超长距离顶管顶力估算与中继间设置研究.pdf

内蒙古电力技术66INNERMONGOLIA ELECTRICPOWER引用格式：肖志军，张亮亮，曹波，等.超长距离顶管顶力估算与中继间设置研究J.内蒙古电力技术，2 0 2 3,41(4)：6 6-7 2.XIAO Zhijun,ZHANG Liangliang,CAO Bo,et al.Research on Jacking Force Estimation and Relay Room Seting of Ultra-LongDistance Pipe JackinglJJ.Inner Mongolia Electric Power,2023,41(4):66-72.2023年第41卷第4期超长距离顶管顶力估算与中继间设置研究肖志军，张亮亮，曹波，罗彦（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州510 6 6 3）摘要：对顶力估算及中继间设置在设计施工过程中的关键技术进行研究，分析实测顶力与估算顶力的对比情况、中继间设置及使用情况。以珠海某2 2 0 kV电缆线路穿越马洲水道顶管工程为例，该超长距离顶管单次顶进10 2 2 m，使用2.2 m内径的钢筋混凝土管，穿越地层有黏土、淤泥质土、粗砂等。先按规范进行顶力估算及中继间设置，工程实施过程中实测顶力变化情况，获得估算顶力与实测顶力的对比曲线，反算出实测平均摩阻力的变化曲线。理论分析与工程监测结果对比表明：正常顶进条件下，全程平均摩阻力可以降低到1.5kPa左右，但在停止顶进48 h后再次启动时，全程平均摩阻力急剧增加到4.1kPa，实测总顶力接近估算顶力值，表明应用触变泥浆减阻、连续顶进时管浆管土部分接触是超长距离顶管的理想状态。综合分析认为，顶力控制是超长距离顶管成功的关键，并提出按地层分段进行平均摩阻力取值的建议，同时提出中继间配置方案。关键词：顶管；顶力估算；超长距离；平均摩阻力；中继间文献标志码：A中图分类号：TU994;TM757文章编号：10 0 8-6 2 18(2 0 2 3)0 4-0 0 6 6-0 7doi:10.19929/ki.nmgdljs.2023.0057Research on Jacking Force Estimation and Relay Room Setting of Ultra-LongDistance Pipe JackingXIAO Zhijun,ZHANG Liangliang,CAO Bo,LUO Yan(China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Guangzhou 510663,China)Abstract:This paper explores the critical technologies in the design and construction process of the jacking force estimationand relay room setting.The comparison between the measured and estimated jacking force,and the setting and use of relayroom are also studied.Based on the pipe jacking project of a 220 kV cable line project crossing the Monkey Islandwaterway in Zhuhai,the ultra-long distance pipe jacking project involves a single jacking of 1022 m,and uses reinforcedconcrete pipes with an inner diameter of 2.2 m.The crossing stratum includes clay,mucky soil,coarse sand,etc.Firstly,the jacking force is estimated and the relay room is set according to the specifications.Then,during the implementation ofthe project,the variation of the jacking force is measured.Finally,the comparison curve between the estimated jackingforce and the measured jacking force is obtained.The variation curve of the measured average friction is inverselycalculated.The comparative analysis between theoretical calculation and measured results shows that under normal jackingconditions,the average frictional resistance in the whole process can be reduced to about 1.5 kPa.However,after thejacking has been stopped for 48 hours,when starting again,the average frictional resistance in the whole process increasedsharply to the level of 4.1 kPa.The measured total jacking force is close to the estimated jacking force value,indicatingthat using thixotropic mud to reduce resistance and continuous jacking is an ideal state for ultra-long distance pipe jacking.This paper proposes that jacking force control is the key to the success of ultra-long distance pipe jacking,and it issuggested to take the average frictrional resistance value according to the stratum section,and the configuration scheme ofrelay room is proposed.Key words:pipe jacking;jacking force estimation;ultra-long distance;average frictional resistance;relay room基金项目】中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司科技项目“50 0 kV地下输电线路关键设计技术研究”(EV06201W)2023年第41卷第4期0引言顶管工艺的首次应用可以追溯到18 9 6 年美国的一项铁路工程，二十世纪50 年代引人中国，随着技术的不断发展，广泛应用于电力、油气、水利等管道的铺设2-9。在电缆线路工程中,顶管工艺广泛应用于电缆隧道以及非开挖穿越工程。近年来，在顶管工艺的实践逐步取得突破，顶管的穿越长度越来越长，超长距离顶管的代表性工程越来越多。学者们针对顶管顶力的计算方法进行了大量研究。陈孝湘等0 对厦门翔安某海底综合管廊工程管实测顶力进行分析，该工程采用内径3.0 m混凝土管，单次顶进98 2 m，穿越土层为粗砂，粉质黏土，残积砂质黏性土，研究得出管壁与土的平均摩阻力f取值比CECS2462008给水排水工程顶管技术规程要求低,全程在3kPa以下。向安田等12 调查了6 个典型工程的管壁平均摩阻力情况，并研究了上海某曲线顶管工程的实测顶力，该工程采用内径2.7m的混凝土管，单次顶进550 m，穿越土层为淤泥质黏土层和粉质黏土层。研究得出顶力呈全程剧烈震荡上升的特点，在早期的高位震荡后，,平均摩阻力快速减少,最后稳定在1.0 kPa左右。林国新13对福州市某110 kV电缆线路工程实测顶力进行分析,该工程采用内径2.4m混凝土管，一次顶进6 2 5m，穿越土层为淤泥和淤泥质土层，研究认为实测顶力远小于规程建议下限值叫，可以合理减少中继间数量。上述研究针对顶管顶力的计算方法进行了大量研究，结合工程实测数据及经验认为规范给出的平均摩阻力建议值考虑的因素众多，取值区间较大，对超长距离顶管的顶力估算影响较大。本文针对珠海某2 2 0 kV电缆线路穿越马骝洲水道顶管工程进行研究分析，单次顶进10 2 2 m，从设计角度重点讨论实测顶力变化情况，中继间设置及使用情况，为今后类似超长距离顶管工程设计施工提供参考。1摩阻力计算模型根据CECS246一2 0 0 8，将一次连续顶进长度1000m以上并设置中继间的顶管定义为超长距离顶管。超长距离顶管的代表性工程见表14-15。在超长距离顶管工程设计中，关键步骤是顶力估算及中继间设置。顶力主要由顶管机迎面阻力肖志军，等：超长距离顶管顶力估算与中继间设置研究Tab.1 Representative pipe jacking projects for ultra-longdistances年份工程2001嘉兴污水处理排海工程2008汕头第二过海水管工程2019珠海磨刀门水道顶管工程2020苏州阳澄湖引水工程2020重庆观景口水利枢纽工程以及管道外壁摩阻力组成。在超长距离顶管工程中，顶管机的迎面阻力所占比例极小，主要是管道外壁的摩阻力。对于摩阻力计算模型的研究目前主要有以下3种：（1）管土摩阻力，规程CECS246一2 0 0 8、GB502682008给水排水管道工程施工及验收规范16、广东省地方标准DBJ/T15-1062015顶管技术规程7 以及日本的推进工法体系18 均认为管道与土体完全接触，不同的地层摩阻力不同。（2）管浆摩阻力f,王双119等研究得出长距离顶管施工通过配合触变泥浆以形成泥浆套来减小阻力，结合半无限弹性体中圆柱孔扩张理论分析注浆压力和泥浆套范围的相关性，同时运用非线性流体力学得出泥浆与管壁接触产生的阻力。CB502682008在备注中指出，当触变泥浆技术成熟可靠，管外壁能形成和保持稳定、连续的泥浆套时，f值可直接取3.0 5.0 kPa。（3）管土+管浆摩阻力同时考虑：假定孔壁稳定，管片的小部分与土体存在接触，该计算方法的关键是管土和管浆接触面积的划分,Khazaei等2 0 采用Hezrt弹性接触理论研究管土和管浆接触宽度,同时考虑两界面的摩擦特性，最终获得管道摩阻力。张鹏等2 1在Persson接触模型基础上总结出管土接触范围和接触压力的分布规律，最终得到考虑管浆摩阻力的直线顶管顶进阻力公式。2顶力估算方法2.1国内规范方法目前国内顶力的估算方法已很成熟，CECS2462008、G B 50 2 6 8 2 0 0 8 和 DBJ/T 15-1062015均采用相同的估算方法，具体如式（1)所示：F,=TD.Lf.+NP,式中：F,一顶进阻力；D。一管道外径;67表1超长距离代表性顶管工程长度/m2050内径2 m混凝土管2080公称直径2 m钢管2329公称直径2.4m钢管2686公称直径2 m钢管3224内径2.6 5m混凝土管(1)管材及尺寸68力；N，一顶管机的迎面阻力。对于目前市场上常用的土压平衡或泥水平衡顶管机，迎面阻力即为顶管机前方的控制土压力。采用式(2)计算：N,=TDyHs,4式中：D.为顶管机外径；为土体重度；H为顶管中心的深度。考虑整个覆盖层厚度的土重力均作用于顶管机前方的情况，设计值较为保守，但对于超长距离顶管，顶管机的迎面阻力所占比例极小，主要是管道外壁的摩阻力。2.2日本JMTA顶进力计算方法日本推进技术协会(JMTA)出版的推进工法体系认为顶管设备在掘进过程中对周边土体扰动大，管道周边一定区域会出现塌落拱，管道与塌落土体摩擦形成阻力。作用于管片上的土压力模型采用修正Terzaghi模型计算，具体如图1所示。H图中：po一地表荷载；H一顶管覆土厚度；c一黏聚力；一土体内摩擦角；R一管道外径；B一塌落土拱影响半径o、一竖向土压力；po一地表荷载；q一管道上平均土压力。图1修正的Terzaghi土压力模型Fig.1 Modified Terzaghi soil pressure model（1）管道上的平均土压力q：B,B,q=1-eK,tandB,=Ro cot 22.5内蒙古电力技术L一管道顶井长度；式中：K。为土体侧压力系数，塌落状态取1.0;po为f一管道外壁与土接触单位面积平均摩阻地表荷载，可取10 kPa;Ro为隧洞半径，取管道外径Rp+0.04 mo（2）顶管直线段管片外表面单位面积摩擦力：9+TD(2)u,=tan2式中:D一管片外径;W一单位长度管片质量；，一内摩擦角参数；C一管片与穿越地层接触面上的黏聚力。同时，推进工法体系给出了各种穿越地层的摩擦力参数，如表2 所示。表2 各种地层摩擦力参数Tab.2 Various formation friction parameters管周地层内摩擦角）贯入度N/击流塑土15软塑土20硬塑土30Po硬质土C（3）顶管机刀盘推进阻力Fo。地下工程中，泥水平衡类掘进设备前方压力是最大的，所以文献16中采用泥水平衡顶管机刀盘推进阻力计算，给出了两种计算方法，如式(7）、式（8)所示：F。=13.2 D,N,F=(Pm+p.)D/4,45+/2式中:D一刀盘外径;BIN一土体贯入度；Pm一刀盘前方泥浆压力，取埋深地下水压力+20 kPa;P一刀盘掘进阻力，其取值如表3所示。表3刀盘掘进时的阻力取值Tab.3 Resistance value of cutterhead driving标准贯人度N/击50500（4）总顶力F计算公式：F=F+TD,Zf,L;,i=10(7)(8)(9)2023年第41卷第4期式中：f为穿越地层管片外表面单位面积摩擦力;L为穿越相应地层的长度；z为按不同地质类型划分的顶管区段总数量；i为第i个计算位置。2.3管土部分接触顶进力公式顶管掘进机刀盘外径往往会大于敷设管片外径10 0 mm左右，导致管道与开挖孔洞间存在间隙，现代顶管工程中应用大量触变减阻泥浆来填充这些间隙，泥浆同时会向周边地层渗透。顶管掘进机开挖的孔洞在管片和泥浆的相互作用下保持稳定。管片与稳定孔洞壁在重力和浮力的作用下只有部分接触，接触宽度如图2 中B所示，图中F为管片受力。周边士体顶管管片触变泥浆图2 管土部分接触示意图Fig.2 Schematic diagram of the contact between pipe and soilHaslem2采用圆柱孔内圆柱体的接触模型简化顶管管壁与孔壁接触问题,基于Herzt弹性接触理论求解如下：B=1.63P.h.C.,ka=D,D,/(D,-D,),1-?1-0PEE式中：P.一管道单位长度上的接触力；E。、E、一土体、管片的弹性模量；U一土体、管片泊松比；ka、C一计算参数。顶管机刀盘推进阻力F.按照2.2 节方法计算，管浆接触面上单位面积的摩擦力取0.3 0.5kPa。管土接触面上单位面积的摩擦力可以根据日本JMTA顶进力计算方法计算。也可以考虑管片的受力情况F在孔壁稳定条件下，不同管土接触界面的动摩擦和静摩擦系数,Stein总结了相关系数如表4所示。顶力计算公式如式(13)所示：肖志军，等：超长距离顶管顶力估算与中继间设置研究式中：B:为计算位置的顶管管壁与孔壁接触宽度；L为对应顶管接触长度；f为管浆接触面上单位面积的摩擦力;f为管土接触面上单位面积的摩擦力。B2.4中继间的设置中继间的设置应根据估算总顶力值、管材及工作井允许顶力、中继间总顶力、主顶总顶力等各种F因素确定。GB50268一2 0 0 8 要求一次顶进距离大于10 0 m应采用中继间技术。中继间的设置数量n按式(14)估算：TD,f.(L+50)n=0.7xf。式中：f为中继间的允许顶力值。中继间设置间距按式(15)估算：ki(F,-N,)S,=TD,f其中,计算参数ka取值为0.5 0.6,即一个中继间的总顶力仅考虑一半左右发挥作用；F为中继间的控(10)制顶力。2.5工程概况与顶力估算(11)珠海某2 2 0 kV电缆线路工程穿越马骝洲水道顶管工程,马骝洲水道为国家一级航道,水面宽阔，水深大，本段顶管单次顶进10 2 2 m，采用2.2 m内径(12)的钢筋混凝土管，管材采用C50高性能防腐混凝土，平均覆土厚度约为2 3m，平面及纵断面上均设计为直线顶进，穿越地层及管壁单位面积平均摩阻力取值见表5，纵断面图见图3。结合各种计算方法，统计不同土层穿越长度相表5顶管穿越地层信息Tab.5 Information of pipe jacking crossing stratum穿越平均摩穿越地层地层状态c/kPa0/(o)长度/m阻力/kPa粉质黏土可塑淤泥质土流塑黏土软塑可塑181粗砂中密69表4不同管土接触界面的摩擦系数Tab.4 Friction coefficient of different pipesoil contact interfaces系数混凝土界面与砂砾静摩擦系数混凝土界面与黏土混凝土界面与砂砾滑动摩擦系数混凝土界面与黏土F=F+Zf.B,f(nD,-B,),143032263318511数值0.50.60.30.40.30.40.20.3(13)(14)(15)N/击1314952.41213030106.416停止701号工作井填石淤泥图3顶管穿越地层纵断面图Fig.3 Vertical section of pipe jacking crossing stratum关计算结果汇总如表6 所示。各个不同地层单位面积平均摩阻力如表7 所示。表6 顶力计算结果Tab.6 Calculation results of jacking force estimation参数迎面阻力/kN管片摩阻力/kN总阻力/kN管材允许顶力/kN主顶最大顶力/kN中继间最大顶力/kN中继间承担总顶力/kN中继间数量/个表7 单单位面积摩阻力计算结果Tab.7 Calculation results of frictionalresistanceperunitarea项目GB502682008粉质黏土3淤泥质土3黏土3粗砂11根据表7 计算结果，顶管机迎面阻力在顶进总阻力中占比极小，顶进摩阻力对顶进总阻力的控制至关重要，本工程始发井主顶配置1个16 0 0 0 kN允许顶力的主顶，5个10 0 0 0 kN允许顶力的中继间，按以往工程经验以及工程地质条件，穿越地层局部在中密的粗砂层中,摩阻力较大,所以在顶管机头后方50 m位置设置第1个中继间，5个中继间的布置方案见表8。3顶力实测与分析本工程单次顶进10 2 2 m，为超长距离顶管工程，选用了德国海瑞克的AVN2200AC泥水平衡顶管机，顶管机后设置气压舱。顶进过程中充分使用触变泥浆减阻技术,对于顶管机后2 0 0 m范围的管内蒙古电力技术2号工作井Tab.8 Layout scheme of relay room填填石马骝洲水道粉质黏土粗砂GB502682008日本JMTA管土部分接触226637 7043997038 947.444.56日本JMTA4.772.735.1712.252023年第41卷第4期表8 中继间布置方案项目里程/m始发井0第1个中继间252淤泥第2 个中继间第3个中继间第4个中继间第5个中继间材，每节2.5m长管材均进行4路注浆，再往后每2 节管材进行4路注浆减阻，历时10 0 天完成了全线1022m顶进。顶进过程非常顺利，全程对顶力进行监测，各方法估算顶力与实测顶力对比曲线情况如图4所示。246024604869014.260511501672015109160001000050668.476.24管土部分接触0.990.761.031.43备注主顶位置间距2 52 m432间距18 0 m612间距18 0 m792间距18 0 m972间距18 0 mx10350实测顶力40-CGB502682008+JMTA顶力计算+管土、管浆共同作用NV302015 095.47100.36010020030040050060070080090010001100kPa图4估算顶力与实测顶力对比曲线Fig.4 Comparison curve between estimated andmeasured jackingforce从图4可以看出，实测顶力在整个顶进过程中控制得非常好，总顶力上升极为缓慢，证明触变泥浆注浆后减阻效果非常好。正常顶进过程中,随着顶进长度的增加，实测顶力与管土、管浆共同作用估算顶力一致，与GB50268一2 0 0 8、日本JMTA的顶力估算值相差较大。连续顶进过程中，全程没有启动中继间,顶管工作顺利且高效。但到最终10 2 2 m接收井位置时，接收井的接收工作没有做到无缝对接，导致顶管在接收井位置停止顶进48 h。当再次顶进时，总顶力急剧上升，主顶无法顶动，连续启动了3组中继间才实现重新顶进。此时实测顶力非常接近GB50268一2 0 0 8 估算顶力。以上分析表明，在超长距离顶管工程设计过程中，需严格对穿越地层进行分段，为了应对超长距离顶管作业过程中的长时间停止顶进情况,平均摩阻力可取规范建议的最低值。计算方案中需留有足够的顶力及中继间安全裕度来应对各种意外情况。同时施工过程需密48小时顶进黏土淤泥质土粗砂粗砂淤泥质土顶进距离/m2023年第41卷第4期切配合，对于超长距离顶管，其理想状态是连续顶进，在其顶进至接近甚至超过10 0 0 m时，需严防因意外导致长时间停止顶进的情况发生。根据现场实测顶力，剔除顶管机迎面阻力后，可以反算出顶进过程中的平均摩阻力，绘制平均摩阻力的估算值与实测值对比曲线，如图5所示14一实测摩阻力12-+-GB502682008日本JMTA计算10管土、管浆共同作用6400100 200300 400 500 600 700 800 900 1000 1100图5平均摩阻力的估算值与实测值对比曲线Fig.5 Comparison curve between estimated andmeasured average frictional resistancce从图5可以看出，实测平均摩阻力在前2 0 0 m较大，超过2 kPa。后续2 0 0 10 0 0 m的顺利连续顶进过程中,平均摩阻力非常小,均小于2 kPa,且大部分时间接近1.5kPa的水平。数据曲线在顶进6 50 m位置进入粗砂层时，实测平均摩阻力会有一点小的跳跃变化，但即刻又变得平缓。由图5可知，超长距离顶管，触变泥浆减阻技术应用得当，管外壁能形成和保持稳定、连续的泥浆套，顶管顶力估算完全适用管土管浆共同作用模型，可以克服粗砂层原有较大摩阻力的影响。但本工程粗砂层穿越长达18 5m，平均摩阻力较大，考虑到顶管在砂层停止顶进的状态，建议第一个中继间设置在顶管机后方约50 m位置，以防意外停机而导致重新顶进时，顶力急剧增大的情况。本工程实测顶力反算平均摩阻力数据表明，正常顶进条件下，全程平均摩阻力可以降低到1kPa左右的水平，但发生48 h停止顶进后，再次启动时，全程平均摩阻力急剧增加到4.1kPa水平。实测总顶力接近GB50268一2 0 0 8 规范方法估算顶力值。目前大部分文献认为普通顶管的管壁单位面积平均摩阻力远小于规范建议值，但对于超长距离顶管，顶管距离越长，风险越大。建议超长距离顶管工程严格对穿越地层进行分段，平均摩阻力取规范建议的最低值以计算总顶力，再合理配置中继间。肖志军，等：超长距离顶管顶力估算与中继间设置研究4结论本文针对珠海某2 2 0 kV电缆线路工程穿越马骝洲水道10 2 2 m超长距离顶管工程进行分析，重点研究各方法顶力估算值与实测值的对比曲线，反算出全线实测平均摩阻力的变化情况。根据设计的中继间设置方案，结合现场中继间实际使用情况，得出超长距离顶管工程顶力计算及中继间设置的粗砂粗砂一些结论，具体如下。（1）超长距离顶管过程中，在充分应用触变泥浆减阻技术条件下，连续顶进是超长距离顶管的理想状态；（2）结合对图4的分析，顶管顶进到接近甚至超过10 0 0 m时，需要严防意外导致长时间停止顶进的情况发生；（3）结合对图5的分析，建议超长距离顶管工顶进距离/m程严格对穿越地层进行分段，平均摩阻力取GB50268规范建议的最低值以计算总顶力，再合理配置中继间；（4）针对本工程超长距离顶管穿越地层局部为中密的粗砂层中，平均摩阻力较大,建议第一个中继间设置在顶管机后方约50 m位置，以防意外停机而导致重新顶进时，顶力急剧增大的情况。参考文献：1余彬泉陈传灿.顶管施工技术M.北京：人民交通出版社，2 0 18.2王祺，周毅，顾广宇，等.阳澄湖引水工程超长距离钢顶管施工技术.中国市政工程，2 0 2 0(6)：33-37,111-112.WANG Qi,ZHOU 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9)，男，湖南人，学士，高级工程师，从事电缆线路结构设计及研究工作。E-mail:张亮亮（198 2），男，河南人，硕士，高级工程师，从事高压输电线路结构设计及研究工作。E-mail:曹波(198 5),男，湖南人，硕士，高级工程师,从事电缆线路结构设计及研究工作。（通信作者)E-mail:2023年第41卷第4期