一种地下顶管隧道的顶推力计算方法与流程

本发明涉及一种地下顶管隧道的顶推力计算方法，尤其是考虑复杂接触状态的顶管顶推力计算方法。

背景技术：

1、顶管隧道包含圆形和矩形的市政管线、隧道管幕支护、地下人行通道等多种形式。在顶管施工过程中，通常在顶管顶推起始段与结束段进行工作井的施工，在顶管隧道始发井的背墙布置千斤顶，在顶管隧道端头采用顶管机进行切削土体；在施工过程中顶推力决定着工作井的结构设计、顶管机选型以及顶管管节的设计，而顶管顶推力主要由顶管周围摩阻力以及顶管机迎面阻力构成，而迎面阻力很大程度取决顶推速度与顶管机迎面土体性质，随着顶推距离的增加，导致摩阻力逐渐成为影响顶推力的主要影响因素。

2、为了减小顶推过程中的摩阻力，通常采用注浆减阻措施减小顶管与四周土体的摩擦系数，进而减小摩阻力，理想状态下，注浆减阻措施能够在顶管四周形成完整的泥浆套，进而在顶推过程中形成管/泥接触状态，以较小的摩擦系数及摩阻力进行顶推，但实际施工过程中，由于自重、顶管机偏移等因素影响，会导致顶管四周泥浆套消散，形成管/土/泥接触状态。

3、已有的计算理论都是在理想状态下，将顶推过程中管节的接触状态视为不变的情况，未考虑自重及顶管机偏移对管/土/泥接触形式的影响，导致接触状态复杂。因此，亟需一种考虑复杂接触状态的摩阻力计算方法，以弥补对接触状态的考虑不足。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种地下顶管隧道的顶推力计算方法，以解决现有技术中所提到的技术问题。

2、一种地下顶管隧道的顶推力计算方法，包括以下步骤；

3、s1、获取顶管参数和地层参数；

4、s2、基于所述顶管参数和所述地层参数，计算所述顶管的上侧土压力和两侧土压力，并利用弹性地基理论，计算所述顶管在上覆土层以及管节自重荷载作用下的管节挠度和下侧土压力；

5、s3、界定顶管机的偏移限值，并确定所述顶管机在顶推过程中的偏移量，得到所述顶管机在偏移情况下的开挖面曲线；

6、s4、将所述顶管机在顶推过程中的偏移量作为边界条件，代入所述s2的所述顶管的管节挠度中，得到所述顶管在偏移情况下的变形曲线；

7、s5、基于所述顶管的管节挠度与所述顶管机在偏移情况下的开挖面曲线，判断所述顶管的管/土/泥接触形式；

8、s6、根据所述顶管的管/土/泥接触形式，选取所述顶管的管/土/泥摩擦系数，计算所述顶管在顶推过程中的摩阻力；

9、s7、对所述顶管在顶推过程中的摩阻力进行积分，计算所述顶管的总摩阻力，并对所述顶管的总摩阻力和所述顶管机的迎面阻力求和，计算所述顶管的总顶推力。

10、可选的，所述s1中；

11、所述顶管参数包括管节抗弯刚度ei、管节外宽度b、管节外高度h、管节内宽度b1和管节内高度h1；

12、所述地层参数包括上覆土层厚度h、上覆土层重度γ、上覆土层摩擦角φ和粘聚力c。

13、可选的，所述s2中，所述顶管的上侧土压力的计算方法，包括；

14、当所述顶管的上覆土层厚度h≤管节外宽度b的1-2倍时，采用比尔鲍理论计算所述顶管处于浅埋状态时的上侧土压力；

15、所述顶管的上覆土层压力g1为：g1＝γhb1；

16、

17、其中，b1为顶管处于浅埋状态时塌落拱的横向跨度，b为顶管隧道宽度；

18、当所述顶管的上覆土层厚度h≥管节外宽度b的1-2倍时，采用普氏卸载拱理论计算所述顶管处于深埋状态时的上侧土压力；

19、所述顶管的上覆土压力g2为：

20、

21、

22、

23、其中，b2为顶管处于深埋状态时塌落拱的横向跨度，h0为塌落拱拱高，fk为土层坚固系数，又称普氏摩擦系数；

24、所述顶管两侧的夹制效应t分为两部分，一部分为土体发生沉降时土体的摩擦力，另一部分为土体的粘聚力；

25、所述顶管两侧的夹制效应t为：

26、其中，k1、k2为计算系数，

27、

28、所述顶管的上侧土压力p为：p＝g-t；

29、其中，g选取g1或g2。

30、可选的，所述s2中，所述顶管的两侧土压力的计算方法，包括；

31、所述顶管产生超挖间隙时，所述顶管两侧的土体会向所述顶管的管节发生移动，所述顶管的两侧土压力采用主动土压力计算方法；

32、所述顶管距地表深度为y处某一点的两侧土压力py为：

33、

34、其中，ka为朗肯土压力系数，

35、对所述顶管下表面至所述顶管上表面之间的距离h进行积分，计算所述顶管的两侧土压力pa：

36、

37、可选的，所述s2中，所述顶管的挠度和下侧土压力计算方法，包括；

38、在所述顶管的管节周围载荷作用下，所述顶管会产生竖向变形，根据winkler计算模型，计算所述顶管在上覆荷载以及两侧荷载作用下的挠度，其中；

39、所述顶管的挠曲线微分平衡方程q(x)为：

40、其中，为挠度的四阶导数，即曲率变化率，p(x)为地基反力；

41、当所述顶管不考虑偏移时，选取边界条件，并计算所述顶管的挠度y(x)；

42、

43、当x＝0处有单位挠度时梁的挠度曲线方程r1(x)为：

44、r1(x)＝ch(ρx)cox(ρx)/2；

45、当x＝0处有单位转角时梁的挠度曲线方程r2(x)为：

46、r2(x)＝ch(ρx)sin(ρx)+sh(ρx)cos(ρx)/2；

47、当x＝0处有单位弯矩时梁的挠度曲线方程r3(x)为：

48、r3(x)＝sh(ρx)sin(ρx)/2；

49、当x＝0处有单位剪力时梁的挠度曲线方程r4(x)为：

50、r4(x)＝[ch(ρx)sin(ρx)-sh(ρx)cos(ρx)]/4；

51、其中，将顶管简化为两端铰接的简支梁，当x＝0时为左端铰接端，当x＝a为右侧铰接端，由于铰接点不产生竖向位移以及不承担弯矩的性质，因此，选取边界条件为y(0),m(0)＝0,y(a),m(a)＝0，地基特征系数ε为对任意x截面求解挠度y(x)时，在x截面左端距端点o处距离为ε的截面，ε∈[0，x]，q0为x＝0时为左端铰接端的剪力，m0为x＝0时为左端铰接端的弯矩，θ0为x＝0时为左端铰接端的转角变形，q(ε)r4(x)[ρ(x-ε)]dε为梁体上的均布荷载；

52、所述顶管的下侧土压力px为：px＝kby(x)；

53、其中，k为顶管下侧土体地基系数，其中e为土体压缩模量，h为土体厚度。

54、可选的，所述s3中，所述顶管机在顶推过程中产生的偏移限值问题，采用预顶推顶管的方式进行确定，预顶推所述顶管一段距离之后，获得所述顶管机在预顶推过程中的偏移值，所述顶管机在顶推过程中的纠偏和偏移会产生周期性变化，利用正弦函数或余弦函数确定所述顶管机在顶推过程中的偏移量，其中；

55、若所述顶管机在顶推过程中产生向上偏移，且向上偏移距离已接近偏移限值时，则对所述顶管机进行向下纠偏；

56、若所述顶管机在顶推过程中导致向下的纠偏产生误差时，会出现向下偏移，且向下偏移距离已接近偏移限值时，则对所述顶管机进行向上纠偏；

57、所述顶管机的上侧开挖轮廓线方程fs(x)为：

58、所述顶管机的下侧开挖轮廓线方程fx(x)为：

59、所述顶管机的左侧开挖轮廓线方程fz(x)为：

60、所述顶管机的右侧开挖轮廓线方程fy(x)为：

61、其中，a表示顶管高度，f(x)为顶管顶推过程中沿顶管长度方向的竖直偏移值，t(x)为顶推过程中沿顶管长度方向的水平偏移值。

62、可选的，所述s4中；

63、当所述顶管机在顶推过程中产生偏移时，所述顶管挠曲线会由于偏移产生变化，此时所述顶管机a处作为偏移m距离的边界条件，则所述管节挠曲线的边界条件变为：

64、y(0)＝0；m(0)＝0；y(a)＝m；m(a)＝0；

65、所述顶管上侧挠度曲线方程ys(x)为：

66、

67、所述顶管下侧挠度曲线方程yx(x)为：

68、

69、所述顶管左侧挠度曲线方程yz(x)为：

70、所述顶管右侧挠度曲线方程yy(x)为：

71、利用所述顶管的上侧挠度曲线方程、下侧挠度曲线方程、左侧挠度曲线方程和右侧挠度曲线方程，得到所述顶管在偏移情况下的变形曲线。

72、可选的，所述s5中，通过将所述顶管的挠度曲线方程与所述顶管机的开挖轮廓线方程建立在同一平面坐标系中，得到所述顶管机的开挖轮廓线方程与所述顶管的挠度曲线方程之间的相交关系，确定所述顶管上下两侧与所述地层之间的管/土/泥接触关系，假设所述顶管的挠度曲线方程与所述顶管机的开挖轮廓线方程相交于x1,x2,…,xi点，在x∈[xn,xn+1]的情况下，分别判断所述顶管的上侧和下侧的管/土/泥之间的接触关系，其中；

73、(1)对于所述顶管的上侧，当ys(x)≤fs(x)时，则此段的接触形式为管-泥接触，当ys(x)≥fs(x)时，则此段接触为管-土接触；

74、(2)对于所述顶管的下侧，当ys(x)≤fs(x)时，则此段的接触形式为管-土接触，当ys(x)≥fs(x)时，则此段接触为管-泥接触。

75、可选的，所述s6中，根据施工过程中的减阻措施，确定所述顶管的管/土/泥摩擦系数，并基于所述s5中得到的所述顶管的管/土/泥接触形式，计算所述顶管在顶推过程中的摩阻力；

76、所述顶管的上侧任意一点的摩阻力f1'(x)为：

77、

78、所述顶管的下侧任意一点的摩阻力f2'(x)为：

79、

80、所述顶管的左侧任意一点的摩阻力f3'(x)为：

81、

82、所述顶管的右侧任意一点的摩阻力f4'(x)为：

83、

84、所述顶管在顶推过程中的总摩阻力等于所述顶管的上侧任意一点的摩阻力、所述顶管的下侧任意一点的摩阻力、所述顶管的左侧任意一点的摩阻力和所述顶管的右侧任意一点的摩阻力之和。

85、可选的，所述s7中：

86、所述顶管机的迎面阻力fy为：fy＝bhr1；

87、其中，r1取顶管机高度下部1/3处被动土压力，

88、

89、本发明能产生的有益效果包括：

90、本发明所提供的一种地下顶管隧道的顶推力计算方法，通过考虑顶管在上覆土层以及管节自重荷载作用下的管节挠度，并考虑顶管机在顶推顶管的过程中，由于土体性质的变化、迎面土体的不均匀性产生偏移问题，对顶管的摩阻力进行预测，并界定顶管机的偏移限值，采用正弦函数或余弦函数的形式假定顶管机在顶推过程中的偏移量，以及判断顶管的管/土/泥接触形式，充分考虑到顶管的各种接触状态，以及影响因素，来弥补现有计算方法对顶管接触状态的考虑不足，从而提高顶管顶推力的计算准确性。