一种竖向曲线顶管顶进力的分析计算方法及装置与流程

1.本发明属于竖向曲线顶管领域，具体涉及一种竖向曲线顶管顶进力的分析计算方法及装置。


背景技术：

2.随着城市建设与维护的发展，顶管技术在管道敷设与维护中的应用日益广泛，城市复杂地下空间施工环境也需要曲线顶管技术。竖向曲线顶管技术适应性较好，能满足城市复杂地下空间施工的需要，如在繁华城区暗挖地铁车站修建、盾构隧道施工中分岔和扩宽施工、变截面隧道扩挖以及既有地下构筑物扩建施工等，是未来城市地下环境开发的重点研究对象。对顶管技术而言，顶进力计算是设备研发及施工的基础，而国内现有规范中曲线顶管顶进力计算一般采用直线顶管顶进力乘以经验系数的方法来确定，计算结果与工程顶进力实际监测数据偏离较大。竖向曲线顶管是指顶管设计轴线仅在竖直方向发生变化的曲线顶管，其顶进力计算尚未见于相关规范。顶管的顶进力主要由顶管机迎面阻力和管节与土体间的摩阻力两部分组成。对于竖向曲线顶管顶进力计算，管节与土接触角度、管节所受土压力、土层性质等诸多因素，将影响顶进力计算的准确性。
3.对于竖向曲线顶管，管道与土体间的摩阻力远大于机头迎面阻力，管土摩阻力计算难度远大于机头迎面阻力计算。以竖向曲线顶管机头受力作为计算顶进力的基础，在力的传递过程中，机头与管节及管节之间的力沿着管节轴向传递。因此，存在垂直于管节轴线的侧向分力，其导致管节在轨迹曲线外侧与孔壁接触，进而产生附加摩阻力。结合现有研究及顶管工程施工实际，建立适用于竖向曲线顶管的顶进力计算模型，其计算易程序化，计算结果也与工程实际相符合。
4.现有规范对曲线顶管顶进力计算的不足有：
5.(1)给出了不同地层和管材的摩阻力经验值，但取值范围大；
6.(2)规范建议采用当地经验公式确定顶进力，但极少有地方标准进一步推荐计算方法；
7.(3)按规范取值往往比实际值明显偏大，偏离工程实际，可能造成资源浪费；
8.(4)规范公式采用的计算模型对实际情况的反映度具有一定争议性。


技术实现要素：

9.本发明所为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了一种竖向曲线顶管顶进力的分析计算方法及装置，是对曲线顶管顶进力计算方法的创新，适用小半径曲线顶管顶进力计算，公式简易，参数易获取，并可通过监测数据实时调整顶进力，为相关施工及设备制造提供参考。
10.为了解决技术问题，本发明的技术方案是：
11.一种竖向曲线顶管顶进力的分析计算方法及装置，所述方法包括：
12.对预设的竖向曲线顶管结构整体进行受力分析处理，得到曲线顶管的管节受力分
析结果和机头受力分析结果；
13.获取竖向曲线顶管相关基础参数；
14.根据所述竖向曲线顶管相关基础参数和机头受力分析结果，构建顶管机头阻力计算模型；
15.根据所述竖向曲线顶管相关基础参数，构建第一管节的管浆净浮力计算模型；
16.根据所述竖向曲线顶管相关基础参数、顶管机头阻力计算模型和管节受力分析结果，构建第一管节的管土模阻力计算模型；
17.根据所述竖向曲线顶管相关基础参数，构建单根管节管浆摩阻力计算模型；
18.基于所述顶管机头阻力计算模型、第一管节的管浆净浮力计算模型、第一管节的管土摩擦力计算模型和单根管节管浆摩阻力计算模型，构建曲线顶管顶进力计算模型，即实现了对竖向曲线顶管顶进力的分析计算。
19.进一步，所述构建顶管机头阻力计算模型，具体包括：构建顶管机头迎面阻力计算模型和顶管机头外壁摩阻力计算模型，并对顶管机头迎面阻力计算模型和顶管机头外壁摩阻力计算模型求和，即得到顶管机头阻力计算模型f0。
20.进一步，所述构建顶管机头迎面阻力计算模型，具体包括：
[0021][0022]
式中：p0为顶管机头处的静止土压力，采用朗肯静止土压力，p0＝k0γz，k0为朗肯静止土压力系数，γ为土的重度kn/m3，地下水位以下采用有效重度；为土的内摩擦角；z为计算点从地面算起的埋深，m。
[0023]
进一步，所述构建顶管机头外壁摩阻力计算模型，具体包括：
[0024]
f0＝μn0；
[0025]
式中：μ为管土摩擦系数，取值范围0.2～0.4；n0为机头外壁土压力合力，对深埋管道，采用考虑土拱效应的马斯顿法计算：
[0026][0027][0028]
对浅埋管道，采用土柱理论计算：
[0029][0030][0031]
式中：k为侧向土压力系数，取1.0；ka为主动土压力系数；h'为机头中点埋深；be为扰动土宽度；γ为土体重度；c为土体黏聚力；为土体内摩擦角；n0为机头土压力；l'为机头长度。
[0032]
进一步，所述构建第一管节的管浆净浮力计算模型，具体包括：
[0033]
[0034]
式中：γs为注浆浆液重度(kn/m3)；gg管节重量(kn)。
[0035]
进一步，所述构建第一管节的管土模阻力计算模型，具体包括：
[0036][0037]
式中：μ为管土摩擦系数，取值范围0.1～0.3；θ为单根管节在圆心处产生的转角的二分之一，如设计轴线转角为α，由n根管节组成，则θ＝α/2n。
[0038]
进一步，所述构建单根管节管浆摩阻力计算模型，具体包括：
[0039][0040]
式中：l'为单根管节长度；d为管节外径；f
′k为单位面积管浆摩阻力，取0.3-0.5kpa，稳定地层中轴线半径大且施工工艺成熟时取小值，复杂地层中施工难度较大且轴线半径小时取大值。
[0041]
进一步，所述构建曲线顶管顶进力计算模型，具体包括：
[0042][0043]
其中，f
n+1
为表示第n+1节管对第n节管的顶力。
[0044]
一种竖向曲线顶管顶进力的分析计算装置，所述装置包括：
[0045]
受力分析模块：用于对预设的竖向曲线顶管结构整体进行受力分析处理，得到曲线顶管的管节受力分析结果和机头受力分析结果；
[0046]
获取模块，用于获取竖向曲线顶管相关基础参数；
[0047]
第一构建模块，用于根据所述竖向曲线顶管相关基础参数和机头受力分析结果，构建顶管机头阻力计算模型；
[0048]
第二构建模块，用于根据所述竖向曲线顶管相关基础参数，构建第一管节的管浆净浮力计算模型；
[0049]
第三构建模块，用于根据所述竖向曲线顶管相关基础参数、顶管机头阻力计算模型和管节受力分析结果，构建第一管节的管土模阻力计算模型；
[0050]
第四构建模块，用于根据所述竖向曲线顶管相关基础参数，构建单根管节管浆摩阻力计算模型；
[0051]
第五构建模块，用于基于所述顶管机头阻力计算模型、第一管节的管浆净浮力计算模型、第一管节的管土摩擦力计算模型和单根管节管浆摩阻力计算模型，构建曲线顶管顶进力计算模型，即实现了对竖向曲线顶管顶进力的分析计算。
[0052]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0053]
计算结果更加准确，减少了对经验值的依赖；补充了小口径、小轴线半径曲线顶管的顶进力计算；可实现顶进力计算的实时调整，为智能化、自动化施工提供参考。
[0054]
轴线半径较小时，规范中无附加摩阻力系数取值。与现有规范计算相比，采用管土部分接触的方法计算顶进力，以机头作为分析起点，减弱了不同土压力计算方法对曲线顶管顶进力计算的误差，经验参数少且取值范围小，使得计算结果更接近实际，本计算方法的主要参数为机头土压力与管浆接触压力，这两个数据可通过设置应力计传感器实时传输，实现顶进力计算的自动调整。
附图说明
[0055]
图1、本发明一种竖向曲线顶管顶进力的分析计算方法及装置的为竖向曲线顶管顶进示意图；
[0056]
图2、本发明一种竖向曲线顶管顶进力的分析计算方法及装置的第n节管荷载分布示意图。
具体实施方式
[0057]
下面结合实施例描述本发明具体实施方式：
[0058]
需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
[0059]
同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0060]
实施例：
[0061]
本发明是对曲线顶管顶进力计算的创新，分别计算顶管机头阻力与管节阻力，进而得到顶进力。
[0062]
本发明的目的是通过下述方式实现的：
[0063]
(1)管节受力分析
[0064]
如图1所示，将竖向曲线顶管机头与管节离散化，机头阻力在管节间轴向传递，将机头荷载沿管节轴向和径向方向进行分解，如图1所示，以机头为受力起始点展开分析，机头受到前方的迎面阻力和管节外壁与土及注浆液接触产生的摩擦阻力，阻力沿管节轴线进行传递，垂直与管节间接触面。将阻力分解为两个相互垂直的力，一个沿着管节轴线，另一个垂直于管节轴线，与土体挤压产生摩阻力，摩阻力平行与管节轴线，以此向后继续传递。
[0065]
(2)曲线顶管机头受力分析
[0066]
考虑到环境保护要求，机头迎面受到的土压力为静止土压力时，对土体扰动最小，故采用静止土压力计算机头迎面阻力。机头应对泥浆有封闭作用，仅与土体接触，顶进时外壁受到土压力作用而产生摩阻力，如图2所示。
[0067]
(3)管节摩阻力计算
[0068]
假定管道横截面1/3与土体接触，2/3与泥浆接触。在形成完整连续的泥浆套时，每节管的管浆接触压力可认为相同，假设净浮力相同，则管节管浆摩阻力相同。
[0069][0070]
(4)竖向曲线顶管顶进力计算
[0071][0072]
[0073][0074][0075][0076]
式中：μ为管土间的摩擦系数；θ为单根管节产生转角的二分之一；f0为机头阻力；n
12
为单根管节管浆接触压力；l'为单根管节长度；f
n1
为单根管节管土摩阻力；f
n2
为单根管节管浆摩阻力；f
′k为管浆单位面积平均摩阻力；d1为机头外径；d为管节外径；p0为机头处单位静止土压力；n0为机头外壁土压力。
[0077]
通过以下步骤实现曲线顶管机顶进力计算：
[0078]
(1)计算顶管机头迎面阻力
[0079][0080]
式中：p0为顶管机头处的静止土压力，采用朗肯静止土压力，p0＝k0γz，k0为朗肯静止土压力系数，γ为土的重度kn/m3，地下水位以下采用有效重度；为土的内摩擦角；z为计算点从地面算起的埋深，m。
[0081]
(2)计算顶管机头外壁摩阻力
[0082]
f0＝μn0；
[0083]
式中：μ为管土摩擦系数，取值范围0.2～0.4；n0为机头外壁土压力合力，对深埋管道，采用考虑土拱效应的马斯顿法计算：
[0084][0085][0086]
对浅埋管道，采用土柱理论计算：
[0087][0088][0089]
式中：k为侧向土压力系数，取1.0；ka为主动土压力系数；h'为机头中点埋深；be为扰动土宽度；γ为土体重度；c为土体黏聚力；为土体内摩擦角；n0为机头土压力；l'为机头长度。
[0090]
顶管机头迎面阻力与外壁摩阻力之和为顶管机头阻力f0，即：
[0091][0092]
(3)计算第一节管的管浆净浮力
[0093]
[0094]
式中：γs为注浆浆液重度(kn/m3)；gg管节重量(kn)。
[0095]
(4)计算第一节管的管土摩阻力
[0096][0097]
式中：μ为管土摩擦系数，取值范围0.1～0.3；θ为单根管节在圆心处产生的转角的二分之一，如设计轴线转角为α，由n根管节组成，则θ＝α/2n。
[0098]
(5)计算单根管节管浆摩阻力
[0099][0100]
式中：l'为单根管节长度；d为管节外径；f
′k为单位面积管浆摩阻力，取0.3-0.5kpa，稳定地层中轴线半径大且施工工艺成熟时取小值，复杂地层中施工难度较大且轴线半径小时取大值。
[0101]
(6)计算曲线顶管顶进力
[0102][0103][0104][0105][0106]
本顶进力计算公式中关键数据均可通过监测得到，可在机头正面及外壁处设置传感器，以测得的土压力代替静止土压力，从而计算迎面阻力f0，利用测得的管浆接触压力代替n
12
，并结合实际机头迎面阻力计算第一节管土摩阻力。结合前述数据，如实际顶进力与计算顶进力不符合时，可在取值范围内调整管土摩擦系数或单位面积管浆摩阻力；如调整后两者仍不符合，则需考虑可能遇到未知地层或孔壁不稳定等突发条件。
[0107]
上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
[0108]
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。