适用于浅埋条件下仿矩形市政顶管隧道侧摩阻力计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于浅埋条件下仿矩形市政顶管隧道侧摩阻力的计算方法，通过以下公式计算顶管过程中作用于隧道壁面上的侧摩阻力P摩：考虑市政隧道一般的工程地质特点和结构的几何特征，解决了浅埋条件下大型市政顶管隧道侧摩阻力和顶推力的准确计算问题。
【专利说明】
适用于浅埋条件下仿矩形市政顶管隧道侧摩阻力计算方法
技术领域
[0001] 本发明属于隧道工程技术领域，涉及一种适用于浅埋条件下仿矩形市政顶管隧道 侧摩阻力计算方法，具体涉及到基于土柱理论中关于砂性土和粘性土地层土压力的计算， 进而确定作用于仿矩形顶管隧道土压力和侧摩阻力的计算方法。
【背景技术】
[0002] 顶管法施工是指在工作坑内借助顶进设备产生的顶力克服隧道侧壁与周围土体 的摩擦力以及隧道掘进面的迎面阻力，直接穿越既有建筑物、道路、河流和综合管线等环境 敏感建(构）筑物，完成管道(或隧道)建设的一种方法，该方法对地面影响小，环境适应性 强，适合城市等其它对环境敏感性要求较高条件下综合管道和隧道的施工。
[0003]顶推力的计算是顶管工程中最重要的设计参数之一，是决定顶管施工的工艺和设 备选型等技术的直接因素。顶推力主要有掘进面的迎面阻力和管壁摩阻力组成，其中，迎面 阻力一般认为是一个定值，主要与顶管机的类型，顶管的直径和掘进方式有关;而管壁摩阻 力随着顶进工作的不断推进而逐渐增加，是顶推力的主要组成部分，也是决定顶管工艺和 设备选型的主要控制因素，侧摩阻力的计算误差往往会导致顶推设备和施工工艺选择失 当，严重时甚至会导致整个顶进工作的失败。因此，侧摩阻力计算的准确性在顶管法的一般 工程应用和技术发展方面都具有重要的地位。
[0004]自上个世纪末，随着城市综合管网建设的蓬勃发展，顶管法作为非开挖技术的一 种得到了快速发展，国内外许多学者和机构都对顶推力和摩阻力进行了理论分析，其中有 代表性的学者有余彬泉、王承德、何莲、蔡振兴、韩选江和杨仙等，相关的机构主要有英国顶 管协会(PJA)、德国ATVA和日本非开挖协会(JSTT)等。这些研究主要是通过将综合管网的几 何特征进行圆形假定，提出了各种顶管隧道顶推力计算方法。我国的《顶管施工技术及验收 规范》基于同样的方法给出了顶推力的计算方法，具体如下：
[0006] 式中：
[0007] P-要计算的总顶力(kN);
[0008] γ-管道所在土层的重力密度(kN/m3);
[0009] Di-管道的外径(m);
[0010] Η-管道顶部以上覆土的厚度(m);
[0011] P-管道所在土层的内摩擦角；
[0012] ω -管道单位长度的自重(kN/m);
[0013] L-要计算的顶进长度(m);
[0014] f-顶进过程中，管道外表面与周围土层之间的摩擦系数；
[0015] Ps-顶进时顶管掘进机的迎面阻力。
[0016]工程实践结果表明，当工程条件与理论假设吻合较好时，理论计算得到的顶推力 与实际顶推力的吻合程度也比较高。侧摩阻力主要是通过管道(或隧道)周边的土压力进行 确定的，而土压力的大小主要是由管道(或隧道)的几何形态决定的，不同的管道类型具有 各不相同的几何形状。因此，根据不同的管道(或隧道)类型，考虑具体的地层条件和顶管施 工方法，提出针对性的顶推力计算方法一直是影响顶管法发展的核心问题。
[0017] 近年来，随着城市建设的不断推进和机械化程度的提高，顶管法呈现大型化发展 趋势，越来越多的市政隧道，人行通道及大型管涵等开始采用顶管法进行施工，而这些隧道 结构一般并非圆形结构，如市政隧道一般供机动车和非机动车通行，需要满足相应的建筑 限界，因此尺寸相对较大，横向跨度一般大于l〇m，高度也在5m以上，若采用圆形断面必定会 增大隧道开挖量，造成施工成本过高;若采用标准矩形，则必然会在角点和跨中产生较大的 应力集中，造成隧道结构整体厚度过大，因此一般设计成仿矩形断面，即在隧道四周进行过 渡段处理(甚至设计成马蹄形等形式）。
[0018] 由于市政隧道的断面形状与传统的管道形态差异极大，一般的顶推力计算方法得 到的顶推力与实际顶推力差异极大，难以有效地进行工程指导。为此，王承德等人在《顶管 施工技术及验收规范》计算公式的基础上提出了标准矩形管道侧摩阻力的计算公式，以期 适用于市政隧道等非圆形管道工程中，但标准矩形断面仍然与实际的市政隧道存在较大差 异，其计算结果误差仍难以满足实际工程要求。因此，针对大型市政顶管隧道的几何特征， 考虑市政隧道一般的工程地质条件，提出相应的侧摩阻力和顶推力计算方法已经显得非常 必要。
【发明内容】
[0019] 本发明的目的是针对市政隧道的工程地质条件和仿矩形几何特征，考虑市政隧道 一般的工程地质特点，提出一种适用于浅埋条件下仿矩形顶管隧道侧摩阻力的计算方法， 解决浅埋条件下大型市政顶管隧道侧摩阻力和顶推力的准确计算问题。
[0020] 本发明所采用的技术方案是:一种适用于浅埋条件下仿矩形市政顶管隧道侧摩阻 力的计算方法，通过以下公式计算隧道侧壁摩擦阻力P摩：
[0022]式中，
[0023] P摩一一作用于隧道侧壁的摩擦阻力；
[0024] Q一一作用于隧道四周单位长度上的总土压力；
[0025] ω 一一顶管隧道单位长度的自重；
[0026] f一一顶进过程中，顶管隧道外表面与周围土层之间的摩擦系数；
[0027] γ 一一管道压力拱所在土层的重度；
[0028] D一一顶管隧道的四周圆形倒角半径，如图1所示；
[0029] a，b-一隧道的特征几何参数，其中：a为隧道顶(底)板直线段宽度的一半，b为管 节边墙直线段高度的一半，如图1所示；
[0030] Κι一一主动土压力系数，
，其中#为隧道所在土层的内 摩擦角，对于粘性土地层，则取等效内摩擦角；
[0031] Η一一管节上部覆盖层厚度。
[0032] 进一步的，若隧道管节及上覆土层为非单一地层，且各层的重度各异时，则γ取各 土层重度的加权平均值，计算方法为γ = Σ ( γ ihi)/Xhi，
[0033] 其中，
[0034] Tl 一一上覆土层中第i层土的重度；
[0035] h,一一上覆土层中第i层土的厚度。
[0036]进一步的，所述顶管隧道外表面与周围土层之间的摩擦系数f，可采用现场实验的 方法确定;若不具备实验条件，可参照《建筑地基基础设计规范(GB50007-2011)》中的基底 摩擦系数进行选取;若隧道纵坡为β，则摩擦系数应取
；若隧道为变纵坡时，则摩擦系 数f应分段计算，计算方法取
[0037] βι--沿隧道纵向第i段纵坡坡度；
[0038] h一一纵坡坡度为&时所对应的隧道长度；
[0039] f,一一纵坡坡度为&的长度范围内对应的管节-土摩擦系数；
[0040] L一一隧道的总长度。
[0041 ]进一步的，所述顶管隧道单位长度的自重ω计算方法为：
[0042] ω = ht X (2iiD+4a+4b) X γ t
[0043] 其中，
[0044] ht--混凝土衬砌的厚度；
[0045] Tt--混凝土的容重。
[0046] 本发明的有益效果是:针对市政隧道结构的工程特征，提出一种适用于浅埋条件 下仿矩形顶管隧道侧摩阻力的计算方法，解决目前相关计算方法在确定市政隧道顶推力时 的结果不准确问题，为常规顶管法应用于大型市政隧道提供必要的理论支撑，改善大型隧 道顶管施工中基础理论滞后于工程实践的现实。同时本发明对确定顶管隧道施工中顶进机 械和顶进工艺的选取、顶进速度的控制和实现顶推力的实时调节也具有重要的指导意义。 市政隧道多属于浅埋隧道，广泛应用于下穿既有道路、重要管线和敏感建筑物等，市场前景 广阔。
【附图说明】
[0047] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0048]图1是本发明土压力分部简图。
[0049]图2是管顶土压力积分图。
[0050]图3是管道右侧土压力积分图。
【具体实施方式】
[0051] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0052] 根据市政隧道的仿矩形几何特征，基于市政隧道所处围岩多属于第四纪残积土、 埋深较浅的一般工程特征，将地层条件归结为砂性土和粘性土 2类基本地层，从适用于松散 岩土体的经典土柱理论和朗肯土压力公式出发，采用微积分的方法，建立作用于隧道(管 节)上、下、左、右四个侧面土压力的环向分布，对隧道上、下、左、右4个侧面进行相应的线积 分，求得作用于隧道结构的总土压力计算公式，同时考虑不同地层特性和顶管的纵坡等因 素对摩擦系数的影响，最终得到适用于浅埋条件下仿矩形顶管隧道侧摩阻力计算方法。 [00 53] 土压力的计算方法具体步骤如下：
[0054]对于浅埋隧道，顶管施工引起的土层松动圈一直延伸到地表，全部作用于隧道结 构，其中隧道上下表面承受垂直土压力，左右两侧承受水平土压力。根据土柱理论，仿矩形 顶管隧道的单位长度管壁上土压力分布如图1:
[0055]对于砂性土地层，土的内摩擦角免较大，而粘聚力c很小，可不考虑粘聚力的影响； 对于粘性土地层，其粘聚力c用等效内摩擦角来代替，等效内摩擦角是粘性土的内摩擦角和 粘聚力综合考虑所等效出来的摩擦角。
[0056] (1)管道顶部的土压力造成的正压力
[0057]由图1知，土压力上下与左右均呈现对称特性，为便于分析，取其1/4分析，如图2所 不。
[0058]作用于管节顶部土压力可分为两部分，分别为：
[0060]式中，
[0061] qi一一管节顶部水平直线段对应的垂直土压力，具体见图2;
[0062] q2一一管节角点过渡段对应的垂直土压力，具体见图2;
[0063] Η一一管节上部覆盖层厚度；
[0064] D一一管节顶(底)板与边墙过渡段的圆弧半径；
[0065] γ 一一隧道的上部覆盖层土体的重度；
[0066] Θ一一管节角点过渡段任意一点与水平面的夹角。
[0067]注意:Q指代土压力，此处的qdPq2*别指的是微元体上的土压力，最后根据微积分 推导出最终的宏观的土压力Q，此外下部分的qa，qb和qc的情况与此相同。
[0068]通过积分的方法，得到作用于隧道管节上的正压力，方法如下：圆弧段角度为Θ上 取一微量(1Θ，对应的长度为ds，作用在ds的垂直土压力为dNv，正压力为dN，具体土压力积分 图如图2所示。
[0069]由力的分解关系可得：
[0071]沿着管节顶部边界对土压力进行线积分，得垂直土压力施加在管节顶部的正压力 为：
[0073]式中，
[0074] N一一作用于隧道管节顶部的土压力。
[0075] (2)管道右侧的土压力造成的正压力
[0076]管道右侧的水平土压力可分为3部分计算，分别是：
[0078]式中，
[0079] qa一一管节侧墙上部圆弧段对应的水平土压力，具体见图3;
[0080] qb一一管节侧墙竖向直线段对应的水平土压力，具体见图3;
[0081] qc一一管节侧墙下部圆弧段对应的水平土压力，具体见图3;
[0082] b一一隧道的特征几何参数，即管节边墙直线段高度的一半，如图1所示。
[0083] γ一一隧道的上部覆盖层土体的重度。
[0084] Θ一一管节角点过渡段任意一点与水平面的夹角，如图3所示。
[0085] Κι--主动土压力系数，一般地， 其中，为砂性土的内摩擦角， 粘性土取等效内摩擦角。
[0086] 采用积分的方法，对作用于管道右侧土压力进行计算，积分图如图3所示。
[0087]参照管道顶部的土压力造成的正压力的计算，在圆弧段角度为Θ上取一微量d0，对 应的长度ds，作用在ds的水平土压力为dMv，正压力为dM，则满足：
[0089]因此，管道右侧的土压力造成的正压力为：
[0091] 式中，
[0092] Μ一一作用于管节边墙处的土压力。
[0093] (3)浅埋仿矩形顶管隧道管壁摩阻力计算方法：
[0094]由于土压力的对称性，所以隧道四周所受到的总土压力为：
[0095]
[0096]因此，浅埋仿矩形顶管管壁摩阻力的计算公式为：
[0097]
[0098] 式中，
[0099] D一一管节顶部与边墙过渡段的圆弧半径，详见图1所示；
[0100] a，b-一隧道的特征几何参数，其中：a为隧道顶(底)板直线段宽度的一半，b为管 节边墙直线段高度的一半，如图1所示；
[0101] ω--顶管隧道单位长度的自重(kN/m)，一般地，ω =htx (2iiD+4a+4b) X γ t，其 中，γ t为混凝土的容重，（kN/m3)，可根据现场测试或相关规范确定，ht为混凝土衬砌的厚 度；
[0102] f一一顶进过程中隧道外表面与周围土层之间的摩擦系数，具体可采用现场实验 的方法确定;若不具备实验条件，可参照《建筑地基基础设计规范(GB50007-2011)》的基底 摩擦系数进行选取;若隧道纵坡为β，则摩擦系数应取
：；若隧道为变纵坡时，则摩擦系 数f应分段计算
[0103] βι--沿隧道纵向第i段纵坡坡度；
[0104] h一一纵坡坡度为私时所对应的隧道长度；
[0105] fi一一纵坡坡度为私的长度范围内对应的管节-土摩擦系数；
[0106] L一一隧道的总长度。
[0107] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在 本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围 内。
【主权项】
1. 一种适用于浅埋条件下仿矩形市政顶管隧道侧摩阻力的计算方法，其特征在于，通 过W下公式计算作用于隧道壁面上的侧摩阻力P摩：式中， P摩一一作用于隧道壁面上的侧摩阻力； Q一一作用于隧道四周单位长度上的总±压力； ω--顶管隧道单位长度的自重； f一一顶进过程中，顶管隧道外表面与周围±层之间的摩擦系数； D一一顶管隧道的四周圆形倒角半径； a，b-一隧道的特征几何参数，其中：a为隧道顶/底板直线段宽度的一半，b为管节边墙 直线段高度的一半； Κι一一主动±压力系数，可按& = tan^(45 确定，其中，沪为隧道所在上层的内摩擦 角，对于粘性±地层，则取等效内摩擦角； 丫一-管节上覆±层的重度； Η-一管节上覆±层的厚度。2. 根据权利要求1所述的一种适用于浅埋条件下仿矩形市政顶管隧道侧摩阻力的计算 方法，其特征在于，若隧道管节及上覆±层为非单一地层，且各层的重度各异时，则丫取各 ±层重度的加权平均值，计算方法为丫 = Σ (丫出O/Ehi， 其中， 丫 1一一上覆±层中第1层±的重度； hi-一上覆±层中第1层±的厚度。3. 根据权利要求1所述的适用于浅埋条件下仿矩形市政顶管隧道侧摩阻力的计算方 法，其特征在于，所述顶管隧道外表面与周围±层之间的摩擦系数f，可采用现场实验的方 法确定;若不具备实验条件，可参照《建筑地基基础设计规范(GB50007-2011)》的基底摩擦 系数选取;若隧道纵坡为β，则摩擦系数应取一^ ;若隧道为变纵坡时，则摩擦系数f应分段 cos μ 计算，计算方法3庚中， 权一一沿隧道纵向第i段纵坡坡度； li一一纵坡坡度为βι时所对应的隧道长度； fi--纵坡坡度为βι的长度范围内对应的管节-±摩擦系数； L--隧道的总长度。4. 根据权利要求1所述的一种适用于浅埋条件下仿矩形市政顶管隧道侧摩阻力的计算 方法，其特征在于，所述顶管隧道单位长度的自重ω计算方法为： ω = ht X (2地+4a+4b) X 丫 t 其中， ht一一混凝±衬搁的厚度； 丫 t--混凝±的容重。
【文档编号】G06F19/00GK106097164SQ201610420749
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月14日 公开号201610420749.0, CN 106097164 A, CN 106097164A, CN 201610420749, CN-A-106097164, CN106097164 A, CN106097164A, CN201610420749, CN201610420749.0
【发明人】杨伟超, 吴贵航, 彭立敏, 施成华, 雷明锋, 邓锷
【申请人】中南大学