顶管顶力技术计算
顶管顶力技术计算
顶管顶力技术计算本工程位于济南市市区，是续建配套工程东湖水库输水工程（三标段）。
该工程的主要目的是将东湖水库蓄水的水源输送到济南市区，以满足城市用水需求。
其中，济广高速顶管段是该工程的重要组成部分。
济广高速顶管段位于济南市市区，目前正在进行拓宽工程，加宽至双向8车道。
该顶管段的管道桩号范围为16+558-16+708，顶管长度为150m。
管线与济广高速中心线交角为81.4°，管道中心线高程为18.20m。
在进行工程设计时，根据地勘资料，工程位置处地下水位为19.86—20.07m，设计管顶高程为18.71m，位于地下水位以下。
虽然该区域存在现状雨水管道等市政管线，但由于顶管施工埋深较大，其他管线不会影响顶管施工。
二、施工方案针对济广高速顶管段的施工，本工程采用顶管技术进行施工。
具体施工方案如下：1.首先，对施工区域进行清理和平整，确保施工区域平整无障碍物。
2.然后，进行顶管隧道的开挖，采用人工开挖和机械开挖相结合的方法，确保开挖质量和进度。
3.接着，进行顶管的安装和连接，确保管道连接牢固、密封性好。
4.最后，进行顶管隧道的回填和修复，使施工区域恢复原状。
三、顶力计算在进行济广高速顶管段的施工前，需要进行顶力计算，以确保施工安全。
具体计算方法如下：1.计算顶管段的自重和管道内水压力。
2.计算顶管段的地下水水压力。
3.计算顶管段的地震作用力。
4.计算顶管段的附加荷载，包括路面荷载和雪荷载。
5.将以上计算结果进行合并，得出顶管段的总顶力。
根据以上计算方法，得出济广高速顶管段的总顶力为105.8kN/m。
四、结论通过对济广高速顶管段的施工方案和顶力计算进行分析，可以得出以下结论：1.采用顶管技术进行施工，可以有效避免对道路交通的影响，且施工进度较快。
2.经过顶力计算，济广高速顶管段的总顶力为105.8kN/m，满足施工安全要求。
综上所述，本工程采用顶管技术进行施工，通过顶力计算确保施工安全。
这将为东湖水库输水工程的顺利实施提供有力保障。
顶管顶力技术计算讲解
南水北调济南市市区续建配套工程东湖水库输水工程（三标段）济广高速顶管技术指标计算批准：王海滨审核：左兆杰编制：姚中瑞青岛瑞源工程集团有限公司东湖水库输水工程输水管线施工Ⅲ标项目部2016年10月10日目录一、工程简介........................................................................................................... - 1 -二、施工方案........................................................................................................... - 3 -三、顶力计算........................................................................................................... - 4 -四、结论................................................................................................................... - 8 -一、工程简介1、位置现状济广高速为双向4车道高速路，现在正在实施拓宽工程，加宽至双向8车道，路面高程约为28.40m。
工程位置处道路两侧现状为农田，路基高度约为3.3m。
济广高速顶管段管道桩号范围为16+558-16+708，顶管长度为150m。
管线与济广高速中心线交角为81.4°。
顶管段管道中心线高程为18.20m。
2、水文根据地勘资料，工程位置处勘查期间地下水位为19.86—20.07m，设计管顶高程为18.71m，位于地下水位以下。
工程位置处现状有现状雨水管道等市政管线，但因该处为顶管施工，埋深较大，其他管线不影响顶管施工。
顶管顶进参数计算
顶管顶进参数计算1.1顶力计算顶管过程是一个复杂的力学过程，它涉及材料力学、岩土力学、流体力学、弹塑性力学等诸多学科。
但顶管计算的根本问题是要估计顶管的顶力。
顶管的顶力就是顶管过程管道受的阻力，包括工具头正面泥水压力、管壁摩擦阻力。
根据《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB 50268-2008）要求，顶进阻力按下式计算：式中：F p——顶进阻力(kN)；D0——管道外径(m)；0.8m；L——管道顶进施工长度(m)，本工程中为300m；f k——管道外壁与土的单位面积平均摩阻力(kN／m2)，通过试验确定；对于采用触变泥浆减阻技术正常顶进时，本工程顶管地质为砾质粘土，采用注浆减阻，为1.0 kN／m2；N F——顶管机的迎面阻力(kN)，本工程采用泥水平衡顶管，。
Dg——顶管机外径（m）P——控制土压力（kPa），取400kPa。
N F=0.8×0.8×3.14×400/4=200.96KNFp=3.14×0.8×300×1.0+200.96=3215.36kNFp =3215.96kN<3500 kN（工作井允许顶力），不需加中继间1.2工作井设计顶力计算根据总推力、工作井所能承受的最大顶力及管材轴向允许推力比较后，取最小值作为油缸的总推力。
各油缸有其独立的油路控制系统，可根据施工需要通过调整主顶装置的合力中心来进行辅助纠偏。
工作井设计顶力为3500KN。
顶管管材采用钢管，强度等级Q235-B，壁厚14mm，DN800钢管圆环受力面积S1＝（3.14×0.8142-3.14×0.82）/4=0.0176 m2，DN800钢管轴向允许推力F'＝235000 kN/m2×0.0176 m2＝4136 kN；总推力3215.36 kN<工作井能承受最大顶力3500kN<管材轴向允许推力4136 kN，因此，油缸总推力为3500kN。
顶管顶力计算
顶管顶力计算
土压平衡式顶管理论计算公式
F=F1+F2
式中F 为总推力
式中F 1为迎面阻力
F 1=p e 4
πB c 2
p e 为控制土压力
B c 为管外径
p e = p A + p w +∆p
p A 为掘进所处土层的主动土压力（kPa ）
p A 一般为150-300 kPa
p w 为掘进所处土层的地下水压力（kPa ）
p w =γ水H 埋深
∆p 为给土仓的预加压力（kPa ）
∆p 一般为20 kPa
式中F 2为顶进阻力
F 2=πB c f k L
f k 为管外壁与土的单位面积平均摩阻力kN/m 2
其数值一般通过试验确定
如果采用触变泥浆减阻技术按下表选用 2
浆套时，f k 可直接取值3.0-5.0 kN/m 2 。
B c 为Φ2.16m, L 为顶进长度(本次顶管按150m 为一分段）， f k 取值4
则：
F= p e 4
πB c 2+πB c f k L =（225+7.5×4+20）×4
14.3×（2.16)2+3.14×2.16×4.0×150 =1007.1846+4069.44= 5076.6764（kPa ）=507.7（T ） 单向顶进： 75m 则： 507.7÷2=253.85（T ）
顶力系数：1.25 顶进千斤顶配置： 253.85×1.25≥317.31（T ）。
顶管计算
4.5.3.5顶管施工关键参数计算以下的顶管机主要性能参数的计算主要是根据本工程地质勘察报告和水文地质资料选取适当参数，并结合顶管机生产厂家设计共同计算完成。
一、顶力计算：顶管过程是一个复杂的力学过程，它涉及材料力学、岩土力学、流体力学、弹塑性力学等诸多学科。
但顶管计算的根本问题是要估计顶管的顶力。
顶管的顶力就是顶管过程管道受的阻力，包括工具头正面泥水压力、管壁摩擦阻力。
（一）4#～5#段4#~5#顶管段，长407.2m ，管顶覆土取13m式中： F ——总推力（kN ）F0——初始推力（kN ）f0——每米管子与土层之间的综合摩擦阻力（kN/m ）（1） 204)0(c B p p F π∆+=式中： Bc ——管外径，取4.14mp0——土水压力（砂分算，粘土合算）δ=r 1h 1tg 2(45-Ф2/2)-2c 2tg(45-Ф2/2)≈350KN/mgh p ρ=0＝1000×10×8＝80000Pa ＝80kPa △P ——附加压力（一般取20kPa ）式中： ρ——水的密度（kg/m 3）g ——重力加速度（m/s 2）h ——地下水位到挖掘机中心深度，取8m得： F 0＝（350+80+20）×××4＝6055（kN ）（2） f 0=RS式中： R ——综合摩擦阻力（kPa ），取8kPaS ——管外周长（m ），得S ＝c B π＝×＝13（m ）得： f0＝8×13＝104（kN/m ）（3）最后得出：总推力F ＝6055+104×＝48383（kN ）13000（kN ），需加中继间。
(二)5#~6#段5#~6#顶管段，长45.9m ，管顶覆土取13m式中： F ——总推力（kN ）F0——初始推力（kN ）f0——每米管子与土层之间的综合摩擦阻力（kN/m ）（1） 204)0(c B p p F π∆+=得： F 0＝6055（kN ） （2） RS f =0式中： R ——综合摩擦阻力（kPa ），取8kPaS ——管外周长（m ），得S ＝c B π＝×＝13（m ）得： f 0＝8×13＝104（kN/m ）（3）最后得出：总推力F ＝6055+104×＝10839﹤13000（kN ），不需要加中继间。
顶管施工工艺顶力及后背计算
顶管施工工艺顶力及后背计算Prepared on 22 November 2020顶管施工工艺顶力及后背计算：1、顶力计算D=1000mm泥水平衡机械顶管顶力计算（1）顶力计算F--顶进阻力(KN)D0--顶管外径(m),按线路管径D=1200mm，取D0＝1.22 mL—管道设计最大顶进长度(m)，150mfk—管道外壁与土的单位面积平均摩阻力(KN/㎡)经验值fk=6KN/㎡NF--顶管机的迎面阻力(KN)，查表得：NF=π∕4Dg2P式中H0—管道覆土厚度，取最大值5mγ—土的湿密度，取18KN/m3解得：NF=（4）××5×18=则：F=××150×6+=即F=根据以上计算需要两支（型号）200t顶镐。
根据总顶力计算出顶力为，实际施工过程中选用的顶镐设备为2台200吨的顶镐，能够提供4000kN的顶力，根据现场情况与实际施工经验，采取注浆、涂蜡等减阻措施，可以不使用中继间，能够满足顶力的要求。
1.1.1.12、后背安全系数的核算：根据顶力计算取D=1200进行后背核算根据管道直径选择墙宽2.6m，高2.4m，墙厚0.8m，内衬Φ14@150双层钢筋网片，网片生根于底板钢筋，外侧以预制钢后背为模板，两侧支模，内浇混凝土，混凝土强度采用C30。
后背面积计算：F=V×n/Kp×r×hV：主顶推力n:安全系数，取n≥Kp：被动土压力系数，取2r：土的重度，取19h：工作井深度F：后背面积F=×2×19×6=后背墙的核算按右公式计算F≥P/[σ]；F—混凝土后背面积P—计算顶力[σ]—混凝土允许承载力1000KN/m2F=P/[σ]=÷1000≈5.88m2取安全系数2，（P/[σ]）’=11.76m2实际施工时采用9*4=36 m2〉30.96 m2>能够保证安全由此计算出实际顶进坑的后背可以承受顶推力的作用，能够安全施工。
顶管顶力计算书
顶管顶力计算书计算：聂石宇（中铁九局铁路工程处）混凝土管的口径D=1800 mm ,壁厚t=150 mm ,管外径B C =2.1 m ,每米管的重力W=18.63 KN /m ,土的容重γ=18 KN / m 3 ，内摩擦角 Ф=15º，土的内聚力C= 10 Kpa ,管与土的粘着力C ′= 10 Kpa , 标准贯入数 N = 4 ,复土深度H = 6 m ，顶程L = 30 m 。
1、 总顶力为初始顶力与各种阻力之和F = F 0 + [(πB C q + W ) μ′+ πB C C ′] LF — 总顶力 （ KN ） F 0 — 初始顶力 B C — 管外径 q — 管周边均布载荷 （ Kpa ） μ′— 管与土之间的摩擦系数2、初始顶力 F 0 = 13.2πB C N=13.2×3.1415926×2.1×4=348.34（ KN ）3、挖掘直径 B t = B C + 0.1 =2.1 +0.1 = 2.2 m4、管顶的扰动宽度 B e = B t [ )245cos(245sin(1Φ-︒Φ-︒+）] =2.2×(79.061.1) = 4.48 m 5、土的摩擦系数 μ = tg Φ=tg15º= 0.2686、土的太沙基载荷系数Ce = )21BeK μ（[ 1-e )2H Be k μ（-]= ⨯120.01[1-0.487] = 4.275 m7、管顶上方土的垂直载荷W e = ( γ- Be C 2 ) Ce = (18- 48.4102⨯)×4.725 = 57.87 (Kpa ) 8、冲击系数 i = 0.65 – 0.1H = 0.65 – 0.6 = 0.059、地面的动载荷 p = )2()1('2θHtg a B i p ++ = 55.33210)45622.0(75.2)05.01(10020=⨯⨯+⨯+⨯⨯tg = 6.25 Kpa 10、管周边的均布载荷 q = We + p = 57.87 + 6.25 = 64.12 Kpa11、管与土之间的摩擦系数 μ¹= tg 2Φ =tg 2150= 0.132 12、总顶力F = F 0 + [(πB C q + W ) μ′+ πB C C ′] L= 348.34 + [ （3.1415926×2.1×64.12+18.63）×0.132 +3.1415926×2.1×10] ×30 = 4076.44 KN= 407.65 吨 （力）使用2个400 T 千斤顶 按70%效率计算T = 400 T ×2×70% = 560 吨 （力）因此 T > F =407.65 吨 （力）所以千斤顶配置满足要求。
顶管施工工艺顶力及后背计算
顶管施工工艺顶力及后背计算顶管施工工艺顶力及后背计算：
在进行D=1000mm泥水平衡机械顶管顶力计算时，需要
考虑以下因素：顶进阻力、管道设计最大顶进长度、管道外壁与土的单位面积平均摩阻力、顶管机的迎面阻力、管道覆土厚度和土的湿密度。
根据计算，顶力为3552.92kN，需要两支
200t顶镐。
为了保证后背的安全性，需要进行后背安全系数的核算。
在进行核算时，需要考虑管道直径、墙宽、高度、墙厚、内衬、外侧、支模、混凝土强度等因素。
根据计算，后背面积为
30.93，混凝土后背面积为5.88m2.。
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南水北调
济南市市区续建配套工程东湖水库输水工程
（三标段）
济广高速顶管技术指标计算
批准：王海滨
审核：左兆杰
编制：姚中瑞
青岛瑞源工程集团有限公司
东湖水库输水工程输水管线施工Ⅲ标项目部
2016年10月10日
目录
一、工程简介.........................................................
二、施工方案.........................................................
三、顶力计算.........................................................
四、结论.............................................................
一、工程简介
1、位置
现状济广高速为双向4车道高速路，现在正在实施拓宽工程，加宽至双向8车道，路面高程约为28.40m。
工程位置处道路两侧现状为农田，路基高度约为3.3m。
济广高速顶管段管道桩号范围为16+558-16+708，顶管长度为150m。
管线与济广高速中心线交角为81.4°。
顶管段管道中心线高程为18.20m。
2、水文
根据地勘资料，工程位置处勘查期间地下水位为19.86—20.07m，设计管顶高程为18.71m，位于地下水位以下。
工程位置处现状有现状雨水管道等市政管线，但因该处为顶管施工，埋深较大，其他管线不影响顶管施工。
3、地质情况
济广高速顶管穿越地层主要为⑤层壤土和⑥1层粘土，局部涉及到①1层壤土、②层轻壤土、②1层(裂隙)粘土、④层壤土和④1层粘土，地质情况良好。
①1层壤土(Q4al)：黄褐色，稍湿，可塑，局部硬塑，局部粉粒含量较高，干强度、韧性中等，切面稍有光泽，摇震反应无；该土层仅在ZK17、ZK35、ZK36、ZK37以及青银高速、济广高速顶管钻孔中揭露，层厚1.2~3.8m，平均层厚2.75m，层顶标高19.39~25.72m。
②层轻壤土(Q4al)：黄褐色，稍湿~湿，干强度、韧性低，切面无光泽，摇震反应轻微；该土层分布较连续，层厚0.6~4.8m，平均层厚1.96m。
②1层(裂隙)粘土(Q4al)：黄褐色，局部浅灰色，稍湿~湿，可塑，可见发育有裂隙，裂隙宽约2~5mm左右，充填轻壤土及砂壤土；干强度、韧性高，切面有光泽，摇震反应无；该土层分布不连续，层厚0.3~3.5m，平均层厚1.72m。
④层壤土(Q4al)：浅灰色~灰色，局部灰褐色、黑灰色，饱和，可塑~软塑，局部硬塑，干强度、韧性中等，切面稍有光泽，摇震反应无；该土层分布较连续，层厚0.7~4.1m，平均层厚2.03m。
④1层粘土(Q4al)：浅灰色~灰色，局部灰褐色、黑灰色，饱和，可塑~软塑，
局部硬塑，干强度、韧性高，切面有光泽，摇震反应无；该土层分布不连续，层厚0.7~5.9m，平均层厚2.44m。
⑤层壤土(Q4al)：黄褐色，局部浅灰褐色，饱和，可塑，局部偶见姜石，含量约5%，粒径一般0.5~5.0cm，最大超过10cm，干强度、韧性中等，切面稍有光泽，摇震反应无；该土层分布较连续，层厚0.9~4.9m，平均层厚2.38m，层顶标高7.64~20.19m。
⑥1层粘土(Q4al)：黄褐色~褐黄色，饱和，可塑，局部硬塑，见姜石，含量约5~10%，粒径一般1.5~4.0cm，最大超过10cm，干强度、韧性高，切面有光泽，摇震反应无；该土层仅在DH2-1和济广高速顶管钻孔中揭露，层厚1.2~5.0m，平均层厚3.92m，层顶标高6.49~17.54m。
4、输水管线与济广高速交叉采用顶管穿越方式通过公路，设计顶管采用DN1600三级钢筋混凝土管内套DN1400螺旋钢管顶管，具体位置见下表：
表1 济广高速顶管与公路交叉情况表
5、顶管高程设计：调整后进洞地面高程25.51米，管底高程17.49米；出洞口地面高程25.11米，管底高程17.49米；穿越济广高速段路面高程28.43米，管底高程17.49米。
6、顶工作井的深度主要由设计管底高程决定，管外底高程加上基坑轨道及底板厚度，就是需开挖的坑底标高。
工作井顶部高程24.40米，底板厚度为80cm，
高程16.70米。
综合顶管机具的尺寸及作业要求，顶进坑净空尺寸定为 16.0米（长）×8.5米（宽）×7.1米（深）。
7、接收坑的净空尺寸为8.5米（长）×6.0米（宽）×7.7（深）。
二、施工方案
根据工程地质情况，采用泥水平衡顶管施工方法，泥水平衡机械顶管施工的基本原理：
顶管机在顶进过程中与它所处土层的地下水压力和土压力处于一种平衡状态；顶管机的排土量与推进所占去的土的体积也处于一种平衡状态。
顶管机土仓的压力P如果小于顶管机所处土层的主动土压力Pa时，地面就会产生沉降。
反之，如果顶管机在掘进过程中其土仓的压力大于所处土层的被动土压力Pp时，地面就会隆起。
如果把顶管机土仓压力值控制在Pa＜P＜Pp这样一个范围内，就能达到土压平衡。
一般常把控制土压里P设置在静止吐压力P0±20KPa范围之内。
顶管机与周围土体的平衡是动态的，顶管机具有动态控制这种平衡的能力。
如果土仓压力过大，顶管机可以增加排土量，将多于的碎土排出，减小土仓压力，使土仓压力与土体压力仍然平衡；如果土仓压力过低，顶管机后部的顶进油缸向前推进，给土仓增加一个持续的压力，仍能保持这种平衡。
顶管机在这种动态的平衡中前进，达到敷设管道的目的。
正是这种平衡的存在，使得开挖面能够保持稳定，防止地层的沉降与隆起。
三、顶力计算
（一）管道允许顶力计算
原设计顶进管道采用DN1600III级钢筋混凝土管，壁厚160mm，内套DN1400螺旋钢管，壁厚12mm特加强级别，顶进DN1600钢筋混凝土管，壁厚160mm，外径1920mm。
DN1650钢筋混凝土管允许顶力计算公式：
其中：F de，为混凝土管道允许顶力，单位N；
Φ1，混凝土材料受压强度折减系数，取0.9；
Φ2，偏心受压强度提高系数，取1.05；
Φ3，材料脆性系数，取0.85；
Φ5，混凝土强度标准调整系数，取0.79；
fc，混凝土受压强度设计值，单位pa；32.4
Ap，管道的最小有效传力面积，单位mm2；884224 =3.14*9602-3.14*8002γQd，顶力分享系数；取1.3。
经过计算管道允许顶力计算F de=11203600N=11204KN。
表3.1 管道允许顶力计算表
（二）管道顶力计算
管道顶力包括顶管机迎面阻力和顶进阻力，F=F1+F2
1、顶进阻力F
1=
k
Lf
D
1
其中：D1为管道外径，取1.92m；
L为管道设计顶进长度，设计150m；
f
k
为管外壁与土的单位面积平均摩阻力kN/m2；
其数值一般通过试验确定，如果采用触变泥浆减阻技术按下表选用
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 k 可直接取值3.0-5.0 kN/m2，本工程取5.0 kN/m2。
经过计算，顶进阻力F1=4521.6KN。
2、迎面阻力F
2=
g
g
H
Dγ
π2
g
4
其中：
g
D顶管机外径，取1.92m；
g
γ土的重度，取18.45kN/m3；
g
H覆土层厚度，本次取9.72m。
经过计算，迎面阻力F2=518.96 KN。
3、管道总顶力F=F
1+F
2
=4521.6KN+518.96KN=5040.56KN=504.06t。
表3.2 管道顶力计算表
四、结论
工作井内设备顶进能力可达到800T，采用4个200T的千斤顶完全满足要求，本工程顶管采用注浆减阻法，理论顶力小于实际动力值，因此我们无需增加额外的顶进系统即可满足要求，设计图纸最大顶距为150m是合理的经济距离。