第10章 顶管结构

第三节 顶管工程的设计计算 （3）顶进力计算
①理论公式 顶进力的计算公式为： Rf=K[f（2Pv+2PH+PB）+PA] 管顶覆土的竖向土压力计算用下式： PV=KP·γ·H·D1·L 管侧土压力用下式计算：
D1 2 0 PH H D1 L tan 45 2 2
第三节 顶管工程的设计计算
设计内容
管端面上所能承受的顶力取决于管材、管径和管壁 厚度。当计算求得的顶力值大于端面的承压能力， 将导致管体破坏。如用的是钢筋混凝土管就产生脱 皮、裂缝、甚至破裂，如用的是钢管，管口要出现 卷曲变形、管缝开裂等。
第三节 顶管工程的设计计算
设计内容
顶力值还涉及施工方案的选择。当顶力值过大，后 背结构或管材强度不能承受全部顶力时，就应考虑 采用适当的辅助措施，如采用膨润土泥浆润滑减 阻。当顶距较长采用减阻措施不能满足要求时，或 土呈松散或液化状态难以灌注润滑剂时，就要采用 中继环进行接力顶进。
地下建筑结构
第十讲
顶管结构
丁祖德
Tel：18687006790 E-mail：47924659@ 土木系岩土与施工教研室
本讲内容
10.1 概述 10.2 顶管的分类 10.3 顶管工程的设计计算 10.4 顶管施工的主要设备 10.5 顶管施工的技术措施
第一节 概 述
顶管法是非开挖技术的一种典型方法。与盾构法相比，顶管 法一般用于修建中小型地下市政管道。顶管结构是一种采用顶管 机械分段顶进施工的预制管道结构。 顶管法是采用液压千斤顶或具有顶进、牵引功能的设备，以 顶管工作井做承压壁。将管子按设计高程、方位、坡度逐根顶入 土层直至达到目的地的一种修建隧道和地下管道的施工方法。
K p tan ( 45 2 )
第三节 顶管工程的设计计算 （1）计算原理
在考虑后背土的土抗力时，按下式计算 土的承载能力：
Rc K r B H (h H ) K 2
p
后背结构形式不同，使土受力状况也 不一样，为了保证后背的安全，根据不同 的后背形式，采用不同的土抗力系数值。
第一节 概 述 发展简史
顶管施工技术最早始于1896年美国的北太平洋铁路 铺设工程的施工中。1948年日本第一次采用顶管施工方 法，在尼崎市的铁路下顶进了一根内径600mm的铸铁 管，顶距只在6米。 欧洲发达国家最早开发应用顶管 法，1950年前后，英、德、日等国家相继采用。 我国较早的顶管施工约在上世纪50年代，初期主要 是手掘式顶管，设备也较简陋。我国顶管技术真正较大 的发展是从上世纪80年代中期开始。1988年上海研制 成功我国第一台土压平衡掘进机。
第一节 概 述
发展趋势
中继环接力顶推装置、触变泥浆减阻顶进技术，自动 测斜纠偏技术、泥水平衡技术、土压平衡技术、气压 保护技术和曲线顶管技术。
第一节 概 述
顶管法的关键技术
（1）方向控制：与设计轴线一致，对顶力的影响，保证中继 环正常工作 ； （2）顶力大小及方向：管尾顶进方式，顶进距离必然受到限 制 ，一般采用中继环接力； （3）工具管开挖面正面土体的稳定性； （4）承压壁后靠结构及土体的稳定性
H/D1--Kp
H—管顶覆土深度 D1—顶入管节外径 Kp—竖向土压力系数
第三节 顶管工程的设计计算 （3）顶进力计算
管段重量PB计算用下式计算： PB=G·L 管壁与土间的摩擦系数f
土的种类 软土 粘土 砂粘土 粉土 砂土 砂砾土 0.40 0.45 0.45 0.47 0.50 钢筋混凝土管 干燥 潮湿 0.20 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 一般值 0.20 0.30 0.35 0.38 0.40 0.45 0.40 0.38 0.45 0.48 0.50 干燥 钢管 潮湿 0.20 0.20 0.32 0.30 0.32 0.50 一般值 0.20 0.30 0.34 0.37 0.39 0.50
第三节 顶管工程的设计计算 （1）计算原理
①管顶覆土浅，后背不需要打板桩时 后背不需要打板桩，而背身直接接触土面如图13-5所示， 此时用计算公式计算土的承载力时，土抗力系数采用0.85， 则计算公式变为：
第三节 顶管工程的设计计算 （3）顶进力计算
③管段允许顶力计算 钢管允许顶力可按下列式计算：
F
T
K
t ( d t )

K
T t (d t )
混凝土管允许顶力可按下列计算：
F

K
( t L1 L2 )( d t )
例题：某工程顶进直径为1640mm的钢筋混凝土管，顶进长度 30m，管顶覆土深度5m，粘性土，土重度r=17kN/m3，土的摩擦 角φ=20°，摩擦系数f=0.25，求最大顶力值。 设混凝土管外径D1=1910mm，管节单位长度重量G=20kN/m。
第三节 顶管工程的设计计算
顶进力计算
（1）顶进力的构成
为了推动管道在土体内顺利前 进，千斤顶的顶力值Rf 需要克服作 用于管道的外力，统称为顶进阻 力，包括贯入阻力、摩擦阻力、管 节自重产生的摩擦阻力。 顶进过程中，如土质均匀，则 摩擦系数是一常数，而且不过量校 正则无局部阻力，此时作用于管节 的外力如图所示。
当顶力通过后背传到土体后， 土受压缩产生位移，同时产生被动土 压力作用于后背上。此种被动土压力 称为土抗力。后背土体未破坏前，土 体在顶力反复作用下，土的应力-应 变曲线基本呈一直线。上图为某工程 在砂粘土后背上试验取得的应力—应 变曲线。 从图中b-c点可看到土压并未增 加，但土的压缩变形继续增加，此种 情况说明后背土体已遭到破坏，卸荷 后后背回弹，残余变形达2. 4cm。
第三节 顶管工程的设计计算
后靠背的设计计算
（1）计算原理 最大顶力确定后就可进行后背 的结构设计。后背结构及其尺寸主 要取决于管径大小和后背土体的被 动土压力—土抗力。计算土抗力的 目的是考虑在最大顶力条件下保证 后背土体不被破坏，以期在顶进过 程中充分利用天然的后背土体。
第三节 顶管工程的设计计算 （1）计算原理
第三节 顶管工程的设计计算 （1）顶进力的构成
根据轴向力平衡原理，可以求出顶力值。此值为管前的 贯入阻力和沿顶进长度的摩阻力之和。将摩阻力记为 ∑F，则有
∑F=f（Px+Py+G） Rf=PA+ ∑F
第三节 顶管工程的设计计算 （2）顶进力的影响因素
影响顶力的因素很多，这些因素既有一定的规律性，也由特殊 性。外部条件如土的种类、土的物理力学性质、覆土深度、管 材和管径等，可通过调查、试验以及设计提供是可以预先掌握 的。但是在施工过程中，由于操作不当、设备故障以及土质突 然变化的坍方、土液化、大量涌水等原因，都能造成顶力突然 上升。这是受外界影响的特殊因素，事先都难以估计，也不可 能计算。因此在开工前需要做周密的调查研究。同时对施工中 可能出现的问题进行预估。
第二节 顶管的分类 (1) 按口径分
按顶管管道内径大小可分为小口径、中口径和大口径三种。 小口径一般指内径小于800mm的顶管； 中口径一般指介于800~1800mm口径范围的顶管； 大口径一般指内径大于1800mm的顶管。
第二节 顶管的分类 (2) 按顶进距离分
按顶管一次顶进距离长短可分为中短距离、长距离、超长 距离三种。 长距离顶管与中短距离顶管的区分一般以是否需要采用 中继环比较合适。根据目前国内顶管达到的施工技术水平， 顶管长度超过300m才需要设置中继环，而超长距离顶管是指 超过1km以上的顶管。
解： 由 H / D1 5 / 1.91 2.6 由图13 3查得K p 0.7 又 17kN / m 3 , L 30m, 故管顶的竖向土压力为 Pv K p H D1 L 0.7 17 5 1.91 30 3409kN 管侧的水平土压力： D 2 PH （H 1 ）D1Ltan（ 45 - ） 2844kN 2 2 管段全长总重量：PB GL 20 30 600kN 全管段长的总摩阻力值：F f ( 2 Pv 2 PH PB ) 3276.5kN 如果管端无刃脚，则A为管段面积： ( D12 D 2 ) A 0.753m 2 4 取黏性土RA 500kN / m 2，则贯入阻力PA RA A 500 0.753 376.5kN 总顶推力：F K ( F PA ) 1.2 3563 4383.6kN
顶管法(english)
顶管法(chinese)
第一节 概 述 顶管法施工示意图
第一节 概 述 顶管法施工示意图
第一节 概 述
主要用于
特殊地质条件下的管道工程中：
①穿越江河、湖泊、港湾水体下的供水、输气、输油管道工 程； ②穿越城市建筑群、繁华街道地下的上下水、煤气管道工程； ③穿越重要公路、铁路路基下的通讯、电力电缆管道工程； ④水库坝体涵管重建工程等。
பைடு நூலகம்
第三节 顶管工程的设计计算
设计内容
后背土的土抗力值的计算与顶力值、后背结构形 式有同等的重要性。应比较准确地算出土抗力 值，以期在保证安全的前提下充分发挥土体的抗 力。如对土抗力值估计过高，当顶进过程中顶力 较大时，一般出现土的弹性变形过大，使千斤顶 的部分行程消耗于回弹变形上，造成顶进效率下 降。严重时后背土遭到破坏，不能继续顶进。
第二节 顶管的分类
(3) 按管材分 按顶管管材可分为钢管顶管、混凝土顶管、 玻璃钢顶管及其他复合材料制顶管等。
第二节 顶管的分类
(4) 按顶进轴线分
按顶管轴线是直线还是曲线区分，可分为直线顶管 和曲线顶管，其中曲线顶管以曲率半径300m为 界，又可分为常曲线顶管和急曲线顶管。
第三节 顶管工程的设计计算
第三节 顶管工程的设计计算 （3）顶进力计算 从理论上计算贯入阻力是比较复杂的，即使 算出也不精确，故一般多采用经验值。贯入阻 力与土的种类及其物理性质指标有关，也受工 作面上操作方法的影响。
第三节 顶管工程的设计计算 （3）顶进力计算
②顶力计算的经验公式 顶进钢筋混凝土管时，顶力值可用下列经验公式估算： Rf=n·G·L 土的种类、含水率及工作面稳定状态 软土、砂粘土、含水率不大的粉土、砂土，挖 土后能短期或暂时形成土拱时 密实砂土、含水率大的粉土、砂土、砂砾土， 挖土后不能形成土拱，但塌方尚不严重时 n值 1.5~2 3~4
第三节 顶管工程的设计计算 （2）顶进力的影响因素 顶进过程中的摩擦阻力
管壁与土层接触面之间的摩擦力，与垂直于接触面上的作 用力（法向力）的大小成正比，并与接触的介质有关。 摩阻力与土的种类和管材性质有关。
第三节 顶管工程的设计计算 （2）顶进力的影响因素 管端的贯入阻力
与土的种类及含水率有关，软土容易贯入，而干燥的粘土或 砂砾石土贯入阻力就大。 受管端结构形式的影响,贯入阻力的大小主要取决于刃脚形 式和尺寸。 工作面的稳定性对贯入阻力也有一定影响。
第三节 顶管工程的设计计算 （1）计算原理
由于最大顶力一般在顶进段接近完成时出现，所以后背计算 时应充分利用土抗力，而且在工程进行中应严密注意后背土的压 缩变形值，将残余变形控制在2.0cm左右。当发现变形过大时， 应考虑采取辅助措施，必要时可对后背土进行加固，以提高土抗 力。 后背土体受压后产生的被动土压力应按下式计算： σp=KP·γ·h 被动土压力系数与土的内摩擦角有关，其计算式为： 2 0
设计内容
顶管施工中最重要的设计计算是顶力值的计算。 通过计算确定顶进设备能力、验算管节所能承受 的最大顶力、布置顶进设备、计算后背的承载能力和 选择相应的后背形式等。
第三节 顶管工程的设计计算
设计内容
工作井是顶管工程中造价较大的设施而现浇后背的修建费用 占的比例也很高。所以尽可能算出接近实际的顶力值以便经 济合理地选定后背结构形式。 如后背结构荷载小于实际顶力值，在最大顶力作用下除后背 破坏外，还可能使后背土体遭到破坏，轻者地面出现裂缝， 重者产生向上滑移直到地面隆起使后背土体丧失承载能力、 工程停顿。 如估算的顶力过大，就要提高后背造价。