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考虑管土接触状态的圆曲线顶管顶进力计算方法

周雨恒,  周浩,  袁明,  张鹏,  曾聪

周雨恒, 周浩, 袁明, 张鹏, 曾聪. 考虑管土接触状态的圆曲线顶管顶进力计算方法[J]. 地质科技通报, 2023, 42(3): 63-71. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20210729
引用本文: 周雨恒, 周浩, 袁明, 张鹏, 曾聪. 考虑管土接触状态的圆曲线顶管顶进力计算方法[J]. 地质科技通报, 2023, 42(3): 63-71. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20210729
Zhou Yuheng, Zhou Hao, Yuan Ming, Zhang Peng, Zeng Cong. Jacking force calculation method of circular curved pipe jacking with consideration of pipe-soil contact characteristics[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2023, 42(3): 63-71. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20210729
Citation: Zhou Yuheng, Zhou Hao, Yuan Ming, Zhang Peng, Zeng Cong. Jacking force calculation method of circular curved pipe jacking with consideration of pipe-soil contact characteristics[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2023, 42(3): 63-71. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20210729

考虑管土接触状态的圆曲线顶管顶进力计算方法

doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20210729
详细信息
    作者简介:

    周雨恒(1996—),男,现正攻读地质工程专业硕士学位,主要从事非开挖顶管方面的研究工作。E-mail: zyh@piano.com

    通讯作者:

    张鹏(1988—),男,副教授,主要从事非开挖领域的科研和教学工作。E-mail: cugpengzhang@163.com

  • 中图分类号: P634

Jacking force calculation method of circular curved pipe jacking with consideration of pipe-soil contact characteristics

  • 摘要:

    为探究不同管土接触状态下圆曲线顶管顶进力计算方法,结合港珠澳大桥拱北隧道曲线钢顶管工程的相关数据,利用国内外几种常用的曲线顶管顶进力计算公式,以及利用ABAQUS软件建立的考虑注浆作用和管土接触范围的顶进力有限元分析模型,分别进行了顶进力计算。与实测顶进力数据的对比分析表明:①顶进力计算值大小为:JMTA公式≫上海规范公式>Shimada公式,其中考虑1/3管土接触面的Shimada公式下限计算值与实测值较为接近。②通过数值模拟发现,1/3管土接触状态模拟顶进力,逐渐向1/2管土接触状态接近;在注浆状态下,前期实测顶进力接近1/2管土接触状态下的顶进力;后期顶进趋近平稳时,实测顶进力接近1/3管土接触状态下的顶进力。本数值模型能够对同类型工况下顶管顶进力进行较好预测,对实际施工具有一定的指导意义。

     

  • 图 1  JMTA曲线顶管路线示意图

    L1.EC点到接收井的距离; L2.BC点到始发井的距离;Lc.曲线段长度;θ.曲线段的平面夹角

    Figure 1.  Schematic diagram of JMTA curved pipe jacking route

    图 2  Shimada计算公式示意图(图中量符号的含义见正文)

    Figure 2.  Schematic diagram of Shimada calculation formula

    图 3  曲线顶管管孔接触相对位置

    Figure 3.  Relative position of the tube hole contact of the curved jacking pipe

    图 4  顶进100 m整体模型示意图

    Figure 4.  Schematic diagram of the overall model of jacking at 100 m

    图 5  管道平面示意图

    Figure 5.  Schematic plan of the pipeline

    图 6  管节端面单元分布情况

    Figure 6.  Distribution of the end face elements of pipe junction

    图 7  拱北隧道曲线管幕工程示意图

    Figure 7.  Engineering drawing of the curved pipe curtain of Gongbei Tunnel

    图 8  管土接触范围示意图

    Figure 8.  Schematic diagram of pipe-soil contact range

    图 9  各公式计算结果与实测值对比图

    Figure 9.  Comparison of formula calculation results and measured values

    图 10  21~25 m段管节端面顶进轴向应力云图(单位: Pa)

    Figure 10.  Axial stress cloud diagram of end face jacking of pipe junction at 21-25 m

    图 11  71~75 m段管节端面顶进轴向应力云图(单位: Pa)

    Figure 11.  Axial stress cloud diagram of end face jacking of pipe junction at 71-75 m

    图 12  顶进力模拟数据与实测数据比较

    Figure 12.  Comparison of simulation data and measured data of jacking force

    表  1  曲线顶管顶进力附加系数k值

    Table  1.   Value of additional coefficient k of jacking force of curved pipe jacking

    R 300D 250D 200D 150D 100D
    k 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30
    注:R为曲率半径(m);D为管道外径(mm)
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    表  2  29号顶管相关参数表

    Table  2.   Related parameters of the No.29 pipe jacking

    参数类别 名称 取值
    管道几何参数 顶进方向 西→东
    圆曲线顶进长度/m 169.7
    圆曲线曲率半径/m 905.9
    平均长度/m 257.917
    平均埋深/m 15.16
    刀盘外径/mm 1 676
    管道外径/mm 1 620
    壁厚/mm 20
    开挖地层参数 顶进段Ⅰ岩性及长度/m 淤泥质土(0, 150]
    顶进段Ⅱ岩性及长度/m 粗砂、砾砂+淤泥质土(150, 200]
    顶进段Ⅲ岩性及长度/m 淤泥质土(200, 250]
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    表  3  西工作井附近地层参数

    Table  3.   Formation parameters near the west working well

    地层 深度/m 密度/(g·cm-3) 孔隙度 黏聚力/kPa 内摩擦角/(°) 标准贯入度
    天然密度 干密度 颗粒密度
    人工填土 6.1 1.78 1.54 2.66 0.73 8.0 10.6 8
    淤泥质粉质黏土 8.7 1.79 1.31 2.65 1.43 6.0 3.0 5
    粉质黏土 13.0 1.96 1.59 2.71 0.62 17.9 10.8 11
    淤泥质粉质黏土 18.8 1.79 1.23 2.67 1.11 11.4 4.5 5
    粗/砾砂 25.6 2.01 1.83 2.63 0.44 — 30.0 23
    砾质黏性土 28.2 1.79 1.36 2.71 1.00 18.2 22.0 14
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    表  4  上海市《顶管工程施工规程》公式计算参数

    Table  4.   Formula calculation parameters of "Specification for Construction of Pipe Jacking" in Shanghai

    计算参数 取值 备注
    顶管机外径Dp/m 1.676
    管道外径D/m 1.61
    管顶覆土深度Hc/m 13.55 管道埋深与管外径差值
    顶进长度L′/m 0~150 淤泥质粉质黏土层
    穿越土层黏聚力c/kPa 11.4 淤泥质粉质黏土层
    穿越土层内摩擦角φ/(°) 4.5 淤泥质粉质黏土层
    单位管周摩阻力f/(kN·m-2) 0.37 文献[6]提供的实测数值
    顶进力附加系数k 1~1.1 R/D= 563>400,故取此范围
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    表  5  日本推進技術協会(JMTA)公式计算参数

    Table  5.   Calculation parametersof JMTA formula

    计算参数 取值 备注
    顶管机外径Dp/m 1.676
    管道外径D/m 1.61
    单位长度管重w/(kN·m-1) 7.89
    管顶覆土深度Hc/m 13.55 管道埋深与管外径差值
    曲线段长度Lc/m 0~150 不计算直线段
    管土摩擦系数k1 0.039 k1=tan(φ/2)
    相邻管节偏角a/(°) 0.26 现场实测
    曲线段顶管节数n 38 顶进长度与管节长度比值
    管土接触面黏聚力Cs/kPa 10 软弱土层
    马斯顿土压力q[10] 重度γ/(kN·m-3) 17.9 淤泥质粉质黏土层
    黏聚力C/kPa 11.4 淤泥质粉质黏土层
    内摩擦角φ/(°) 4.5 淤泥质粉质黏土层
    刀盘迎面阻力F0由式(9)与式(10)计算 标准贯入度N 5 淤泥质粉质黏土层
    刀盘前泥浆压力pm/kPa 126.6 地下静水压力加上20 kPa
    刀盘前切削阻力ps/kPa 150 N<15时取150 kPa
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    表  6  Shimada公式计算参数

    Table  6.   Calculation parameters of Shimada formula

    计算参数 取值 备注
    管道外径D/m 1.61
    曲线段平面夹角θ/(°) 0~9.49 顶进长度与曲率半径比值
    曲线段长度Lc/m 0~150 不计算直线段
    管土摩擦系数k1 0.039 k1=tan(φ/2)
    管浆单位面积摩阻力τa/kPa 0.3 JMTA手册[12]
    管土单位面积摩阻力τb/kPa 1.2 JMTA手册[12]
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    表  7  各材料力学参数

    Table  7.   Mechanical parameters of various materials

    土层/结构 深度/m 黏聚力/kPa 内摩擦角/(°) 弹性模量/MPa 密度/(g·cm-3) 泊松比
    人工填土 6.1 8.0 10.6 8 1.78 0.30
    淤泥质粉质黏土 8.7 6.0 3.0 12 1.79 0.35
    粉质黏土 13.0 17.9 10.8 10 1.96 0.32
    淤泥质粉质黏土 18.8 11.4 4.5 12 1.79 0.35
    粗砂或砾砂 25.6 ─ 30.0 25 2.01 0.35
    砾质黏性土 28.2 18.2 22.0 10 1.79 0.32
    顶管机 ─ ─ ─ 200 000 1.30 0.30
    钢管 ─ ─ ─ 210 000 7.85 0.30
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    表  8  各顶进段注浆压力

    Table  8.   Grouting pressure of each jacking section

    顶进段/m 6~10 21~25 46~50 71~75 96~100 146~150
    平均注浆压力/kPa 0 0 178.0 180.1 169.0 173.2
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    表  9  3种公式计算结果对比

    Table  9.   Comparison of the calculation results of three formulas

    顶进距离/m 顶进力/kN
    上海规范公式 JMTA公式 Shimada公式 实测值
    上限 下限 上限 下限 上限 下限
    30 863.9 785.4 2 633.8 2 896.9 702.7 439.6 874.2
    60 925.6 841.5 4 923.4 5 186.8 795.3 531.9 736.4
    90 987.4 897.6 7 216.1 7 479.9 888.0 624.2 609.5
    120 1 049.2 953.8 9 512.1 9 776.3 980.8 716.7 735.0
    150 1 110.9 1 009.9 11 811.3 12 075.8 1 073.7 809.3 792.2
    与实测最小误差/% -1.2 -10.2 201.3 231.4 8.0 2.2 —
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    表  10  各顶进段模拟顶进力与实测误差

    Table  10.   Error between simulated jacking force and measured value of each jacking section

    顶进距离/m 实测顶进力/kN 1/3接触 1/2接触
    顶进力/kN 与实测误差/% 顶进力/kN 与实测误差/%
    10 697.6 615.7 -11.7 821.5 17.8
    25 781.2 925.3 32.6 1 189.3 70.5
    50 706.0 424.6 -39.1 616.4 -11.6
    75 676.6 598.8 -14.2 744.9 6.8
    100 634.0 745.6 6.9 881.8 26.4
    150 924.3 886.6 27.1 1 014.8 45.5
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  • 收稿日期:  2021-11-24

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     《地质科技通报》编辑部