矩形頂管頂力預(yù)估公式適應(yīng)性分析研究

□文/趙 歆 劉彥坡 趙俊妍 徐管應(yīng) 柯靜懿

現(xiàn)有地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)一般采用明挖法施工，不僅修建圍擋臨時(shí)占用地上空間、影響交通，而且需要切改較多的地下管線、拆除附屬結(jié)構(gòu)附近的房屋，前期工程量巨大、資金成本高。隨著設(shè)備的完善和施工方法逐漸成熟，矩形頂管技術(shù)開始逐漸應(yīng)用于地鐵附屬結(jié)構(gòu)，特別是過街通道施工中。

矩形頂管施工技術(shù)具有占地面積小，地面交通影響小，無需切改頂管上方管線，施工速度較快等優(yōu)點(diǎn)。頂力預(yù)估對(duì)于整個(gè)頂管工程的安全性起決定作用，若頂力過大，而工作井強(qiáng)度不夠、整體性差或后座井壁后部土體穩(wěn)定性不夠，就會(huì)導(dǎo)致工程問題；因此，頂力預(yù)估有著重要的工程意義。由于尚未大面積應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員在預(yù)估頂力時(shí)往往采用圓形頂管的頂力預(yù)估公式［1］，可參考性不強(qiáng)。

本文對(duì)天津市某車站的矩形頂管出入口通道的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)頂力數(shù)據(jù)與相關(guān)規(guī)范[1～4]中的頂力計(jì)算公式進(jìn)行比較，分析公式的適用性，為今后的矩形頂管的頂力預(yù)估提供參考性的結(jié)論。

1 工程概況

天津某地鐵出入口交通導(dǎo)行困難且上方存在DN1 200 mm 輸配水管，埋深1.38 m；DN1 000 mm 雨水管，埋深2.32 m；DN500 mm污水管，埋深4.05 m等管徑及埋深較深的管線無法切改，因此采用頂管法施工。

車站深度范圍內(nèi)分布的土層有①1雜填土、③1粉質(zhì)黏土、④1粉質(zhì)黏土、④5淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑤1粉質(zhì)黏土、⑥1粉質(zhì)黏土。其中頂管位于③1粉質(zhì)黏土和④1粉質(zhì)黏土中。

頂管截面尺寸7 m×4.3 m（壁厚500 mm），管片混凝土為C50、P8，頂管覆土4.4 m，頂進(jìn)長(zhǎng)度16.5 m。頂管機(jī)采用土壓平衡式矩形頂管機(jī)。見圖1。

圖1 頂管段縱剖面

2 頂力預(yù)估公式

根據(jù)文獻(xiàn)[1]第12.4節(jié)，頂力可按式（1）進(jìn)行估算

式中：D1——管道外徑，m；

L——頂管總長(zhǎng)度，15.04 m；

fk——管道外壁與土的平均摩阻力，kPa；

Nf——頂管機(jī)的迎面阻力，本出入口采用的土

蓋層厚度，44 m。

將πD1轉(zhuǎn)換為矩形頂管周長(zhǎng)，為22.6 m。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]第12.2.2節(jié)，頂力可按式（2）進(jìn)行估算

式中：N1——箱涵頂上荷載，可按上覆土重進(jìn)行計(jì)算，本出入口上覆土重為83.6 kN；

N2——箱涵自重，kN，每延米箱涵自重為247.35 kN；

E——土壓力，由于頂管頂進(jìn)動(dòng)態(tài)過程，土壓力建議按照主動(dòng)土壓力進(jìn)行計(jì)算，主動(dòng)土壓力可根據(jù)土力學(xué)中公式進(jìn)行計(jì)算，為282.14 kN；

μ1、μ2、μ3——土與管節(jié)摩擦系數(shù)，按照μ=tanφ進(jìn)行計(jì)算；

K1——安全系數(shù)，推薦取值為1.2 并按頂管總長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算；

RA——迎面阻力，可按土的性質(zhì)經(jīng)經(jīng)驗(yàn)確定。但該數(shù)據(jù)相較施工中土倉(cāng)壓力設(shè)定值100 kPa和文獻(xiàn)[1]中Nf的頂管機(jī)的迎面阻力的計(jì)算值都偏大且指定其迎面阻力與頂管機(jī)的相關(guān)關(guān)系，因此本文推薦其迎面阻力按照文獻(xiàn)[1]的Nf來代替RA；或按照施工中土倉(cāng)壓力設(shè)定值100 kPa來代替RA計(jì)算。

3 各預(yù)估結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)頂進(jìn)長(zhǎng)度5.65、7.15、8.63、10.13、11.73、13.23、14.73 m 的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與式（1）和式（2）的預(yù)估結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。見圖2。

圖2 頂力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論公式對(duì)比

由圖2 可以看出，式（1）計(jì)算值均小于實(shí)測(cè)計(jì)算值，當(dāng)頂進(jìn)到14.73 m 時(shí)計(jì)算值僅為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的65.6%，偏差較大。公式（1）預(yù)估頂管頂力與實(shí)測(cè)值差距較大，是因?yàn)槲墨I(xiàn)[1]是以圓形小截面頂管為主的規(guī)范且管道頂力值與覆蓋層高低無關(guān)，因此式（1）計(jì)算結(jié)果相對(duì)較小，不建議用于矩形頂管頂力估算。

當(dāng)頂進(jìn)距離越長(zhǎng)式（2）計(jì)算值越接近實(shí)測(cè)值。將RA換成Nf后當(dāng)頂進(jìn)至14.73 m 時(shí)，計(jì)算值為實(shí)測(cè)值的92.5%，偏離值較小，采用該方法是較為合理的。

將RA土倉(cāng)壓力100 kPa代替后，更為接近實(shí)測(cè)值，當(dāng)頂進(jìn)至14.73 m 時(shí)，計(jì)算值為實(shí)測(cè)值的97%，較為精確。由于該計(jì)算值存在一定經(jīng)驗(yàn)性，建議可以從K1安全系數(shù)入手，建議將該值根據(jù)不同土層調(diào)整為1～1.3。

4 結(jié)論及建議

1）式（1）預(yù)估頂管頂力與實(shí)測(cè)值差距較大，因此不建議用于矩形頂管頂力估算。

2）頂進(jìn)距離越長(zhǎng)，式（2）的預(yù)估頂力越接近實(shí)測(cè)值且RA換成Nf后，計(jì)算結(jié)果值較為理想。

3）由于初設(shè)迎面阻力值影響頂力理論計(jì)算結(jié)果較大，公式（2）預(yù)估頂管頂力中K1安全系數(shù)根據(jù)不同土層調(diào)整為1～1.3。

4）由于本出入口為天津市第一個(gè)小截面矩形頂管通道，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為孤立且通道距離較短，頂管頂進(jìn)過程中并未采用減阻措施，μ的取值也是經(jīng)驗(yàn)值，本文按照μ=tanφ計(jì)算存在一定離散性，因此需要有多個(gè)工程實(shí)例來進(jìn)行對(duì)比和分析，才能更好地得出更適合天津土層的頂管頂力理論計(jì)算值。