某大直径钢筋混凝土顶管施工计算和中继间设置

引言

城市建设基础设施的逐渐完善，大直径钢筋 混凝土顶管施工技术由于具有对环境影响较小、速度很快等特点，被广泛运用到城市建筑施工作中。大直径钢筋混凝土顶管施工中顶力的计算及设置好中继间是做好大直径钢筋混凝土顶管施工的关键。顶力计算准确，中继间设置合理，就能够克服长距离顶管施工中存 在的顶力过大的问题。

一、大直径钢筋混凝土顶管施工技术原理

1. 顶管施工概述

顶管施工技术，即不需要对管道进行开挖，采用顶管施工技术，利用主顶油缸，把管道从工作井的顶部放入到土体之中，在管道的推进过程中，采用掘进机，把管道前面部分的土体切下、破碎并且弃土而进行施工作业的一种方法。大直径钢筋砼顶管适合于多种土体。这种施工方法对于道路、河塘、建筑等的施工过程，具有十分明显的优越性。

2. 工作原理

大直径钢筋混凝土顶管施工中，主顶装置设置在井内，依靠后背墙的反力拖动管道前进，在管道前端的掘进机切土控制方向，同时为减少管道和土体的摩阻，多采用触变泥浆减阻技术，在管道外壁注入触变泥浆形成泥浆套，以降低摩阻力。长距离顶管当顶力超过管道的许用顶力或主顶装置的最大顶力时，设置中继间，分段顶进，以减少总顶力。

二、大直径钢筋混凝土顶管施工计算

1. 顶进力计算

顶进力作为顶管施工过程当中的首要参数，它直接影响着顶管设备的选取、中继间的设置及施工。顶进力主要由管道与周围土体的摩擦力、迎面阻力等因素构成。对于上面所提大直径的钢筋混凝土顶管，在管道与周围土体之间的摩擦力需要根据管道的外径、顶进的长度、土体的类型等，使用理论公式并结合经验公式进行计算，确保计算结果能够可靠。迎面阻力与顶进面土体稳定性具有直接的联系，根据工程地质勘探的资料，对顶进面土体的抗剪强度等因素进行分析，选择合适的计算模型进行迎面阻力的计算。

2. 管道强度验算

大直径钢筋砼顶管在施工的过程中，承受顶进力、土体的压力等多种作用力，应验算法计算管线强度，依据管道受力条件，建立受力模型，计算管线在不同组合作用下的受力，依据钢筋砼结构设计规范，验算法计算管线拉、压等强度，确保在管线施工的过程中，不会出现管线被破坏的状况。

3. 管道稳定性验算

管道的稳定性分为纵向稳定性和横向稳定性。纵向稳定性是为了防止管道在顶进过程中纵向出现窜动和失稳。横向稳定性是为了防止管道在顶进过程中因土体的压力出现横压和垮塌。垂直稳定性验算主要对顶进力的分布，管道的摩擦力等进行计算分析，验算管道纵向受力是否平衡稳定。横向稳定性验算主要是对土体的侧压，管道刚度等进行计算分析，验算管道的横向变形是否满足要求。

三、大直径钢筋混凝土顶管中继间设置

1. 中继间布置原则

一是合理确定驱动推力。利用顶进力公式，结合管线自重、摩擦阻力、迎面阻力等，采用有限元算法预测不同工况下的顶进力，确定每一阶段的驱动推力，根据驱动推力确定中继间的数量和规格，保证中继间驱动推力比计算值大15%-20% ，并进行试加载，避免驱动推力过小造成顶进停滞。二是合理计算成本。将中继间租赁费、拆除费、安装费、时间成本等考虑在内的驱动推力，利用经济数学模型进行方案比选。尽量使用大推力中继间，降低驱动推力，利用BIM 对施工过程进行模拟，尽量缩短设备周转路径，节约人工和机械停滞时间。如长距离顶管每 80m 需设置 1 个中继间，若长度为 120m 则可节省 30% 中继间。三是地质条件适应性动态分布。结合勘查报告划分地质风险等级，在弱地层、富水地段等复杂地段加密监测 + 动态分布，利用地质雷达实时对前方土体进行监测，当顶进压力变化值超过警戒值时采取移动式 + 可动式响应，保证施工进度，避免过度加密监测造成不必要的浪费。

2. 中继间设置数量确定

中继间数量主要根据总顶进力、单只中继间最大推力、管道与土体摩阻力确定，采用达魏公式，根据工程地质勘查报告，计算管道与土体之间的综合阻力摩擦系数，因不同土层（黏土层、砂层等）摩阻力不同，通过分层加权平均方法计算单位摩阻力，根据总顶进长度，计算出总顶进力。单只中继间最大推力根据设备出厂参数通过折减系数（通常为 1.2-1.5）计算，在二者关系计算过程中，引入了动态修正系数模型，因顶进过程中泥浆减阻率衰减、管道曲线顶进阻力增加等因素，对理论值进行修正：如顶进长度 >100m 时，泥浆减阻率按每隔 20m 衰减 5% 进行修正。同时，建立顶进力 - 顶进距离坐标系，利用数值模拟软件对顶进过程进行模拟（Prophaxis、FLAC3D），研究顶进过程的随顶进距离变化的摩擦力、随土层变化的曲线。

3. 中继间位置确定

顶管施工长度超过 100m 时，应设置中继间。第一个中继间设置在距离工作井洞口 50^～60m 处，往后每隔 100m 设置一个中继间。第一个中继间设置在距离工作井洞口 50^～60m 的主要原因是: 由于顶管施工开始时，管道从工作井推出，其周围土体对管的约束作用较小，摩擦力较小，在顶进一段距离后，摩擦力逐渐增大。在距离工作井洞口 50^～60m 设置第一个中继间，可以及早释放一部分顶力，防止主顶设备在开始顶进时受力过大。往后每隔 100m 设置一个中继间是因为在一般地质条件下， 100m 左右的距离其阻力可以用一个中继间的顶力来平衡，在 100m 左右的距离其顶力可以释放顶进设备的负荷，起到中继间的作用。如果中继间设置太密，不但会增加设备成本和施工工序，而且每个中继间设置均可起到中继间的作用。在实际工程中，中继间设置的间距应根据现场地质条件和顶力计算结果合理确定。地质条件较差、摩擦力较大的地层中，中继间间距应小一些；地质条件较好、摩擦力较小的地质条件中，中继间间距可以适当增大，但调整后的中继间位置必须满足规范的基本原则，应经过计算验证。

结语

综上所述，在针对大直径钢筋混凝土顶管施工时，施工计算的合理开展以及中继间的合理设置是确保安全高效施工的前提与保障，在今后针对该方面还可以根据施工监测的相关数据针对该施工计算以及继间设置的方式进行优化与完善，为更多的相关工程提供施工技术方面的参考与保障。

参考文献：

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