適用于深埋條件下仿矩形市政頂管隧道側(cè)摩阻力計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了適用于深埋條件下仿矩形市政頂管隧道側(cè)摩阻力的計算方法，通過以下公式計算頂管過程中作用于隧道管壁的側(cè)摩阻力P：解決了深埋條件下大型市政頂管隧道側(cè)摩阻力和頂推力的準確計算問題。
【專利說明】
適用于深埋條件下仿矩形市政頂管隧道側(cè)摩阻力計算方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于隧道工程技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種適用于深埋條件下仿矩形市政頂管隧道 側(cè)摩阻力計算方法，具體設(shè)及到針對深埋隧道條件下基于普氏自然平衡拱的隧道圍巖±壓 力計算，進而確定作用于仿矩形頂管隧道±壓力和側(cè)摩阻力的計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 頂管法施工是指在工作坑內(nèi)借助頂進設(shè)備產(chǎn)生的頂力克服隧道側(cè)壁與周圍±體 的摩擦力W及隧道掌子面迎面阻力，直接穿越既有建筑物、道路、河流和綜合管線等環(huán)境敏 感建(構(gòu))筑物，完成管道(或隧道)建設(shè)的一種方法，該方法對地面影響小，環(huán)境適應(yīng)性強， 適合城市等其它對環(huán)境敏感性要求較高條件下綜合管道和隧道的施工。
[0003] 頂推力的計算是頂管工程中最重要的設(shè)計參數(shù)之一，是決定頂管施工的工藝和設(shè) 備選型等技術(shù)的直接因素。頂推力主要有掘進面的迎面阻力和管壁摩阻力組成，其中，迎面 阻力一般認為是一個定值，主要與頂管機的類型，頂管的直徑和掘進方式有關(guān);而管壁摩阻 力隨著頂進工作的不斷推進而逐漸增加，是頂推力的主要組成部分，也是決定頂管工藝和 設(shè)備選型的主要控制因素，側(cè)摩阻力的計算誤差往往會導(dǎo)致頂推設(shè)備和施工工藝選擇失 當，嚴重時甚至?xí)?dǎo)致整個頂進工作的失敗。因此，側(cè)摩阻力計算的準確性在頂管法的一般 工程應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展方面都具有重要的地位。
[0004] 自上個世紀末，隨著城市綜合管網(wǎng)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，頂管法作為非開挖技術(shù)的一 種得到了快速發(fā)展，國內(nèi)外許多學(xué)者和機構(gòu)都對頂推力和摩阻力進行了理論分析，其中有 代表性的學(xué)者有余彬泉、王承德、何蓮、蔡振興、韓選江和楊仙等，相關(guān)的機構(gòu)主要有英國頂 管協(xié)會(PJA)、德國ATVA和日本非開挖協(xié)會(JSTT)等。運些研究主要是通過將綜合管網(wǎng)的幾 何特征進行圓形假定，提出了各種頂管隧道頂推力計算方法。我國的《頂管施工技術(shù)及驗收 規(guī)范》基于同樣的方法給出了頂推力的計算方法，具體如下：
[0005]
(1)
[0006] 式中；
[0007] P-要計算的總頂力化N);
[000引 丫一管道所在±層的重力密度化N/m3);
[0009] Di-管道的外徑(m);
[0010] H-管道頂部W上覆±的厚度(m);
[0011] P-管道所在±層的內(nèi)摩擦角；
[0012] 管道單位長度的自重化N/m);
[0013] L-要計算的頂進長度(m);
[0014] f-頂進過程中，管道外表面與周圍±層之間的摩擦系數(shù)；
[0015] Ps-頂進時頂管掘進機的迎面阻力。
[0016] 工程實踐結(jié)果表明，當工程條件與理論假設(shè)吻合較好時，理論計算得到的頂推力 與實際頂推力的吻合程度也比較高。側(cè)摩阻力主要是通過管道(或隧道)周邊的±壓力進行 確定的，而±壓力的大小主要是由管道(或隧道)的幾何形態(tài)決定的，不同的管道類型具有 各不相同的幾何形狀。因此，根據(jù)不同的管道(或隧道)類型，考慮具體的地層條件和頂管施 工方法，提出針對性的頂推力計算方法一直是影響頂管法發(fā)展的核屯、問題。
[0017] 近年來，隨著城市建設(shè)的不斷推進和機械化程度的提高，頂管法呈現(xiàn)大型化發(fā)展 趨勢，越來越多的市政隧道，人行通道及大型管涵等開始采用頂管法進行施工，而運些隧道 結(jié)構(gòu)一般并非圓形結(jié)構(gòu)，如市政隧道一般供機動車和非機動車通行，需要滿足相應(yīng)的建筑 限界，因此尺寸相對較大，橫向跨度一般大于10m，高度也在5mW上，若采用圓形斷面必定會 增大隧道開挖量，造成施工成本過高;若采用標準矩形，則必然會在角點和跨中產(chǎn)生較大的 應(yīng)力集中，造成隧道結(jié)構(gòu)整體厚度過大，因此一般設(shè)計成仿矩形斷面，即在隧道四周進行過 渡段處理(甚至設(shè)計成馬蹄形等形式）。
[0018] 由于市政隧道的斷面形狀與傳統(tǒng)的管道形態(tài)差異極大，一般的頂推力計算方法得 到的頂推力與實際頂推力差異極大，難W有效地進行工程指導(dǎo)。為此，王承德等人在《頂管 施工技術(shù)及驗收規(guī)范》計算公式的基礎(chǔ)上提出了標準矩形管道側(cè)摩阻力的計算公式，W期 適用于市政隧道等非圓形管道工程中，但標準矩形斷面仍然與實際的市政隧道存在較大差 異，其計算結(jié)果誤差仍難W滿足實際工程要求。因此，針對大型市政頂管隧道的幾何特征， 提出相應(yīng)的側(cè)摩阻力和頂推力計算方法已經(jīng)顯得非常必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 本發(fā)明的目的是針對市政隧道的仿矩形幾何特征，提供一種適用于深埋條件下仿 矩形頂管隧道側(cè)摩阻力計算方法，解決深埋條件下大型市政頂管隧道側(cè)摩阻力和頂推力的 準確計算問題。
[0020] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，適用于深埋條件下仿矩形市政頂管隧道側(cè)摩阻力計 算方法，通過W下公式計算管壁摩擦阻力P:
[0021]
[0022] 式中，
[0023] Q一一作用于隧道四周單位長度上的總±壓力；
[0024] CO --頂管隧道單位長度的自重；
[0025] f一一頂進過程中，頂管隧道外表面與周圍±層之間的摩擦系數(shù)；
[00%] 丫 一一管道壓力拱所在上層的重度；
[0027] D-一頂管隧道的四周圓形倒角半徑；
[0028] a，b-一隧道的特征幾何參數(shù);其中：a為隧道頂/底板直線段寬度的一半，b為管節(jié) 邊墻直線段高度的一半；
[00巧]fK-±的堅固系數(shù)；
[0030] h-壓力拱的矢高；
[0031] C-壓力拱跨度的一半；
[0032] hi一一管節(jié)頂(底)板曲直結(jié)合部對應(yīng)的±壓力拱線高度，即管節(jié)頂(底)板曲直結(jié) 合部對應(yīng)的隧道頂板至±壓力拱線的垂直距離；
[0033] h2一一管節(jié)邊墻外表面對應(yīng)的±壓力拱線高度，即管節(jié)邊墻外表面對應(yīng)的隧道頂 板至±壓力拱線的垂直距離；
[0034] Ki一一主動±壓力系數(shù)，可授 巧定，其中，巧為管節(jié)所在±層的內(nèi) 摩擦角，對于粘性±地層，則取等效內(nèi)摩擦角；
[0035] 進一步的，若頂管管道/隧道壓力拱所在±層為非單一地層，且各層的重度各異 時，則丫取各上層的加權(quán)平均值，計算方法為丫= E (丫出0/Ehi，
[0036] 其中，
[0037] 丫 1 一一壓力拱所在±層中第1層±的重度；
[0038] hi-一壓力拱所在±層中第1層±的厚度。
[0039] 進一步的，所述±的堅固系數(shù)fK為一無量綱的經(jīng)驗系數(shù)，其計算方法為：Tk = Rc/ 10,其中，
[0040] Rc一一巖石單軸飽和抗壓強度。
[0041] 進一步的，所述頂管隧道外表面與周圍±層之間的摩擦系數(shù)f，具體可采用現(xiàn)場實 驗的方法確定;若不具備實驗條件，可按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(GB50007-2011)》的基 底摩擦系數(shù)選取;若隧道縱坡為e，則摩擦系數(shù)應(yīng)取;若隧道為變縱坡時，則摩擦系數(shù)f COSp 應(yīng)分段計算，計算方法3
，其中，
[0042] 權(quán)一一沿隧道縱向第i段縱坡坡度；
[0043] Ii-一縱坡坡度為權(quán)時所對應(yīng)的隧道長度；
[0044] fi一一縱坡坡度為01的長度范圍內(nèi)對應(yīng)的管節(jié)-上摩擦系數(shù)；
[0045] L一一隧道的總長度。
[0046] 進一步的，所述頂管隧道單位長度的自重CO計算方法為：
[0047] ? = ht X (化D+4a+4b) X 丫 t [004引 其中，
[0049] ht一一混凝±襯擱的厚度；
[0化0] Yt-混凝±的容重。
[0051]本發(fā)明的有益效果是:針對市政隧道結(jié)構(gòu)的工程特征，提出一種適用于深埋條件 下仿矩形頂管隧道側(cè)摩阻力的計算方法，解決目前相關(guān)計算方法在確定市政隧道頂推力時 的結(jié)果不準確問題，為常規(guī)頂管法應(yīng)用于大型市政隧道提供必要的理論支撐，改善大型隧 道頂管施工中基礎(chǔ)理論滯后于工程實踐的現(xiàn)實。同時本發(fā)明對確定頂管機械和工藝的選 取、控制頂進速度和實現(xiàn)頂推力的實時調(diào)節(jié)也具有重要的指導(dǎo)意義。市政隧道中的重點和 難點工程一般會不同程度地設(shè)及到深埋條件，提出一種適用于深埋條件下仿矩形頂管隧道 側(cè)摩阻力的計算方法保證該類工程順利完成的關(guān)鍵技術(shù)問題。
【附圖說明】
[0052] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可W 根據(jù)運些附圖獲得其他的附圖。
[0053] 圖1是深埋條件下仿矩形市政隧道壓力拱理論計算簡圖。
[0054] 圖2是壓力拱拱軸線計算簡圖。
[0055] 圖3是管頂±壓力積分圖。
[0056] 圖4是管道右側(cè)±壓力積分圖。
【具體實施方式】
[0057] 下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0058] 本發(fā)明從普氏自然平衡拱±壓力理論出發(fā)，針對部分市政隧道埋深達到深埋條 件，采用普氏壓力拱理論計算出隧道附近的±壓力分布，然后結(jié)合市政隧道的幾何特征，對 隧道上、下、左、右4個側(cè)面進行相應(yīng)的線積分，求得作用于隧道結(jié)構(gòu)的總±壓力計算公式， 最后考慮隧道管節(jié)與地層之間的摩擦效應(yīng)，得到適用于深埋條件下防矩形市政頂管隧道側(cè) 摩阻力的計算方法。
[0059] (1)±壓力的計算方法：
[0060] 根據(jù)普氏理論，對于深埋隧道，頂管施工引起的±層松動并未一直延伸到地表，在 深度較大的穩(wěn)定±層中會形成±拱。由于±拱效應(yīng)的存在，地表W下的一部分±體實際上 是能夠保持自穩(wěn)的，并未對下層±體形成±壓力，而作用在隧道頂部的壓力就是壓力拱內(nèi) ±體的自重對隧道頂部的正壓力，并在管道(隧道）的側(cè)壁處，沿與側(cè)壁夾角為45-口/2的方 向產(chǎn)生兩個滑動面。圖1為深埋條件下仿矩形市政隧道壓力拱理論計算簡圖。
[0061] 由圖1可知，隧道受力W及壓力拱中屯、線是左右對稱，取其右側(cè)進行分析，如圖2所 示。在圓弧段角度為目上取一微量d0，對應(yīng)的長度為ds，作用在ds的垂直±壓力為dNv，正壓 力為dN。
[0062] 根據(jù)力的分解法則，易知：
[0063]
(2)
[0064] q2一一作用于圓弧段微元體上的±壓力；
[0065] 拱軸線上任取一點AU, y)，根據(jù)普氏理論的基本假設(shè)，拱軸線上的±體不能受拉 的條件，外力對A點的彎矩應(yīng)取為零，則有：
[0066] ^^)
[0067] 式中，
[0068] N一一作用在壓力拱拱頂截面處的水平力，具體見圖2;
[0069] h-一壓力拱的矢高，具體見圖2;
[0070] T一一壓力拱上方±體自重產(chǎn)生的均布荷載，具體見圖2;
[0071] D一一管節(jié)隧道的特征幾何參數(shù)，即：管節(jié)的四周圓形倒角半徑，具體見圖1;
[0072] b-一管節(jié)隧道的特征幾何參數(shù)，即：管節(jié)邊墻直線段高度的一半，具體見圖1。
[0073] 式(3)中的N，T為未知數(shù)，建立水平方向的受力平衡方程，即：
[0074] N=N' (4)
[0075] 式中；
[0076] N'為作用在拱腳截面處力的水平分量，具體見圖2。
[0077] 普氏認為拱腳的水平推力應(yīng)小于或等于豎向的摩擦力，W保持壓力拱拱腳的穩(wěn) 定，即滿足：
[007引 N'《QcfK 巧）
[0079] 式中，
[0080] Qc一一作用在拱腳截面處±壓力的豎向分量，具體見圖2;
[0081] fK--±的堅固系數(shù)，一般取fK = Rc/10，
[0082] 其中，
[0083] Rc一一巖石單軸飽和抗壓強度。
[0084] 為了安全起見，令：
[0085]
(6)：
[0086] 將式(4)和式(6)代入式(3)中，可得到拱軸線的曲線方程為：
[0087] Y =化+b+D)-x2/cfK (7)
[008引 式中，
[0089] h-一壓力拱的矢高，見圖2所示。
[0090] C一一壓力拱跨度的一半，可由尋，見圖2所示， 其中，
[0091] a、b-一表征隧道幾何特征的參數(shù)，其中：a為隧道頂(底)板直線段寬度的一半，b 為管節(jié)邊墻直線段高度的一半，如圖1所示；
[0092] W一一隧道所在±層的內(nèi)摩擦角，對于粘性±地層，則取等效內(nèi)摩擦角；
[0093] 當x = c，y = b+D時，代入式(7)，得：
[0094]
W
[00M]由此可知，壓力拱的高度等于壓力拱跨度的一半除^±體的堅固系數(shù)。
[0096]
巧）
[0097] 式中，
[009引hi-一管節(jié)頂(底)板曲直結(jié)合部對應(yīng)的±壓力拱線高度，即管節(jié)頂(底)板曲直結(jié) 合部對應(yīng)的±壓力拱線至隧道幾何中屯、的垂直距離，如圖1所示。
[0099] h2一一管節(jié)邊墻外表面對應(yīng)的±壓力拱線高度，即管節(jié)邊墻外表面對應(yīng)的±壓力 拱線至隧道幾何中屯、的垂直距離，如圖1所示。
[0100] (2)管道頂部的±壓力造成的正壓力
[0101] 由普氏壓力拱理論計算簡圖（如圖1)，管頂±壓力可分為兩部分，分別是：
[0102]
(10)
[0103] 式中，
[0104] qi一一管節(jié)頂部水平直線段對應(yīng)的垂直±壓力，具體見圖3;
[0105] Q2一一管節(jié)角點過渡段對應(yīng)的垂直±壓力，具體見圖3;
[0106] 在圓弧段角度為目上取一微量d目，對應(yīng)的長度ds，作用在ds的垂直±壓力為dNv，正 壓力為dN。
[0107] 由式(2)可知，管道頂部的±壓力造成的正壓力為：
[0108: (。)
[0109；
[0110：
[0111： 腳
[0112] 式中，
[0113] Qa-一管節(jié)邊墻上部圓弧段對應(yīng)的水平±壓力，具體見圖4;
[0114] Qb-一管節(jié)邊墻豎直段對應(yīng)的水平±壓力，具體見圖4;
[0115] q。一-管節(jié)邊墻下部圓弧段對應(yīng)的水平±壓力，具體見圖4;
[0116] Ki--主動±壓力系數(shù)，一般地，
，其中，口為砂性±的內(nèi)摩擦 角，粘性±取等效內(nèi)摩擦角。
[0117] 同樣地，在圓弧段角度為目上取微量d0，對應(yīng)的長度ds，作用在ds的垂直±壓力 dMv，正壓力為dM。
[0119] (13)
[0118] 同理，得到管道頂部±壓力施加的正壓力，得：
[0122] (4)深埋仿矩形頂管隧道管壁摩阻力計算方法：[0123] 根據(jù)±壓力分布的對稱性，即：
[0120] 壓力為： 閨 (14;
[0124]
(15)
[0125] 得到隧道四周受到的總±壓力為：
[0126] Q = 2(N+M) (16)
[0127] 將式（11)和式（14)帶入式（16)，得到深埋仿矩形盾構(gòu)頂管管壁摩阻力的計算公式 為：
[012 引
[0129] 式中，
[0130] D一一頂管隧道的四周圓形倒角半徑；
[0131] a，b-一隧道的特征幾何參數(shù)，其中：a為隧道頂(底)板直線段寬度的一半，b為管 節(jié)邊墻直線段高度的一半，如圖1所示；
[0132] ht--混凝±襯擱的厚度，（m);
[0133] O--頂管隧道單位長度的自重化N/m)，一般地，《=htX(2柿+4a+4b)X 丫 t，其 中，丫 t為混凝±的容重，（kN/m3)，可根據(jù)現(xiàn)場測試或相關(guān)規(guī)范確定，ht為混凝±襯擱的厚 度；
[0134] f--頂進過程中隧道外表面與周圍±層之間的摩擦系數(shù)，具體可采用現(xiàn)場實驗 的方法確定;若不具備實驗條件，可參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(GB50007-2011)》中的基 底摩擦系數(shù)選取;若隧道縱坡為e，則摩擦系數(shù)應(yīng)取;若隧道為變縱坡時，則摩擦系數(shù)f 應(yīng)分段計算，計算方法！
庚中，
[0135] 權(quán)一-沿隧道縱向第i段縱坡坡度；
[0136] Ii-一縱坡坡度為權(quán)時所對應(yīng)的隧道長度；
[0137] fi-一縱坡坡度為權(quán)的長度范圍內(nèi)對應(yīng)的管節(jié)-±摩擦系數(shù)；
[013引 L一一隧道的總長度。
[0139] W上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在 本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發(fā)明的保護范圍 內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 適用于深埋條件下仿矩形市政頂管隧道側(cè)摩阻力的計算方法，其特征在于，通過以 下公忒i+笪作用干隧道管辟的側(cè)塵陽力P，式中， Q一一作用于隧道四周單位長度上的總土壓力； ω -一頂管隧道單位長度的自重； f一一頂進過程中，頂管隧道外表面與周圍土層之間的摩擦系數(shù)； T一一管道壓力拱所在土層的重度； D一一頂管隧道的四周圓形倒角半徑； a，b-一隧道的特征幾何參數(shù)，其中：a為隧道頂/底板直線段寬度的一半，b為管節(jié)邊墻 直線段高度的一半； fK一一土的堅固系數(shù)； h--壓力拱的矢尚； c一一壓力拱跨度的一半； hi一一管節(jié)頂/底板曲直結(jié)合部對應(yīng)的土壓力拱線高度，即管節(jié)頂/底板曲直結(jié)合部對 應(yīng)的土壓力拱線至隧道幾何中心的垂直距離； h2-一管節(jié)邊墻外表面對應(yīng)的土壓力拱線高度，即管節(jié)邊墻外表面對應(yīng)的土壓力拱線 至隧道幾何中心的垂直距離； Ki一一主動土壓力系數(shù)，可按& =ian2(45 -f)確定，其中，為管節(jié)所在土層的內(nèi)摩擦 角，對于粘性土地層，則取等效內(nèi)摩擦角。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于深埋條件下仿矩形市政頂管隧道側(cè)摩阻力計算方法， 其特征在于，若頂管管道/隧道壓力拱所在土層為非單一地層，且各層的重度各異時，則γ 取各土層的加權(quán)平均值，計算方法為γ = Σ ( γ ihi)/Ehi， 其中， T1一一壓力拱所在土層中第i層土的重度； h,一一壓力拱所在土層中第i層土的厚度。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于深埋條件下仿矩形市政頂管隧道側(cè)摩阻力計算方法， 其特征在于，所述土的堅固系數(shù)fK為一無量綱的經(jīng)驗系數(shù)，其計算方法為:f K=Rc/l〇,其中， Rc--巖石單軸飽和抗壓強度。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于深埋條件下仿矩形市政頂管隧道側(cè)摩阻力計算方法， 其特征在于，所述頂管隧道外表面與周圍土層之間的摩擦系數(shù)f，具體可采用現(xiàn)場實驗的方 法確定;若不具備實驗條件，可按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(GB50007-2011)》的基底摩擦 系數(shù)選取;若隧道縱坡為β，則摩擦系數(shù)應(yīng)取^ ;若隧道為變縱坡時，則摩擦系數(shù)f應(yīng)分段 GOS p 計算，計算方法，_其中， β?--沿隧道縱向第i段縱坡坡度； Ii--縱坡坡度為Pi時所對應(yīng)的隧道長度； fi一一縱坡坡度為&的長度范圍內(nèi)對應(yīng)的管節(jié)-土摩擦系數(shù)； L--隧道的總長度。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于深埋條件下仿矩形市政頂管隧道側(cè)摩阻力計算方法， 其特征在于，所述頂管隧道單位長度的自重ω計算方法為： ω = ht X (2jrD+4a+4b) X y t 其中， ht 混凝土襯砌的厚度； Tt--混凝土的容重。
【文檔編號】G06F19/00GK106021959SQ201610419960
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月14日
【發(fā)明人】楊偉超, 吳貴航, 彭立敏, 施成華, 雷明鋒, 尹榮申
【申請人】中南大學(xué)