考虑土拱效应的顶管迎面阻力计算方法研究

作     者：张永杰 李嘉兵 欧雪峰 罗志敏 郑爽 曹文贵 

作者机构：长沙理工大学土木工程学院 中国市政工程西南设计研究总院有限公司 湖南大学土木工程学院 

出 版 物：《中国公路学报》 (China Journal of Highway and Transport)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：08[工学] 0823[工学-交通运输工程] 

基　　金：国家自然科学基金项目(51878071 52178416) 

主　　题：顶管施工 迎面阻力 土拱效应 被动土压力 粘聚力 

摘      要：顶管迎面阻力作为评估掘进面稳定性的关键指标，可用于指导顶管机选型和刀盘磨损情况评价，简便有效的顶管迎面阻力计算方法是确保顶管快速掘进的基本保障。为此，本文通过分析掘进过程中机头前方土体的受力模式，在传统被动土压力计算理论基础上考虑机头前方土体大主应力拱的影响，构建了考虑土拱效应的顶管迎面阻力分析模型及其计算方法，并通过参数分析获得了模型中各因素对迎面阻力的影响规律。土拱效应充分发挥时，顶管迎面阻力随土体重度与粘聚力的增大基本呈线性增加，随刀盘外径、上层覆土厚度及土体内摩擦角的增大而呈非线性增加，其中顶管机刀盘外径与土体内摩擦角对顶管迎面阻力的影响最为显著。通过对比4个实际工程6个典型断面的迎面阻力监测结果、本文方法与既有方法的计算结果可知，本文方法计算结果均大于实测值，平均约为23.7%，且小于规范方法计算值，表明其具有较好的稳定性优势。因此，本文方法能很好的指导顶管机选型，有效防止顶推力不足造成的卡管、顶进效率低或地层不稳定等问题，可为今后类似工程提供有益借鉴。