【2017年整理】浅析顶管施工的顶力配置

1、浅析顶管施工的顶力配置摘要：本文结合实例，对顶管施工中常见的顶力计算及中继间配置方法，提出几点看法。关键词：顶管施工；中继间；顶力配置一、 概述近几年顶管施工技术在福州的市政排水管网工程中已得到充分普及和应用，并取得了良好的社会和经济效益，但在施工过程中也发现一些问题，在此提出来共同探讨。、 有关顶力配置的问题在几年的工作实践及与同行的交流过程中发现，在顶管施工的顶力计算与中继间（中继站）配置计算上，同业之间存在一些差异和概念上的模糊，导致在实际施工中，同等条件下中继间位置和数量设置存在较大差异。虽然有经验的施工队凭借自己多年的现场施工经验，有自己的一套处理措施进行调整和弥补，以保证顶进施工顺利进行，一般不至于出现什么大的施工障碍和麻烦，但由此产生的一些成本和安全隐患问题应该引起足够的重视。（一）中继间设置过多：对于施工方会造成不必要的设备及材料浪费，并影响工期；对于业主，由于中继间增加，顶进级数相应增加，工程造价也随之提高。（二）中继间设置过少：造价看似节省，但因达不到续顶要求，冒险顶进势必增加主站和管材负担，造成安全隐患。此时必须及时提高触变泥浆密度及泥浆量以减少管壁磨阻力，增加主

2、站顶进功率，提高工作井井壁和顶管管材的强度，由此造成的工程造价反而大大增加。虽然中继间的配置计算一般都考虑了一定的富余系数，但是受地质勘察条件的限制，顶管施工的不可遇见性仍比其它施工项目要大，因此，谨慎从事还是十分必要的。三、 顶力配置计算与分析顶力的计算公式很多，但依据的基本理论是一样的，若条件设置一定，最终的计算结果应不会相差太大，本文采用日前最常用的经验公式并结合具体实例来推导说明。顶管的总顶力分为两部分：正面阻力和管道四周的摩擦阻力（总顶力也可理解为克服管道各种阻力向前推进所需的最小推动力）即 F=F1+F2 式中 F 为总顶力（KN）F1为工具管正面阻力（KN）F2为管壁摩阻力（KN）其中 F2=f2L 式中 L 为管道顶进总长度（m）f2为单位长度管道摩阻力（KN/m）在触变泥浆护壁条件下： f 2=Df ，式中 f 为管壁与土的平均摩阻力（ kN/m2）正面阻力（F 1）因工具管不同而各不相同。以目前最常使用的泥水平衡式根据管为例：F1=1/4*D 2H 式中 D 为工具管外径（m） 为土的重度（ KN/m3）H 为管顶覆土高（m）以上是顶力配置计算的基本公式，对此应不会

3、有异议，有争议的主要是中继间的位置设置与顶进级数的理解上。下面以某污水管网顶管工程中两个典型井段（11 #-12#井段和19#-20#井段）为例，来具体阐述顶力配置的计算过程。该工程地质条件隶属乌龙江古河道冲积淤积区，地层主要由冲积砂层及淤泥层组成，根据资料显示，上述两个井段都位于淤泥层中，其参数如下：11#-12#井段：管径 1200，覆土深（H ）6.66m，顶进间距 87.15m，工作井最大允许顶力 4000KN，管道最大允许顶力 2960KN，主顶油缸最大允许顶力4000KN。19#-20#井段：管径 1600，覆土深（H ）8.72m，顶进间距 216.3m，工作井最大允许顶力 4000KN，管道最大允许顶力 5634KN，主顶油缸最大允许顶力4000KN。顶力的配置应先判断是否需要设置中继间，当井位间距较短，主站顶力足够时，顶力由主站承担，管道可一次性顶完全程，不需要中继间；当井段距离较长时，总顶力将受到三个条件制约，这三个条件分别是：主站的最大允许顶力（由主顶油缸的额定功率决定） 。管道的最大允许顶力（由管材强度决定） 。主站后背墙或工作井的最大允许顶力（由沉井的设计强度

4、决定）总顶力 F 若超过这三个制约条件中任何一个（三个条件中取最小值） ，即 FP（P为三个允许顶力中最小的一个）就需要增设中继间助推。此时，中继间的设计顶力应小于或等于 P即 P”=P（P”为中继间设计顶力）通常取 P”= P工具管的正面阻力由一号中继间承担，其余中继间各承担其前段管道顶进，主站承担最后一段管道顶进。（一）11 #-12#井段顶力配置计算根据公式推导可知 F 1=1/4*1.442*16*6.66=173.46（KN） （ 取 16，f 取 5）F2= f2*L=3.14*1.44*5*87.15=1970.29（KN）则 F= F1+ F2=2143.8（KN）此时 FP （2960KN）未超过三个制约条件，不需要设置中继间，主站允许顶进管道的长度范围为：L 最短 =（FF 1）*K / f 2=78.43mL 最长 = (PF 1) *K / f2=110.92m （此时 K =K3=0.9）井段顶进间距 87.15m 在主站允许顶进长度范围内，属于 0 级顶进。上述推导中，工作系数 K 值的取定，在不设中继间的顶进范围内，至少应考虑 90%的富余系数。（二）19

5、 #-20#井段顶力配置计算根据公式推导：F 1=1/4*1.922*16*8.72=403.75（ KN）F2=3.14*1.95*5*216.3=6250.15（KN）F= F1+ F2=6294（KN）此时 FP （4000KN） ，需要设置中继间1 号中继环位置： L1=（PF 1）K 1/ f2=71.58（m） （K 1为工作系数，取0.6）中继环间距： L0= PK2/ f2=59.71（m） （K 2为工作系数，取0.45）主站顶进长度： Lm= PK3/ f2=119.43（m） （K 3为工作系数，取0.9）则该井段 216.3m 的顶进长度中0 级顶进 L0 级 = Lm=119.43（m） 1 级顶进 L1 级 = L1=71.58（m）2 级顶进 L2 级 = LL m L 1=25.3(m)中继环数量 n 的设置当 （LL 1）L m时，n=1 （LL 1）L m时，n=（LL 1）/ L 0（取整）因为 LL 1=144.72mL m 所以 n=（216.371.58）/59.71=2（个）中继环数量取 2 个。有中继间时的顶力配置计算中，容易造成概念不清

6、和理解错误的地方有两点：（一）顶进级数位置的确定有人按照从工作井到接收井的顺序来确定 0 级到 1 级再到 n 级的顶进顺序。正确的顺序应该是：1#中继环之前（朝接收井方向）的管道顶进长度为 1 级顶进长度，1#中继环之后（朝工作井方向）到 2#中继环之间的顶进长度为 2 级顶进长度，以此类推，直到主站最大允许顶进长度 Lm处，而 Lm就是 0 级顶进长度。这从顶力公式本身也可推导出，本文不再详述。（二）中继环数量的确定确定中继环的数量，要先理解中继环是如何设置并起作用的，当管道顶出长度等于 L1时，在起顶处要安装 1#中继环，此时 L1L m，仍由主站顶推，1#中继环并未发生作用，而是跟随管道共同前进，当顶管机头超过 Lm范围时，也就超出了主站顶推范围，此时 1#中继间起作用，继续推进前面的管道移动，而主站仍负责顶推 Lm范围内的管道前进，并以 L0的间距增设后续中继环，源源不断地推进超出 Lm范围的管道前进。顶完全程后会出现：起始段设置的中继环有些还未发生作用，顶管就已到头，那么该环是否需要设置？理论上该位置应设一个中继环，但是因为预先已测算出该中继环不起作用，所以实际施工时，可不设此中继环，仅此一项，整个标段大约可节省费用近 20 万元。总之，原则上只有发生作用的中继环才能计算数量。有中继间时的顶进示意图顶管顶力配置计算表井段 管径 覆土 H 顶管长 L F1 F2 F P Lm L1 L0 0 级顶进 1 级顶进 2 级顶进 n（系数）=16， f=5, k 1=0.6, k2=0.45 k3=0.911-12# 1200 6.66 87 174 1970 2144 2960 87 87 0 0 019-20# 1600 8.72 216 404 6520 6924 4000 119 71.6 59.7 119 71.6 25.3 2四、结论上述列举的两个井段是顶管工程中较典型的案例，经测算，一个井段上的顶力配置误差，对于整个合同段（造价大约 1 千万）会造成 40-50 万元左右的误差，并对整个工程的施工效率和安全操作造成不良影响，因此，正确理解和认真计算顶力配置是十分重要的一项工作。

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