顶管顶力的理论计算与分析

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 。

顶管施工工艺顶力及后背计算：1、顶力计算D=1000mm泥水平衡机械顶管顶力计算（1）顶力计算π=F+NfLfkDF--顶进阻力(KN)D0--顶管外径(m),按线路管径D=1200mm，取D0＝1.22 mL—管道设计最大顶进长度(m)，150mfk—管道外壁与土的单位面积平均摩阻力(KN/㎡)经验值fk=6KN/㎡NF--顶管机的迎面阻力(KN)，查表得：NF=π∕4Dg2P式中 H0—管道覆土厚度，取最大值5mγ—土的湿密度，取18KN/m3解得：NF=（3.14/4）×1.222×5×18=105.2KN则：F=3.14×1.22×150×6+105.2KN =3552.92KN即F=355.292t根据以上计算需要两支（型号）200t顶镐。

根据总顶力计算出顶力为3552.92kN，实际施工过程中选用的顶镐设备为2台200吨的顶镐，能够提供4000kN的顶力，根据现场情况与实际施工经验，采取注浆、涂蜡等减阻措施，可以不使用中继间，能够满足顶力的要求。

1.1.1.12、后背安全系数的核算：根据顶力计算取D=1200进行后背核算根据管道直径选择墙宽2.6m，高2.4m，墙厚0.8m，内衬Φ14@150双层钢筋网片，网片生根于底板钢筋，外侧以预制钢后背为模板，两侧支模，内浇混凝土，混凝土强度采用C30。

后背面积计算：F=V×n/Kp×r×hV：主顶推力n: 安全系数，取n≥1.5Kp ：被动土压力系数，取2r：土的重度，取19h：工作井深度F：后背面积F=3552.9×1.5/2×19×6=30.93后背墙的核算按右公式计算F≥P/[σ]；F—混凝土后背面积P—计算顶力5877.21KN[σ]—混凝土允许承载力1000 KN/m2F=P/[σ]= 5877.2÷1000≈5.88m2取安全系数2，（P/[σ]）’=11.76m2实际施工时采用9*4=36 m2〉30.96 m2 >11.76 能够保证安全由此计算出实际顶进坑的后背可以承受顶推力的作用，能够安全施工。

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........................................................................................................... - 1 -二、施工方案........................................................................................................... - 3 -三、顶力计算........................................................................................................... - 4 -四、结论................................................................................................................... - 8 -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。

人工顶管顶力计算人工顶管施工是一种常见的管线敷设方法，通过使用顶力机械设备对顶管进行推进，将管线顶入地下，并形成完整的管道系统。

在进行人工顶管顶力计算时，需要考虑多个因素，包括土壤条件、自重和摩擦阻力等。

下面将介绍人工顶管顶力计算的理论基础和具体步骤，以及计算中需要注意的问题。

人工顶管顶力计算的理论基础主要包括土壤力学和力学原理两个方面。

土壤力学是研究土壤固体的力学性质和变形规律的学科，它为人工顶管顶力计算提供了理论基础。

力学原理包括受力分析和力的平衡原理，通过对顶管及其周围土壤的受力分析，可以确定顶推过程中的顶力大小。

1.确定土壤参数：土壤参数包括土壤的单位重、内摩擦角和黏聚力等。

通过在施工现场进行土壤试验或现场试坑，可以获取土壤参数的实测值。

2.确定顶推工况：顶推工况一般包括静态顶推和动态顶推两种情况。

静态顶推是指在顶推过程中，推力和摩擦力保持不变；动态顶推是指在顶推过程中，推力和摩擦力会随时间变化。

3.分析受力情况：根据受力分析的原理，在静态顶推情况下，顶推力等于顶力和摩擦阻力的合力，即F=Fp+Ff；在动态顶推情况下，顶推力还需考虑动力参数，其计算公式为F=Fp+Ff+Fd。

4.计算顶力：根据受力分析的结果和力学原理，在静态顶推情况下，顶力可以通过F=Fp+Ff的公式计算得到；在动态顶推情况下，顶力需要考虑动力参数，并通过F=Fp+Ff+Fd的公式计算得到。

在进行人工顶管顶力计算时，需要注意以下问题：1.土壤参数的准确性：土壤参数的准确性对于顶力计算结果具有重要影响。

因此，在确定土壤参数时，应通过现场试验或实测数据，尽可能准确地获取土壤参数的值。

2.动力参数的考虑：在动态顶推情况下，顶力计算需要考虑动力参数，如顶推速度、惯性力等。

这些参数可以通过工程经验和实测数据来确定，以准确计算顶力。

3.摩擦阻力的计算：摩擦阻力是指管体与周围土壤之间的摩擦力。

在静态顶推情况下，可以通过特定的公式进行计算；在动态顶推情况下，摩擦阻力会随时间变化，需要考虑动力参数的影响进行计算。

顶管施工顶力计算要点1顶管施工中顶力计算模型1．1管道上层土压力一、模型假设1、当工具管前面刃脚切入土中，会引起前方土体松动而坍塌，周围土体也会松动。

2、每一次土体的取出，都是同过挖除工作面范围内的土体。

3、换出土体，置入工具管。

4、最后由管道替换工具管支撑上面土体。

5、周围土体与管道一起形成一个超静定系统。

在研究管道顶进阻力时候，按静力组合模式来分析管道周围土层对管道的影响力。

影响周围土层荷载的因素有：a)管道外径；b)土、管道的刚性；c)土壤的性质；d)管道埋深；e)地下水位及流动状况；f)顶管项进土层时间等。

顶进管道与周围土层之间的作用关系复杂，简单通用的公式无法叙述其中的关系。

但为说明他们之问的关系，我们可以构造一些近似的解决问题的模型。

太沙基(Terzagtfi)等曾经将顶管工程的模型与隧道工程的模型等同，得出了一系列理论。

如下：B为顶管管道上部对管道有荷载作用的宽度，同时会有一定的变形。

二、不同情况土压力值根据土力学相关理论，顶管管道置入土中，继续顶进，管道前方土体对管道继续前进会产生阻力，阻力的大小应根据阻压力与受力面积大小确定，在此应分为三种情况讨论：第一种：当顶管顶进速度较慢而处于超挖状态时，管道进入土体的体积小于排出土体的体积，这时管道前方会有坍塌现象而出现沉降。

第二种：当顶管项进速度不快不慢，则不存在超挖，置入土体管道的体积与排出土体的体积相同，这时管道前方土体则不会出现大的变化，而保持相对稳定。

第三种：当项管顶进速度较快，则会出现欠挖，置入土体的管道体积相对排除土体的体积要大，这时相当于土体受到挤压，管道前方土体会因此而隆起。

顶管顶进前方土体的情况会影响其阻力，相对于三种情况土力学也给出了三种算法。

第一种情况下，土体主动压顶管，按照主动土压力来计算；第二种情况，按照静止土压力来计算；第三种情况应按照被动土压力来计算；计算方法具体如下：(管道上方边缘处的土压力值用p表示，土的重度为y，管道外径为D，主动土压力系数为λ1，静止土压力系数为λ0，被动土压力系数为λ2)。

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'5 9mx9m 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。

顶管施工工艺顶力及后背计算Prepared on 22 November 2020顶管施工工艺顶力及后背计算：1、顶力计算D=1000mm泥水平衡机械顶管顶力计算（1）顶力计算F--顶进阻力(KN)D0--顶管外径(m),按线路管径D=1200mm，取D0＝1.22 mL—管道设计最大顶进长度(m)，150mfk—管道外壁与土的单位面积平均摩阻力(KN/㎡)经验值fk=6KN/㎡NF--顶管机的迎面阻力(KN)，查表得：NF=π∕4Dg2P式中H0—管道覆土厚度，取最大值5mγ—土的湿密度，取18KN/m3解得：NF=（4）××5×18=则：F=××150×6+=即F=根据以上计算需要两支（型号）200t顶镐。

根据总顶力计算出顶力为，实际施工过程中选用的顶镐设备为2台200吨的顶镐，能够提供4000kN的顶力，根据现场情况与实际施工经验，采取注浆、涂蜡等减阻措施，可以不使用中继间，能够满足顶力的要求。

1.1.1.12、后背安全系数的核算：根据顶力计算取D=1200进行后背核算根据管道直径选择墙宽2.6m，高2.4m，墙厚0.8m，内衬Φ14@150双层钢筋网片，网片生根于底板钢筋，外侧以预制钢后背为模板，两侧支模，内浇混凝土，混凝土强度采用C30。

后背面积计算：F=V×n/Kp×r×hV：主顶推力n:安全系数，取n≥Kp：被动土压力系数，取2r：土的重度，取19h：工作井深度F：后背面积F=×2×19×6=后背墙的核算按右公式计算F≥P/[σ]；F—混凝土后背面积P—计算顶力[σ]—混凝土允许承载力1000KN/m2F=P/[σ]=÷1000≈5.88m2取安全系数2，（P/[σ]）’=11.76m2实际施工时采用9*4=36 m2〉30.96 m2>能够保证安全由此计算出实际顶进坑的后背可以承受顶推力的作用，能够安全施工。

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。

顶管计算书一、顶管顶力计算根据《给水排水管道工程施工及验收规范》GB50268中采用公式Fp=πDOLfk+NF式中Fp-—计算的总顶进阻力（KN）DO管道外径（m）1.顶进长度（m）fk管道外壁与土的单位面积平均阻力（KN∕m2）NF顶管机的迎面阻力NF=JiDg2HS∕4γ:土的容重（KN/m3）取19.5KN∕m3HS覆盖土层厚度（m）Dg顶管机外径（m）将顶进222m,管道外径2.2m,顶管机外径2.2m,珠取5KN∕m2,带入上述公式计算FP式.1415*2.2*222*5+3.1415*2.2*19.5*14.1/4=8146.6KN因此总推力大于9000KN,即大于900t可满足顶管施工。

二、顶管后背墙稳定性计算1、后背墙要求：4.5mX4.5mX0.6m（采用钢筋混凝土）；2、后背铁要求：4.5m×3.5m×0.2m（采用箱式结构）。

工作井后背的受力分析分析见图工作井后背受力分析图反力R应为总推力P的L2~L6倍,确保安全R=B(YH2KP∕2+2cHKPl∕2+γhHKP)式中：R：总推力之反力(KN)a：系数(取1.5〜2.5之间)取1.5B：后座墙的宽度取4.5米γ:土的容重(KN/m3)取20.5KN∕m3H：后座墙的高度(米) 取5米KP：被动土压系数为tg2(45c5+(∣>∕2)(|)取26。

c：土的内聚力(KPa) 取24KPah：地面到后座墙顶部土体的高度(m)取4.5米代入得：R=αB(γH2KP∕2+2cHKPl∕2+γhHKP)=L5×5×[20.5×4.52tg2(45o+26o∕2)∕2+2×24×4.5×tg(45o+26o∕2)+20.5×4.5×5×tg2(45o+26o∕2)]=7.5x(532+345+1063)=14550KN4口250T油缸总顶力10000KNR∕P=14550∕10000=l.455可确保安全工作井后背以钢筋混凝土浇筑墙体为后背墙，底板施工中应预留钢筋，后背墙钢筋与预留钢筋连接，与底板形成整体。