矩形沉井的顶管设置方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102829245 A (43)申请公布日 2012.12.19 C N 1 0 2 8 2 9 2 4 5 A *CN102829245A* (21)申请号 201210331250.4 (22)申请日 2012.09.07 F16L 1/028(2006.01) H02G 9/06(2006.01) (71)申请人上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路800号 (72)发明人程仕远 雷晗 陈锦剑 王建华 (74)专利代理机构上海思微知识产权代理事务 所(普通合伙) 31237 代理人郑玮 (54) 发明名称 矩形沉井的顶管设置方法 (57) 摘要 本。

2、发明提供了一种矩形沉井的顶管设置方 法，包括以下步骤：（a）获得应用矩形沉井的工作 区所在区域的土体参数和沉井参数；（b）根据所 述土体参数和沉井参数计算出所述沉井各方向上 的土压力；且（c）根据所述土压力的分布模式及 所述土压力，计算出所述顶管的偏心受顶容许顶 力，并使所述顶管前进所需的顶推力小于所述偏 心受顶容许顶力。由于本发明的方法通过地质资 料和试验资料，确定工作区土体参数，结合管道的 顶力，通过土压力公式及给出的土压力分布形状 求出作用在所述工作井各个方向上的土压力，最 终计算出工作井的顶管偏心顶进的容许顶力。根 据所述容许顶力，可安全地设置所述矩形沉井的 顶管。 (51)Int.C。

3、l. 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 2 页 1/2页 2 1.一种矩形沉井的顶管设置方法，其特征在于，包括以下步骤： （a）获得应用矩形沉井的工作区所在区域的土体参数和沉井参数； （b）根据所述土体参数和沉井参数计算出所述沉井各方向上的土压力；且 （c）根据所述土压力的分布模式及所述土压力，计算出所述顶管的偏心受顶容许顶力， 并使所述顶管前进所需的顶推力小于所述偏心受顶容许顶力。 2.根据权利要求1所述的顶管设置方法，其特征在于，步骤（a）包括收集所述工作区的 已有地质资料以确定所述工。

4、作区的土体参数；根据应用所述矩形沉井的施工方案，确定所 述沉井参数。 3.根据权利要求2所述的顶管设置方法，其特征在于，所述土体参数包括：土质的粘聚 力c、内摩擦角、及容重；所述沉井参数包括所述矩形沉井的沉井底至原状地面埋置深 度Hs、所述工作井宽度B、长度L、所述矩形沉井与设备自重G、顶力中心距所述工作井顶距 离d、及合力至较近端距离l。 4.根据权利要求3所述的顶管设置方法，其特征在于，所述土体参数通过以下方式确 定：通过充分收集工作区的地质资料，分析资料的可利用程度，取点对钻孔资料进行分类整 理和分析，通过取样试验或原位试验，测定土体的内摩擦角和粘聚力c，且通过环刀法等 测量土容重试验测。

5、定土体的容重，其中对于成层土，可根据每层土的厚度等效计算出相 应参数；并且根据施工设计方案，确定出所述矩形沉井的沉井底至原状地面埋置深度H s， 所述工作井宽度B、长度L、所述所述矩形沉井与设备自重G，顶力中心距工作井顶距离d，及 合力距较近端距离l。 5.根据权利要求1所述的顶管设置方法，其特征在于，根据所述土体及沉井参数，用考 虑位移的土压力计算方法分别确定作用在所述沉井上的前壁土压力、后壁土压力、侧壁摩 阻力和井底摩阻力。 6.根据权利要求4所述的顶管设置方法，其特征在于，所述前壁土压力为主动土压力 均匀分布： 其中，K a 为主动土压力系数。 7.根据权利要求4所述的顶管设置方法，其特。

6、征在于，所述后背土压力为静止土压力 加上余弦式分布的被动土压力增量： 其中，K 0 、K p 分别为静止、被动土压力系数； 1 为考虑沉井施工中扰动引起的折减系 数。 8.根据权利要求4所述的顶管设置方法，其特征在于，所述侧壁摩阻力： f 侧 =2 2 LHf 其中， 2 为摩阻力比例系数；为所述沉井侧壁与土体接触摩擦角。 9.根据权利要求4所述的顶管设置方法，其特征在于，所述井底摩阻力为： f 底 = 3 W 其中， 3 为折减系数，W为沉井与设备自重减去水浮力，为摩阻系数。 权 利 要 求 书CN 102829245 A 2/2页 3 10.根据权利要求1所述的顶管设置方法，其特征在于，所。

7、述允许最大顶力可以用以下 公式计算： F max =(F 后 +f 侧壁 +f 底 -F 前 )/k 其中，k为安全系数，并且为2.0。 权 利 要 求 书CN 102829245 A 1/6页 4 矩形沉井的顶管设置方法 技术领域 0001 本发明涉及本发明涉及一种建筑工程施工技术领域，尤其涉及一种矩形沉井的顶 管设置方法。 背景技术 0002 作为一种暗挖施工方法，顶管法施工具有诸多优点，如占地面积少；地下施工不影 响地面活动；穿越铁路、公路、河流、建筑物等障碍物时可减少沿线的拆迁工作量；施工过 程中不破坏现有管线及构筑物，不影响正常使用；施工无噪音，减少对沿线环境的污染。因 此，顶管工法。

8、施工技术在近几年得到广泛的应用。市政工程的上、下水道、煤气、电力、通信 工程、液化石油气、天然气输送管道以及各种油管、动力电缆、宽频网、光纤网等通讯电缆等 的敷设都相继采用顶管工法施工。 0003 顶管工作井是顶管施工的起始点，起着为顶管顶进提供后座反力的作用。随着顶 管施工中顶进距离、管径、埋深的增加，所需要的顶推力也越来越大，已经由过去的百吨级 上升到千吨级，工作井的安全性问题已经不容忽视。尤其是矩形工作井在双管先后顶进时， 会偏心顶进的情况，偏心顶进时工作井受力形式发生改变，其安全性问题不容忽视。因此， 顶管的设置必须与工作井的受顶容许顶力相适应。 0004 受顶容许顶力计算中，基于土压。

9、力对土体反力的计算是重点。在研究矩形工作井 土体反力时，少有文献对矩形工作井单侧偏心顶进的土压力分布进行研究。 0005 我国的给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程CECS 137：2002中规定，矩 形工作井水平方向上，在单侧偏心顶进时的土抗力呈三角形分布，远端抗力为0。但实际工 程中远端也受到土压力作用，并且规范也未指明工作井前壁的受力情况。竖直方向上，当 时，后背土压力作用高度为，工作井顶部土压力为0；而当时，规范中没有指明顶部土压力 是否为0。 0006 在计算允许顶进顶力时，学者们做过很多有益的研究。 0007 冯海宁等（冯海宁，龚晓南，徐日庆，沉井后背墙土抗力计算的探讨，中国市政。

10、工 程，2001，01：67-69）通过适当的假定，考虑后背墙后土体的三维受力情况及在偏心荷载作 用下墙后土体的被动土压力的大小，同时将沉井作为一个整体，在计算总顶力时考虑前端 墙体的主动土压力，计算最大顶力，并考虑墙后土体采用模形滑裂面。 0008 蒋燕等（蒋燕，葛春辉，矩形沉井井壁受顶管后座力作用的分析，特种结构，2001， 01:1-3）运用顶力和土抗力平衡原理，介绍了矩形沉井井壁在顶管工作时的内力计算方法。 龚慈等（龚慈，魏纲，徐日庆，顶管施工中矩形沉井工作井允许反力的计算，岩土力学，2005， 07：1127-1131）根据顶管工程中矩形沉井工作井后背墙变形情况，提出采用与位移有关的。

11、 土压力来计算土体反力。考虑了沉井底部和侧壁的摩阻力，由沉井整体水平向受力平衡计 算允许顶力。 0009 魏纲等（魏纲，徐日庆，龚慈，刘家湾，顶管工程中矩形沉井土抗力计算方法探讨， 中国市政工程，2005，01:50-52）提出了呈梯形分布的后背竖向土抗力分布形式，并根据沉 说 明 书CN 102829245 A 2/6页 5 井的整体受力平衡求得沉井工作井允许的最大土抗力和顶力计算公式。 0010 然而，这些文献基于中心受顶，提出了各自关于工作井的受力状态和最大容许顶 力计算方法，但是都没有对矩形工作井的偏心受顶的土压力分布和容许顶力做分析。 0011 由此，业界需要有精确的针对矩形沉井顶管。

12、工作井的偏心顶进的容许顶力计算方 法，从而可更安全地设置顶管。 发明内容 0012 本发明针对我国现有计算方法和规范中沉井受力模式不足和缺陷，提供了一种矩 形沉井顶管的顶管设置方法，能通过获得矩形沉井的偏心顶管受力特征而安全地设置顶 管。 0013 为了达成上述目的，本发明提供了一种矩形沉井的顶管设置方法，包括以下步骤： （a）获得应用矩形沉井的工作区所在区域的土体参数和沉井参数；（b）根据所述土体参数 和沉井参数计算出所述沉井各方向上的土压力；且（c）根据所述土压力的分布模式及所述 土压力，计算出所述顶管的偏心受顶容许顶力，并使所述顶管前进所需的顶推力小于所述 偏心受顶容许顶力。 0014 。

13、一些实施例中，步骤（a）包括收集所述工作区的已有地质资料以确定所述工作区 的土体参数；根据应用所述矩形沉井的施工方案，确定所述沉井参数。 0015 一些实施例中，所述土体参数包括：土质的粘聚力c、内摩擦角、及容重；所述 沉井参数包括所述矩形沉井的沉井底至原状地面埋置深度Hs、所述工作井宽度B及长度L、 所述矩形沉井与设备自重G、顶力中心距工作井顶距离d、及合力至较近端距离l。 0016 一些实施例中，所述土体参数通过以下方式确定：通过充分收集工作区的地质资 料，分析资料的可利用程度，取点对钻孔资料进行分类整理和分析，通过取样试验或原位 试验，测定土体的内摩擦角和粘聚力c，且通过环刀法等测量土容。

14、重试验测定土体的容重 ，其中对于成层土，可根据每层土的厚度等效计算出相应参数；并且根据施工设计方案， 确定出所述矩形沉井的沉井底至原状地面埋置深度Hs，所述工作井宽度B及长度L、所述矩 形沉井与设备自重G，顶力中心距工作井顶距离d，及合力至较近端距离l。 0017 一些实施例中，根据所述土体及沉井参数，用考虑位移的土压力计算方法分别确 定作用在所述沉井上的前壁土压力、后壁土压力、侧壁摩阻力和井底摩阻力。 0018 一些实施例中，所述前壁土压力为主动土压力均匀分布： 0019 0020 其中，K a 为主动土压力系数。 0021 一些实施例中，所述后背土压力为静止土压力加上余弦式分布的被动土压力。

15、增 量： 0022 0023 其中，K 0 、K p 分别为静止、被动土压力系数； 1 为考虑沉井施工中扰动引起的折减 说 明 书CN 102829245 A 3/6页 6 系数。 0024 一些实施例中，所述侧壁摩阻力： 0025 f 侧 =2 2 LHf 0026 其中， 2 为摩阻力比例系数；为所述沉井侧壁与土体接触摩擦角。 0027 一些实施例中，所述井底摩阻力为： 0028 f 底 = 3 W 0029 其中， 3 为折减系数，W为沉井与设备自重减去水浮力，为摩阻系数。 0030 一些实施例中，所述允许最大顶力可以用以下公式计算： 0031 F max =(f 后 +f 侧壁 +f 。

16、底 -F 前 )/k 0032 其中，k为安全系数，并且为2.0。 0033 由于本发明的方法通过地质资料和试验资料，确定工作区土体参数，结合管道的 顶力，通过土压力公式及给出的土压力分布形状求出作用在所述工作井各个方向上的土压 力，最终计算出工作井的顶管偏心顶进的容许顶力。根据所述容许顶力，可安全地设置所述 矩形沉井的顶管。 0034 结合附图，根据下文的通过示例说明本发明主旨的描述可清楚本发明的其他方面 和优点。 附图说明 0035 结合附图，通过下文的述详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和 优点，其中： 0036 图1为根据本发明实施例的矩形沉井的顶管设置方法的流程图； 00。

17、37 图2为根据本发明实施例的矩形沉井的工作井的前后壁土压力水平分布图；及 0038 图3为根据本发明实施例的矩形沉井的工作井的前后壁土压力竖直分布图。 具体实施方式 0039 参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以 许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是 为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附 图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。 0040 现参考图1详细描述根据本发明实施例的矩形沉井的顶管设置方法。 0041 如图1所示，对于所述计算方法，步骤S101中，获。

18、得应用矩形沉井的工作区所在区 域的土体参数和沉井参数。根据沉井作业地点的不同工作区，确定土体参数和沉井参数。 0042 本实施例中，收集应用矩形沉井的所述工作区的已有地质资料，以确定所述工作 区的土体参数。此外，根据应用所述圆形沉井的施工方案，确定所述沉井参数。 0043 本实施例中，所述土体参数包括：土质的粘聚力c、内摩擦角,容重；所述沉 井参数包括：所述沉井参数包括所述矩形沉井的沉井底至原状地面埋置深度Hs、所述工作 井宽度B及长度L、所述矩形沉井与设备自重G、顶力中心距所述工作井顶距离d、及合力至 较近端距离l。 0044 具体地，所述土体参数通过以下方式确定：通过充分收集工作区的地质资。

19、料，分析 说 明 书CN 102829245 A 4/6页 7 资料的可利用程度，取点对钻孔资料进行分类整理和分析，通过取样试验或原位试验，测定 土体的内摩擦角和粘聚力c，通过环刀法等测量土容重试验测定土体的容重。 0045 优选实施例中，对于成层土，可根据每层土的厚度等效计算出相应参数。 0046 此外，根据施工设计方案，确定出所述沉井参数包括所述矩形沉井的沉井底至原 状地面埋置深度Hs、所述工作井宽度B及长度L、所述矩形沉井与设备自重G、顶力中心距工 作井顶距离d、及合力至较近端距离l。 0047 步骤S103中，根据所述土体参数和沉井参数计算出所述沉井各方向上的土压力。 0048 本实施。

20、例中，据所述土体及沉井参数，用考虑位移的土压力计算方法分别确定作 用在所述沉井上的前壁土压力、后壁土压力、侧壁摩阻力和井底摩阻力。 0049 下文将详细描述前壁土压力、后壁土压力、侧壁摩阻力和井底摩阻力的计算。 0050 在所述计算中，考虑极限状态时的分布形态，前、后壁土压力的水平分布模式如图 2所示，其中前壁土压力为主动土压力均匀分布，后壁土压力左侧为初始静止土压力加上三 角形的分布增量，右侧为静止土压力，当左端最大值达到被动土压力时即为极限状态。两 者竖直方向的分布如图3所示，为竖直方向的三角形分布。 0051 所述前壁土压力为主动土压力均匀分布： 0052 0053 其中，K a 为主动。

21、土压力系数。 0054 所述各土压力公式中，后壁土压力分布左侧为初始静止土压力加上三角形的分布 增量，右侧为静止土压力，当左端最大值达到被动土压力时即为极限状态。则后壁土压力计 算公式为： 0055 0056 其中，K 0 、K p 分别为静止、被动土压力系数； 1 为考虑沉井施工中扰动引起的折减 系数。较佳实施例中， 1 通常取0.8，如采用基坑开挖施工，则取为1。 0057 所述侧壁摩阻力为： 0058 f 底 = 3 W 0059 其中， 2 为摩阻力比例系数。较佳实施例中， 2 通常取0.4。此外，f为土体对 工作井的平均摩阻力，可参考下沉过程中的摩阻力。 0060 所述井底摩阻力为：。

22、 0061 f 底 = 3 W 0062 其中， 3 为折减系数，这是考虑刃脚区域内土体收到了扰动，取0.6。W为工作井 刃脚平面处土体受到的作用力，等于工作井与井内设备的自重减去地下水浮力，为摩阻 系数。对于所述摩阻系数，黏性土取0.25，沙土取0.5。考虑地下水最不利情况，即水的浮 力等于沉井自重时，所述摩阻系数可以取零。 0063 步骤S105中，（c）根据所述土压力的分布模式及所述土压力，计算出所述顶管的 偏心受顶容许顶力，并使所述顶管前进所需的顶推力小于所述偏心受顶容许顶力。 说 明 书CN 102829245 A 5/6页 8 0064 根据所述土压力的分布模式及所述土压力，所述工。

23、作井偏心受顶容许顶力可用如 下公式计算： 0065 F max =(F 后 +f 侧壁 +f 底 -F 前 )/k 0066 其中，k为安全系数，为2.0。在土质较软的地区，即需要采用变形控制时，所述安 全系数为4.0。 0067 在获得所述偏心受顶容许顶力之后，使所述顶管前进所需的顶推力小于所述偏心 受顶容许顶力。 0068 下文将详细描述根据本发明实施例的圆形沉井的顶管设置方法的实例。 0069 实例： 0070 试验场地为某顶管工程，工作井深度为18.9m，宽度18.2m，顶管中心距地表 12.9m。 0071 为优化最大顶力计算，采用如图1的受力模式。具体方法及步骤如下： 0072 1。

24、）通过取样试验或原位试验，测定出土的平均内摩擦角平均粘聚 力c=9kPa，土的容重=18kN/m3。根据施工方案，确定工作井底至原状地面埋置深 度Hs=18.9m，工作井宽度B=18.2、长度L=11.2m，顶管中心距工作井顶12m，较近端距离 l=4.3m。 0073 表1土层材料参数 0074 0075 2）将土体及工作井参数代入到各个土压力公式中，确定作用在工作井上土压力， 取安全系数2.0，计算出F max =15615kN。 0076 本发明具有如下优点： 0077 （1）由于本发明的方法通过地质资料和试验资料，确定工作区土体参数，结合管道 的顶力，通过土压力公式及给出的土压力分布形。

25、状求出作用在所述工作井各个方向上的土 压力，最终计算出工作井的顶管偏心顶进的容许顶力。根据所述容许顶力，可安全地设置所 述矩形沉井的顶管。 0078 （2）本发明原理简单，具有计算精度高等优点，能提高经济效益，具有较强实用性。 0079 因本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离 说 明 书CN 102829245 A 6/6页 9 本发明的精神或范围。尽管业已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为这些实 施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化 和修改。 说 明 书CN 102829245 A 1/2页 10 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102829245 A 10 2/2页 11 图3 说 明 书 附 图CN 102829245 A 11 。