顶管工程施工顶力计算

合集下载

顶管施工工艺顶力及后背计算

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+

Lfk

F——顶进阻力(KN）

D0—-顶管外径（m）,按线路管径D=1200mm，取D0＝1。22 m

L-管道设计最大顶进长度(m），150m

fk-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5m

γ—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×h

V:主顶推力

n：安全系数，取n≥1.5

Kp :被动土压力系数，取2

r：土的重度,取19

h：工作井深度

F：后背面积

F=3552.9×1.5/2×19×6

顶管工程施工中的顶力计算

顶管⼯程施⼯中的顶⼒计算

2019-08-21

摘要：本⽂主要介绍顶管的顶⼒计算⽅法，计算公式的适⽤条件，计算顶⼒的必要性，并结合⼯程实例对顶⼒计算公式进⾏了验算，对顶管⼯程的施⼯具有参考价值。

关键词：顶管顶⼒的计算⼟压⼒荷载

⼀、引⾔

随着城市现代建设的迅速发展，顶管施⼯作为⾮开挖技术，在城市管线的建设和改造中已得到⼴泛应⽤，尤其在埋深较⼤，周围环境对位移有严格限制的地段，显得较为安全和经济。南通市⼈民西路污⽔管⼯程位于交通繁忙、车辆⼈流拥挤的⼈民西路，考虑到交通现状，管道⼤开挖施⼯⽅案不可取，因此，选择采⽤了顶管法施⼯。该⼯程西起南通港、东⾄南通长途汽车总站，全长1.3Km。⽽顶管施⼯之前，顶管顶⼒的计算是确定顶管单元长度的基本数据，对⼯作井后背墙的整体稳定和结构安全设计与施⼯起关键作⽤，同时也是确定顶管⼯作井的数量、结构形式、顶管施⼯⽅案、以及⼯程⼯期和造价的依据。所以，顶管最⼤顶⼒的计算，在顶管施⼯中显得⾮常重要。

⼆、顶管的顶⼒计算

顶管施⼯中，千⽄顶的顶⼒需要克服周边各种摩阻⼒，包括管端贯⼊阻⼒、由垂直⼟压⼒施加于管壁的法向应⼒、⽔平⼟压⼒施加于管壁的法向应⼒、以及管道⾃⽣重量产⽣的摩阻⼒等。由于顶管在推进过程中，还不断受到各种外界因素的影响，如纠偏、后背位移等，使顶⼒随时发⽣变化，且各地区地质条件的差别，所选择的施⼯⼯艺也不同，由此，顶管顶⼒的计算公式较多，同时也总结了不少的经验公式，经过长期⼯程实践并结合⼟⼒学理论，顶推⼒的常⽤计算公式为以下⼏种。

（⼆）、在⼿掘式顶管施⼯中的顶⼒计算式为：

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

顶力计算

5.2 机型选择

工程施工保护套管采用钢筋混凝土套管。

根据总顶力经验计算公式F=n·G·L

其中n——土质粘滞系数

G——每米套管自重

L——顶管长度

每米套管自重=材料密度×每米套管体积=2.45×103kg/m3×[π×(1.5+0.3)×0.2]×1m3=2.769t

顶管长度按128m计算，土质系数取2.5。

总顶力= n·G·L=2.5×2.769×128=886.08t

根据以上计算,穿越长度在128米以内采用两个500吨电动液压千斤顶进行施工。

顶管施工工艺顶力及后背计算

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 m

L—管道设计最大顶进长度(m)，150m

fk—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5m

γ—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×h

V：主顶推力

n:安全系数，取n≥

Kp：被动土压力系数，取2

r：土的重度，取19

h：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/m2

人工顶管顶力计算

人工顶管顶力的计算：

（一）对于顶管顶进深度范围土质好的，管前挖土能形成拱，可采用先挖后顶的方法施工。

根据经验公式：

P=n P0

其中：

P——总顶力

n——土质系数。

土质系数取值可根据以下两种情况选取：

（1）土质为粘土、亚粘土及天然含水量较大的亚砂土，管前挖土能成拱者，取

1."5～

2."0。

（2）土质为砂质粘性土及含水量较大的粉细砂，管前挖土不易成拱者，取3～

4。"取n为

2."0。

P0——为顶进管子全部自重。顶进的每节管自重约为2吨，最长段以123米计每节管长2米，共要顶进62节管，则P0＝2*62＝124吨。

则总的顶力为：

P=n P0＝

2."0*124＝248吨

考虑地下工程的复杂性及不可预见因素，顶管设备取

1."3倍左右的储备能力，设备顶进应力为

322."4吨,取总的顶力F＝400吨，选用两个千斤顶作为顶进动力设备，每个千斤顶的顶力应为200吨。

（二）对于顶管顶进深度范围土质较差的，即开挖时容易引起塌方的，可采用先顶后挖的方法施工。

根据顶管工程力学参数确定，先顶后挖时，顶管的推力就是顶管过程管道所受的阻力，主要包括工具管切土正压力、管壁摩擦阻力。

1⑴工具管正压力：

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/m

2。"大于40t/m2时表明土质较好。

F1=S1×K1其中

F1--顶管正阻力(t)

S1--顶管正面积(m2)

K1--顶管正阻力系数(t/m2)

F1=S1×K1=πr2×K1＝

3."14*

顶管顶力计算

人工顶管：P=n*G*L

P---总顶力

G---管子单位长度管子自重（D=2400，取41.599KN/㎡；D=1350，取2.83t；D=800，取2t；D=1500，取2t；D=1200，取2t；D=1650，取2t）

L---顶进总长度

n----土质系数（D=2400，取2.5；D=1350，取3）

泥浆平衡可减少顶力20%～30%

1 帕斯卡(Pa)＝1 N/m2＝1牛顿/平方米

1 吨＝1000千克＝1000Kg＝103Kg＝103·10N＝10KN

1 KN＝0.1吨＝100Kg

1 KN/m2＝100 Kg/m2

1.0 N/mm2＝103 KN/m2

顶管施工工艺顶力及后背计算

顶管施工工艺顶力及后背计算顶管施工工艺顶力及后背计算：

在进行D=1000mm泥水平衡机械顶管顶力计算时，需要

考虑以下因素：顶进阻力、管道设计最大顶进长度、管道外壁与土的单位面积平均摩阻力、顶管机的迎面阻力、管道覆土厚度和土的湿密度。根据计算，顶力为3552.92kN，需要两支

200t顶镐。

为了保证后背的安全性，需要进行后背安全系数的核算。在进行核算时，需要考虑管道直径、墙宽、高度、墙厚、内衬、外侧、支模、混凝土强度等因素。根据计算，后背面积为

30.93，混凝土后背面积为5.88m2.

顶管施工顶力计算

顶力计算与后背设计

本工程是将壁板加厚作为千斤顶的后背墙。

l后背结构及抗力计算

后背作为千斤顶的支撑结构，要有足够的强度和风度，且压缩变形要均匀。所以，应进行强度和稳定性计算。本工程采用组合钢结构后背，这种后背安装方便，安装时应满足下列要求：使用千斤顶的着力中心高度不小于后背高度的1/3。

顶力计算

推力的理论计算：

F=F1十F2

其中F—总推力

Fl一迎面阻力 F2—顶进阻力

F1＝π/4×D2×P (D—管外径1.0m P—控制土压力)

P＝Ko×γ×Ho

式中 Ko—静止土压力系数，一般取0.55

Ho—地面至掘进机中心的厚度，取最大值6m

γ—土的湿重量，取1.9t/m3

P＝0.55×1.9×6＝6.27t/m2

F1=3.14/4×1.0×2×6.27＝9.844t

F2＝πD×f×L

式中f一管外表面平均（根据顶进距离平均淤泥土）综合摩阻力，取0.8t/m2

D—管外径1.0m

L—顶距，取最大值150m

F2＝3.14×1.0×0.8×150＝376.8t。

因此，总推力F=9.844+376.8＝386.644t。根据总推力、工作井所能承受的最大顶力及管材轴向允许推力比较后，取最小值作为油缸的总推力。工作井设计允许承受的最大顶力为800t，管材轴向允许推力700t，主顶油缸选用2台300t(3000KN)级油缸。每只油缸顶力控制在250t以下，这可以通过油泵压力来控制，千斤顶总推力500t。因此我们无需增加额外的顶进系统即可满足要求。

l后背的计算

后背在顶力作用下，产生压缩，压缩方向与顶力作用方向一致。当停止顶进，顶力消失，压缩变形随之消失。这种弹性变形即象是正常的，顶管中，后背不应当破坏，产生不允许的压缩变形。

顶管顶力计算

工程概

况：F=F 1+F 2

p17:(7.4.1-1)F 1=πＤ*L′*f

p17:(7.4.1-2)

上式中：F —总顶力(KN)D —管外径(m)

1.62（m)L′—管道顶进长度(m)

600（m)

F １—管外壁与土层摩阻力（KN)

F ２—顶管机迎面阻力（KN)

f—管外壁与土层平均摩阻力（Kpa)

4.00KN/m2F1=πＤ*L′*f =

12208.32（KN)F ２=π/4*D ′2*R 1

658.93（KN)式中D′—顶管机外径(m) 1.64（m)R 1—顶管机下部1/3处被动土压力（KN/m2)

R 1＝γ(H+2/3*D)tg 2（45o

H－管顶土层厚度（F=F 1+F 22、钢管允许顶

F ds =K ds f s A p

F ds －钢管允许顶力（Ｎ）

k ds -钢管综合系数，一般可取=0.277；顶管长度小于300m，且土层均匀时可取0.346

0.346

f s －钢管轴向抗压强度设计值（N/mm 2)215（M pa)A p －管道的有效传力面积（mm 2)

130134.16（mm2)顶管壁厚（mm)26（mm)

F ds =K ds f s A p =

9680680.16（Ｎ）

顶管顶力计算

顶管为钢管，直径1620，以工作井壁为后背，泥水平衡方式顶管。1、管道总顶力按下式估算：(顶管施工规程DG∕TJ 08-2049-2016 )

3、中继

间设置第一道中继间的间距计算（按60%中继

间顶力计算）

Ｓ′=k(F 3-F 2)/(πDf)

p 19:(7.5.3式)

式中：

Ｓ′－中继间的间隔距离（m)k—顶力系数，宜取0.5~0.6F 2—顶管机迎面阻力（KN)F 3-控制顶力（KN)D－管道外径（m)

顶管顶力的计算

一、 Wn-98~Wn-99污水管

1)计算参数

根据《给水排水工程顶管技术规程》（CECS 246:2008）及本段相关设计参数如下表所示：

2 )、计算内容

(1) 顶推力计算

(2) 管材允许顶推力计算

(3) 顶推力验算

3 )、顶推力验算

(1) 顶推力计算

按《给水排水工程顶管技术规程》计算。

机械式、人工挖掘式,顶管机迎面阻力:

顶推力:（491.6吨）

(2) 管材允许顶推力计算

(3) 顶推力验算

F 0=4.818×103kN < F dc =24.475×103kN 满足

因此，总推力FO=491.6t 。根据总推力、工作井所能承受的最大顶力及管材轴向允许推力比较后，取最小值作为油缸的总推力。工作井（Φ1200mm 顶管）设计允许承受的最大顶力为2497.4t ，主顶油缸选用2台300t(3000KN)级油缸。每只油缸顶力控制在250t 以下，这可以通过油泵压力来控制，千斤顶总推力500t 。因此我们无需增加额外的顶进系统即可满足要求。

所以千斤顶配置满足要求

考虑地下工程的复杂性及不可预见因素，可优先选用2台300t 油压千斤顶。

二、 Yn-96~Yn-97雨水管 1)计算参数

根据《给水排水工程顶管技术规程》（CECS 246:2008）及本段相关设计参数如下表所示：

N F ()-D g t t R ⨯⨯⨯()-1.2200.2800.280350.00289.404kN

=+=+=F 0D 1L f k N F ⨯⨯⨯1.20040.00030.03289.404⨯4.818103

顶管工程计算

顶管法施工时，预制管段借助于千斤顶提供的推力克服阻力，压入地层并向前推进。管道既要承受作用在横截面上的荷载，又要承受沿管轴方向作用的顶推力和阻力。管段必须同时满足使用阶段和施工阶段的强度、刚度和稳定性要求。横截面上的荷载为使用荷载，主要在设计时考虑；顶推力及阻力是管段在顶进过程中发生的荷载，属于施工荷载，在施工时要进行设计计算。在管节推进时，主顶装置作用在后座墙上或直接作用于井壁上，因此，一般也要进行后座墙的稳定性验算。手掘式顶管时，挖掘面的稳定性也要进行计算。

一、顶管设计荷载的计算

管道在使用阶段需要承受的荷载主要有：管道结构的自重，管道上方覆盖层的垂直土压力，管道侧向水平土压力，地下水压力，内部荷载，地面荷载，管道侧向土抗力，管底地层反力等。

垂直土压力计算比较复杂。当覆土层较薄（≤顶管外径）、土体较松散时，可将覆土层的全部重力取为垂直土压力；当覆土层较厚且土体较密实时，可考虑拱效应，按泰沙基公式或普氏公式计算。普氏公式为：

水平土压力一般按朗金主动土压力理论计算。对于刚度很大的钢筋混凝土管，也可按静止土压力计算水平土压力：

地下水压力的计算有两种情况，对透水性差的淤泥质土和黏性土，一般将地下水压力和土压力合并计算，即所谓的水土合算；对砂质土层，管道位于地下水位以下时应分别计算土层与地下水产生的压力，然后叠加，以求得作用在管道上的荷载。

管道受到的侧向土抗力与其在外荷载作用下产生的变形有关。变形朝向地层并对地层产生挤压作用时，被挤压的地层将对管壁产生反向约束限制作用，形成

侧向抗力。侧向抗力的大小主要取决于管壁向地层变位的大小及地层受到挤压后变形的性质。抗力计算式如下：

顶管顶力计算

二、顶管顶力计算

（1）顶管总顶力和传力面允许最大顶力计算

D600钢筋混凝土排水管，混凝土强度C50，内径=600mm ，外径D=720mm ，壁厚60mm 顶入管总长度L=58+45=103m ，土的重度3s =19kN/m γ，管道覆土层厚度Hs=5.5m

综合摩擦阻力 4kPa k f =（触变泥浆减阻，参《给水排水工程顶管技术规程》表12.6.14）管道的总顶力估算：0k F F DLf N π=+（公式参《给水排水工程顶管技术规程》12.4.1条）顶管机迎面阻力223s s 3.14=D H =0.7219 5.5=42.5kN/m 44

F N π

γ⨯⨯⨯（选用泥水平衡式）管线总顶力计算：30 3.140.72103442.5973.9kN/m k F F DLf N π=+=⨯⨯⨯+=

钢筋混凝土管顶管传力面允许最大顶力计算：（公式参《给水排水工程顶管技术规程》8.1.3条） ()22123de c p d 50

0.9 1.050.85 3.140.50.523.17206001.30.7941123087N 1123kN Q F f A F φφφλφ⨯⨯==⨯⨯⨯⨯-⨯==≥

满足要求。

（2）工作井后背土体稳定验算

土的内摩擦角：=12φ；土的重度3

s =19kN/m γ；编号W A48工作井沉井入土深度：H=8.58m 地下水位埋深：w z =1.6m ；地下水位以下土的有效重度：3s =9kN/m γ'

根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程CECS137：2015》6.2.8条：

顶管顶力计算公式

一、土压平衡式顶管理论计算公式

F=F1+F2---------------------------------------------------------------------(1)

式中F为总推力

式中F为迎面阻力 1

,2 F=p B1ec4

p 为控制土压力 e

B为管外径 c

,p = p p p eA+w+

p为掘进所处土层的主动土压力(kPa) A

p一般为150-300 kPa A

p为掘进所处土层的地下水压力(kPa) w

p=γH水埋深w

,p为给土仓的预加压力(kPa)

,p一般为20 kPa 式中F为顶进阻力 2

F=πBfL 2ck2 f 为管外壁与土的单位面积平均摩阻力kN/mk

其数值一般通过试验确定

如果采用触变泥浆减阻技术按下表选用

2f 为管外壁与土的单位面积平均摩阻力kN/m k

土类粘性土粉土粉、细砂土中、粗砂土管材

钢筋砼管 3.0-5.0 5.0-8.0 8.0-11.0 11.0-16.0

钢管 3.0-4.0 4.0-7.0 7.0-10.0 10.0-13.0

当触变泥浆技术成熟可靠、管外壁能形成和保持稳定、连续的泥

2浆套时，f 可直接取值3.0-5.0 kN/m 。 k

L为顶进长度m

,2F= p B+πBfL ecck4

3.142 =(150+10*14+20)**(2.6)+3.14*2.6*

4.0*200 4

=1645+6531

=8176 kPa

=817.6T

二、顶管经验计算公式

F=knGL-------------------------------------------------------------------------(2)

顶管施工顶力计算及后背校核

7.顶力计算及后背校核

7.1 顶力计算

本工程采用开挖式顶管施工，使用直径为2200mm，壁厚为220mm的钢筋混凝土排水管（JC/T640-2010）Ⅲ级管。共有1根顶进供水管和1根回水管，分别穿越G110国道与巴彦塔拉大街三岔口的2个位置，长度分别为65米和32米。顶进机刃口宽度为30mm。

参考北京市地方标准《地下管线非开挖铺设工程施工及验收技术规程第2部分顶管施工》（DB11T 594.2-2014），计算总顶力Fp的公式如下：

Fp = πD(Lf + tR) / 4

根据《包头市集中供热环城北干线（包铝热源至市主城区热网）工程白银路及铝业大道、东北外大街至石头山改线段岩土工程勘察报告（详细勘察）》，顶管处2m以下土质为粉砂和粗砂。取f=15.0kN/m2,R=500kN/m2.计算结果如下：

顶力汇总表

序号管道外径（mm）管材设计顶进总长度（m）估算顶力（kN）备注

1 D=2640 钢筋混凝土管 65 8205 注浆减阻

2 D=2640 钢筋混凝土管 32 4102 注浆减阻

7.2 后背受力

根据顶管需要的总顶力，计算后背墙的宽度，使后背墙外单位土体宽度上受力不大于后背墙外土体的总被动土压力。参考北京市地方标准《地下管线非开挖铺设工程施工及验收技术规程第2部分顶管施工》（DB11T 594.2-2014），后背墙外土体每米宽度上土的总被动土压力P计算公式如下：

P = γh(tan⁡45° + 2Chtan⁡45°/2)

其中，γ为土体重度，h为后背墙宽度，n。

顶管所需顶力计算

顶进方法：

Fk=3117.388kN

γ=18kN/m*3

土的重度，地下水位以下取浮容重D1= 1.02m

管道的外径H= 4.6m

管道顶部以上覆盖层的厚度ψk=20°

管道所处土层的内摩擦角标准值L=185m

管道的计算顶进长度NF=153.2957kN 计算NF

R1=187.603kN/m*2R2=0kN/m*2局部气压的标准值

α=

1网格截面参数，可取0.6～1.0153.2957kN

计算Fk

3117.388kN 顶进时，工具管的迎面阻力标准值，宜按不同的顶进方法计

算确定

手工推进顶管法的工具管迎面阻力，或挤压、网格挤压顶管

法的挤压阻力；前者可采用500kN/m*2，后者可按工具管前端

中心处被动土压力的标准值计算

顶管所需顶力计算

本计算公式见上海市工程建设规范《地基基础设计规范》（DGJ08-11-1999）第141页

计算顶力标准值=+=22112141

4R D R D N F ππα

=+=F k N Lf D F '1π