=1479.04t 。

（2）钢管顶管传力面允许的最大顶力按下式计算：F ds =φ1φ3φ4γQdf s A p 式中 F ds — 钢管管道允许顶力设计值（KN ）φ1—钢材受压强度折减系数，可取1.00φ3—钢材脆性系数，可取1.00φ4—钢管顶管稳定系数，可取0.36：当顶进长度＜300 m 时，穿越土层又均匀时，可取0.45,：本式取0.36γQd —顶力分项系数，可取1.3A p —管道的最小有效传力面积（mm 2）计算得181127=3.14*13222-3.14*13002f s —钢材受压强度设计值（N/mm 2）235 N/mm 2由上式可得钢管顶管传力面允许的最大顶力11787KN,约1202.75t 经计算得知总推力F=1479.04t ，大于钢管顶管传力面允许的最大顶力1202.75t ，顶管时只能用其80%，1202.75×80%=966.2t 。

顶管工程力学参数确定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算顶管的推力和后背承载能力。

顶管的推力就是顶管过程管道受的阻力，包括工具管切土正压力、管壁摩擦阻力及工具管气水压力。

⑴工具管切土正压力：与土层密实度、土层含水量、工具管格栅形态及管内挖土状况有关。

根据有关工程统计资料，软土层一般为20-30t/m2,硬土层通常在30-60t/m2。

大于40t/m2 时表明土质较好，可考虑取消格栅,采用开敞式工具管。

F1=S1×K其中F1--顶管正阻力(t)S1--顶管正面积(m2)K---顶管正阻力系数(t/m2)⑵管壁摩擦阻力：管壁与土间摩擦系数及土压力大小有关。

根据有关工程统计资料，管壁摩擦阻力一般在100-500kg/m2之间。

通常减少管壁摩擦阻力的措施有：管壁与泥土间加泥浆套减阻，使管外壁形态规则和表面光洁、减少管道拐弯等。

⑶泥水平衡压力：在封闭的冲泥舱内加泥水压力平衡地下水压力，是防止泥砂涌入的重要方法。

泥水压力一定要合理。

压力过小，大量的泥砂涌入，会造成路面破坏，压力过大，会增大主千斤顶负荷，严重的可能产生冒顶现象。

泥水平衡压阻力计算如下：×D2×P/4πF3=其中F3--顶管泥水阻力(t)D--顶管外径(m)P--一顶管泥水最大压力(t/m2)在考虑最大一次顶进距离为53m时，顶管总阻力为以上三种阻力之和：360t≈F=F1+F2+F3考虑地下工程的复杂性及不可预见因素，顶管设备取2倍能力储备，设备顶进能力应为7 00t。

后背结构及抗力计算后背作为千斤顶的支撑结构。

因此，后背要有足够的强度和刚度，且压缩变形要均匀。

所以，应进行强度和稳定性计算。

本工程采用厚钢板后背，这种后背设置简单，安装时应满足下列要求:A.使千斤顶的着力中心高度不小于后背高度的1/3；B.后背垫铁可用70mm钢板。

C.后背后松散砂层灌注水泥砂浆。

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.........................................................二、施工方案.........................................................三、顶力计算.........................................................四、结论.............................................................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。

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。

输⽔钢管结构计算（顶管施⼯）顶管段钢管结构计算输⽔钢管的结构计算主要包括稳定计算、刚度计算和强度计算三个部分。

1. 计算依据GB50017-2003《钢结构设计规范》G50332-2002《给⽔排⽔⼯程管道结构设计规范》SL281-2003，DL/T 5141-2001《⽔电站压⼒钢管设计规范》DL/T 5339-2006《⽕⼒发电⼚⽔⼯设计规范》DL 5077-1997《⽔⼯建筑物荷载设计规范》《地下压⼒输⽔钢管设计⼿册》《****⽔库达标加固可⾏性研究阶段岩⼟⼯程勘察报告》2. 基本资料2.1 钢管⼏何尺⼨管道内径：D0 = 1.3 m管壁结构厚度：δk = 18 mm管壁计算厚度：δ= 16 mm（考虑钢管长期运⾏锈蚀和制造上的允许误差）管道计算外径：D1 = 1.332 m 管道计算平均直径：D p = 1.316 m管道计算平均半径：r p = 0.658 m2.2 管线设计进⼝管底⾼程：Z管底=91.50 m管线纵坡：i = 1/1000管线总长：L = 104 m2.3 ⽔库⼤坝资料坝顶⾼程：Z坝顶= 113.80 m设计洪⽔位：Z设洪= 111.99 m正常蓄⽔位：Z正蓄= 110.30 m死⽔位：Z死= 92.00 m⽔重度：γw = 10 KN/m32.4 管顶覆⼟资料管顶覆⼟的弹性模量：E s = 4.763 MPa管顶覆⼟天然重度：γ0 = 18.7 KN/m3管顶覆⼟浮重度：γ0' = 9.54 KN/m3管顶覆⼟凝聚⼒：c = 7.53 KPa实测管顶覆⼟摩擦⾓的平均值：µφ= 22.5°，标准差：σφ=3.51°根据DL 5077-1997的统计公式，管顶覆⼟摩擦⾓：φ = µφ- 1.645 σφ= 16.73°2.5 钢材⼒学特性（Q235号钢）弹性模量：E = 2.06×105MPa泊松系数：µ= 0.3温度线膨胀系数：αs = 1.2×10-5/℃钢重度γs = 78.5 KN /m33. 荷载计算图1 输⽔钢管荷载⽰意图作⽤在输⽔钢管上的荷载有：管⾃重、⼟压⼒（包括垂直⼟压⼒和⽔平⼟压⼒）、地⾯荷载（包括均布活荷载和车辆动荷载）、管内⽔压⼒（包括⽔重）、外⽔压⼒、温度荷载、管内真空压⼒、地基反⼒和地震荷载。

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13m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(c B p p F π∆+=式中： Bc ——管外径，取4.14mp0——土水压力（砂分算，粘土合算）δ=r 1h 1tg 2(45-Ф2/2)-2c 2tg(45-Ф2/2)≈350KN/mgh p ρ=0＝1000×10×8＝80000Pa ＝80kPa △P ——附加压力（一般取20kPa ）式中： ρ——水的密度（kg/m 3）g ——重力加速度（m/s 2）h ——地下水位到挖掘机中心深度，取8m得： F 0＝（350+80+20）×××4＝6055（kN ）（2） f 0=RS式中： R ——综合摩擦阻力（kPa ），取8kPaS ——管外周长（m ），得S ＝c B π＝×＝13（m ）得： f0＝8×13＝104（kN/m ）（3）最后得出：总推力F ＝6055+104×＝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13m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(c B p p F π∆+=得： F 0＝6055（kN ） （2） RS f =0式中： R ——综合摩擦阻力（kPa ），取8kPaS ——管外周长（m ），得S ＝c B π＝×＝13（m ）得： f 0＝8×13＝104（kN/m ）（3）最后得出：总推力F ＝6055+104×＝10839﹤13000（kN ），不需要加中继间。

顶管计算书（混凝土管）一、设计条件计算为不开槽顶管施工为检查井W152至W155段管，基本参数如下：内径D0=1.00m管壁厚度t=0.10m选用等级：Ⅲ级γ1=1.20γ2=1.27支撑角2a=120°覆土深度H S=3.60m 管内水重力密度γw=10kN/m3K aμ=0.11 参照CECS 246：2008的6.2.1取钢筋混凝土管重力密度γc=26kN/m3K0=0.50管底土层内摩擦角ψ=30°覆土平均重力密度γs=18kN/m3C=0.0kPa二、荷载计算1、永久作用1.1管自重：管自重标准值:G0k=γcπ(D0+t)t=9.0kN/m设计值:G0=γ1G0k=10.8kN/m1.2管内水重：管内水重标准值:G wk=γwπ(D0/2)2=7.9kN/m设计值:G w=γ2G wk=10.0kN/m1.3管顶土压力：H S/D1=H S/(D0+2t)=3.00c je=0.73竖向土压力标准值:F SV,k=C jeγs H s D1=56.8kN/m设计值:F sv=γ2F sv,k=72.1kN/m1.3管侧土压力：标准值:F ep,k=K0(F sv,k/D1+γs+D1/2)=33.0kN/mp ep,k=F rp,k D1=39.5kN/m2、可变作用2.1地面堆积荷载：q mk=10kN/m2q mk D1=12kN/m设计傎q m D1=16.8kN/m三、圆管内力分析管底弯矩最大时，地基土支撑角取2a=120°-30°=90°查表得：k m0=0.123k mw=0.123k mv=0.178k mp=-0.1253.1满水时：M A=∑k mi p iγc=(D0+t)[k mo G0+k mw G w+k mv(F sv+q m D1)+k mp p ep,k]/2==14.8kN/mM A,k=∑k mi p iγc=(D0+t)[k mo G0k+k mw G wk+k mv(F sv,k+q mk D1)+k mp p ep,k]/2==11.2kN/m3.2空水时：M A=∑k mi p iγc=(D0+t)[k mo G0+k mv(F sv+q m D1)+k mp p ep,k]/2==13.4kN/mM A,k=∑k mi p iγc=(D0+t)[k mo G0k+k mv(F sv,k+q mk D1)+k mp p ep,k]/2==10.1kN/m3.3计算取值：M A=14.8kN/m M A,k=11.2kN/m四、核定圆管的荷载查表知，预制钢筋混凝土管的破坏荷载为:179kN/mp=2M A/0.318(D0+t)=84kN/m<197kN/m，满足要求。

一、工程概况本项目为某市某道路下新建一条直径为DN1200mm的污水管道，管道全长约800m，穿越道路、绿化带、河道等复杂地形。

为保证施工质量、安全及工期，采用顶管法进行管道施工。

二、顶管施工方案计算1. 顶管机选型根据工程地质条件、管道直径、施工环境等因素，选用我国某知名品牌ZT-1200型泥水平衡顶管机。

2. 顶管施工参数计算（1）顶管直径：D = 1200mm（2）顶管长度：L = 800m（3）顶管施工坡度：i = 1/100（4）顶管施工速度：V = 10m/d（5）顶管施工时间：T = L/V = 800m/10m/d = 80d3. 泥浆参数计算（1）泥浆比重：ρ = 1.2g/cm³（2）泥浆粘度：η = 15mPa·s（3）泥浆pH值：pH = 8-9（4）泥浆处理能力：Q = πD²/4 × V = 3.14 × (1200mm)²/4 × 10m/d = 113096m³/d4. 顶管施工材料计算（1）顶管管材：采用F型钢筋混凝土管，单节长度为6m，共需133节。

（2）顶管连接件：采用焊接连接，每节管道需焊接接头4个。

（3）顶管施工辅助材料：泥浆、润滑剂、密封剂等。

5. 顶管施工人员计算（1）顶管施工人员：包括施工负责人、技术员、操作手、安全员等，共需30人。

（2）顶管施工设备操作人员：包括泥浆泵操作手、顶管机操作手、管道焊接操作手等，共需10人。

（3）顶管施工辅助人员：包括测量员、试验员、材料员等，共需5人。

6. 顶管施工费用计算（1）顶管设备费用：ZT-1200型泥水平衡顶管机，约200万元。

（2）顶管材料费用：F型钢筋混凝土管、连接件、辅助材料等，约150万元。

（3）顶管施工人员费用：约100万元。

（4）顶管施工辅助费用：约50万元。

综上所述，顶管工程施工方案计算如下：顶管设备费用：200万元顶管材料费用：150万元顶管施工人员费用：100万元顶管施工辅助费用：50万元顶管工程施工总费用：500万元三、顶管施工质量控制1. 严格控制泥浆质量，确保泥浆比重、粘度、pH值等参数符合设计要求。

1、后座反力计算忽略钢制后座的影响，假定主顶千斤顶施加的顶进力是通过后座墙均匀地作用在工作坑后的土体上，为确保后座在顶进过程中的安全，后座的反力或土抗力R应为的总顶进力P的1.2~1.6倍，反力R采用下式计算：式中：R——总推力之反力，kN；α——系数，取α=1.5~2.5，计算中取2。

B——后座墙的宽度，取5m；γ——土的容重，kN/m3；H——后座墙的高度，取4m；Kp——被动土压系数，）2/45（tanKp2ϕ+=；c——土的内聚力，kPa；h——地面到后座墙顶部土体的高度，见表1。

井号基坑尺寸坑深（m）后背墙高（m）墙顶到地面的高h（m）W1、Y1 平面异形面积127m27.91843.918W3、Y3 9mx9m 7.99 3.99W6、Y5 9mx9m 8.132 4.132 W9、Y7 9mx9m 8.258 4.258 W11、Y9 9mx9m 8.366 4.366Y’2 9mx5m 5.492 1.492Y旧2 9mx5m 6.681 2.681W旧2 9mx5m 6.234 2.234 W’3、Y’59mx9m 6.748 2.748（1）工作基坑W1、Y1的后背墙反力计算管道所在的土层为粉质粘土层，C=9.15kPa，γ=19.1 kN/m3，φ=15.07°。

将数据代入公式：R=8637.9KN（2）工作基坑W3、Y3的后背墙反力计算管道所在的土层为粉质粘土层，C=9.15kPa，γ=19.1 kN/m3，φ=15.07°将数据代入公式：R=8744.4KN（3）工作基坑W6、Y5的后背墙反力计算管道所在的土层为粉质粘土层，C=9.15kPa，γ=19.1 kN/m3，φ=15.07°将数据代入公式：R=8913.2KN（4）工作基坑W9、Y7的后背墙反力计算管道所在的土层为淤泥质粘土层，C=10.14kPa，γ=17.9kN/m3，φ=4.18°将数据代入公式：R=6048.5KN。

顶管工程中顶力计算及应用摘要：市政给排水管道是城市基础设施建设中重要的一环，当给排水管线遇到交通流量繁忙的道路，地面建筑物密集、地下构筑物和管线复杂的城区时，沿用传统的明挖敷设已难以实施，而采用顶管方案跨越相应障碍已成为市政基础工程中的最佳选择，其中管道顶力的确定又是顶管设计施工的重点。

关键词：顶进阻力；管道允许顶力； 土抗力顶管设计施工的核心是确定顶进力。

顶进力取顶进阻力、管材允许顶力中的小值，并不大于承压壁后的土抗力。

其中顶进阻力由顶管机迎面阻力与顶进管道摩阻力组成；管材允许顶力与管道材质、管壁厚度、管道接头受压形式息息相关；土抗力取决于顶管工作井的结构形式，顶管覆土厚度，后被墙面积，承压壁后土的内摩擦角、粘聚力，地下水位等因素。

故采用顶管法施工时，管道一次顶进距离有限，当顶进长度过大时，需采用中继间接力技术加以解决。

一、顶进阻力计算【1】《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246:2008）颁布实施后，顶进阻力均按单位面积摩阻力进行计算，其计算公式F=πf k D 1L+N F （1）fk:采用触变泥浆减阻后，管道外壁与土的平均摩阻力（KN/m 2）,见表一 ； L:管道设计顶进长度（m ）；D 1：管道外径（m ）；N F :顶管机的迎面阻力（KN ），计算公式见表二；表一 触变泥浆减阻管壁与土的单位面积平均摩阻力f k (KN/m 2)注：玻璃纤维增强夹砂管可参照钢管乗以0.8系数。

表二 顶管机迎面阻力（N F ）的计算式F2F2F2=）（aR+PnF2=Ƴs H sDg：顶管机外径（m）;一般比顶进管道外径大10mm;R:挤压阻力（KN/m2）,可取R=300-500KN/m2。

二、管道允许顶力计算【1】1、根据《给水排水工程顶管技术规程》，混凝土顶管传力面允许最大顶力经简化后计算公式如下： =0.391（2）混凝土受压强度设计值（N/mm2）；管道的最小有效传力面积（mm2）；2、玻璃纤维增强塑料夹砂管与钢管传力面最大顶力计算详见规程，不在此一一列出。