淺埋大斷面矩形頂管施工研究與應(yīng)用

丁傳武 華 江

（江蘇揚(yáng)建集團(tuán)有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 225000）

頂管斷面形式多圓形為主，圓形頂管技術(shù)在國(guó)內(nèi)外己經(jīng)得到了充分發(fā)展，在大口徑、長(zhǎng)距離以及曲線頂管的施工方面積累了許多經(jīng)驗(yàn)。然而，矩形頂管斷面利用率高，能節(jié)省約20%的空間，并且比圓形頂管有更好的淺覆土適應(yīng)能力，從而可大大降低下穿各類構(gòu)筑物的坡度和深度，更適用于城市各類聯(lián)絡(luò)通道，下穿鐵路、公路、立交隧道，地下共同溝等工程。目前，國(guó)內(nèi)淺埋大斷面矩形頂管工程并不多見，理論分析及施工技術(shù)尚不成熟。

1 工程概況

本頂管工程為相鄰兩地下車庫(kù)間聯(lián)絡(luò)通道，呈南北走向，全長(zhǎng)約為141.5m，分為兩段，一段為明挖段，長(zhǎng)度為 65.5m，另一段為頂管段，頂管長(zhǎng)度為84m，矩形頂管截面尺寸為8100mm×4950mm，采用工廠預(yù)制鋼筋砼管片，管片厚度為550mm，砼強(qiáng)度等級(jí)為C50。

場(chǎng)地地層剖面示意圖

2 頂管頂力的理論計(jì)算

現(xiàn)有的計(jì)算頂管頂力的公式有很多，大多基于普式理論，但是一般認(rèn)為，當(dāng)管頂覆土厚度小于或等于一倍管外徑或者覆土層為淤泥質(zhì)土?xí)r，頂管上部土體難以形成足夠大的卸載拱效應(yīng)，因此，淺埋大斷面矩形頂管頂力的估算方法值得探討。

頂進(jìn)力是頂管施工的主動(dòng)力，是頂管施工中的重要參數(shù)。頂進(jìn)設(shè)備提供的頂力大小在最保守狀態(tài)下需等于頂管過程中迎面阻力P阻與側(cè)摩阻力F摩之和，即F頂=P阻+F摩。

其中，對(duì)于土壓、泥水平衡式頂管機(jī)的迎面阻力P阻，綜合實(shí)際頂管的施工過程，以土體壓力作用點(diǎn)處?kù)o止土壓力為基準(zhǔn)對(duì)迎面阻力P阻進(jìn)行計(jì)算：

式中：As-矩形頂管機(jī)截面面積，m2，As≈BH；γ-土的重度，kN/m3；Hz-開挖面土壓力作用點(diǎn)深度，m；K0-靜止土壓力系數(shù)，K0=1- s inφ′；

對(duì)《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》中的圓形頂管經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以得到矩形頂管頂力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：B-矩形頂管外邊寬，m；H-矩形頂管外邊高，m；L-頂管長(zhǎng)度，m；fk-管道外壁與土的單位面積平均摩阻力（kN/m2），通過試驗(yàn)確定；對(duì)于采用觸變泥漿減阻技術(shù)的按規(guī)范提供的參數(shù)選用。

在上海地區(qū)，矩形頂管技術(shù)的發(fā)展時(shí)間較早，結(jié)合上海地質(zhì)地層條件，采用觸變泥漿頂管的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，矩形頂管的阻力可按管道外表面 8～12kN/m2計(jì)算，得到上海地區(qū)矩形頂管頂力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：θ為頂力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與地區(qū)地質(zhì)條件有關(guān)，上海地區(qū)一般取8～12kN/m2。

本工程頂管頂力分別按式（2）、式（2）進(jìn)行估算，計(jì)算取探孔H006，地面高程+7.42，第一層雜填土層厚4.50m，頂管距離L取84m，頂管估算頂力分別為1858t和2513t。

3 頂管施工數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

本頂管工程使用ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，采用三維模型，考慮到頂管施工中每段管節(jié)的頂進(jìn)情況相似，因此僅模擬頂進(jìn)途中任意兩段管節(jié)的頂進(jìn)情況。

頂管模型尺寸為26.5m×8.1m×4.95m，頂進(jìn)前端為實(shí)心，模擬頂管機(jī)，剩余部分為中空管節(jié)，上下壁厚 0.70m，兩側(cè)壁厚 0.55m；土體模型尺寸為50m×40m×25m。

考慮到深層土體對(duì)頂管施工的影響較小，故將土體分為兩層，均采用線性Drucker-Prager模型，取探孔H006作為計(jì)算土層典型值，并假設(shè)各土層各向同性。

模型中土體與頂管均采用非協(xié)調(diào)的八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元（C3D8I）。土體底部邊界約束豎向位移，土體兩側(cè)邊界約束水平位移，土體完成地應(yīng)力平衡后，加入頂管，并進(jìn)行自重應(yīng)力平衡。

3.2 頂管施工過程模擬

本次數(shù)值模擬將頂管的頂進(jìn)過程分解為兩個(gè)階段，第一階段：移除頂進(jìn)前端的土體，同時(shí)在開挖面上施加相應(yīng)的土壓力，模擬土壓、泥水的平衡狀態(tài)；第二階段：在頂管后端施加位移，模擬頂進(jìn)設(shè)備的加載過程，同時(shí)在頂管機(jī)處施加迎面阻力。

鋼筋混凝土管表面與密實(shí)粉土的摩擦系數(shù)一般為0.35～0.55，本項(xiàng)目擬采用注漿減阻的施工措施，故模擬中取管道與土的摩擦系數(shù)為0.4×0.3 = 0 .12。頂管四周均與土體設(shè)置摩擦，即不考慮超挖與欠挖的影響；同時(shí)，選擇“硬接觸”為接觸壓力與間隙的關(guān)系，即接觸面之間能夠傳遞的接觸壓力的大小不受限制，當(dāng)接觸壓力變?yōu)榱慊蜇?fù)值時(shí)，兩個(gè)接觸面分離，并且去掉相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上的接觸約束。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

1）頂管頂力。根據(jù)ABAQUS的計(jì)算結(jié)果，與式（2）、式（3）計(jì)算值進(jìn)行比較，ABAQUS計(jì)算值均大于理論計(jì)算值。主要是采用觸變泥漿的管外壁單位面積平均摩擦阻力取值的不確定性，規(guī)范提供的建議值及各地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)值有一定的區(qū)別，值得一提的是，使用ABAQUS計(jì)算時(shí)，管道與土體間的摩擦系數(shù)也是經(jīng)驗(yàn)取值，決定因素是周圍土體的物理指標(biāo)，可見，管道所在土層性質(zhì)對(duì)施工頂力起著決定性作用。

表1 ABAQUS計(jì)算值與理論公式計(jì)算值的比較

2）管道摩阻力。由于管道的自重及管道下方土體的卸載回彈，管道摩阻力在管道底部最大，管道下方土體性質(zhì)對(duì)管道摩阻力的影響更為顯著。根據(jù)平衡關(guān)系F頂=P阻+F摩，第一管節(jié)及第二管節(jié)完成時(shí)管道摩阻力分別占總頂力的71.8%和72.5%，并隨著頂進(jìn)過程的進(jìn)行，管道摩阻力對(duì)施工總頂力的影響越大。

3）管道應(yīng)力。管頂?shù)膽?yīng)力集中在頂進(jìn)段的中部，管底的應(yīng)力主要集中在頂進(jìn)段的中后部；管道兩側(cè)外壁的應(yīng)力比管道內(nèi)壁大，且最大值在內(nèi)側(cè)壁的中下部，但總體上小于管道上部及下部的應(yīng)力，表明管側(cè)土壓力對(duì)管道的影響較小。

4）土體應(yīng)力。由于下部的土體開挖導(dǎo)致該區(qū)域中的土體塌陷松動(dòng)，使得豎直應(yīng)力轉(zhuǎn)化為水平應(yīng)力。在靠近管頂兩端的土體水平應(yīng)力表現(xiàn)為向下的拱，水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力相應(yīng)減小，頂管施工使得擾動(dòng)區(qū)域產(chǎn)生了土拱效應(yīng)；然而，在靠近管頂中部的土體水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力情況仍與靠近地面的土體相似，即主要表現(xiàn)為土體的坍塌松動(dòng)，并未形成有效的土拱。

4 頂管施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析

本頂管施工采用土壓平衡頂管機(jī)施工方法，并綜合利用組合刀盤全斷面切削技術(shù)、土體改良技術(shù)、觸變泥漿技術(shù)、頂進(jìn)姿態(tài)動(dòng)態(tài)控制技術(shù)等，成功完成了頂管工程。

1）頂管頂力分析。式（2）和式（3）中頂力與管道長(zhǎng)度均呈線性關(guān)系。但實(shí)測(cè)表明，短距離頂管頂力隨頂距并不呈明顯的增長(zhǎng)關(guān)系，原因是采用觸變泥漿減阻后，在頂進(jìn)距離較短時(shí)，側(cè)摩阻力變化較小，迎面阻力起主要作用。本工程頂力在最初6.45m以內(nèi)，頂管處于加固區(qū)，頂力均為3200t。隨后進(jìn)入粉砂層，頂力變?yōu)?400～1600t之間，最后再進(jìn)入加固區(qū)，頂力又重新回到 3300～3500t。

通過與實(shí)測(cè)值對(duì)比，式（2）和式（3）的計(jì)算結(jié)果偏小，ABAQUS的計(jì)算結(jié)果較為合理，但對(duì)迎面阻力的估算值偏小。由于本項(xiàng)目施工中采用了頂進(jìn)區(qū)地下障礙處理技術(shù)，對(duì)局部土層進(jìn)行了加固，影響了實(shí)際頂力。

2）頂管出土量分析。本工程的出土量頂進(jìn)距離在9m之前，出土量是波動(dòng)上升的；之后9m～76m之間出土量維持在55m3上下波動(dòng)，76m～84m之間也就是進(jìn)入接收井的過程中，出土量在逐漸下降。理論出土量為60.68m3，在頂進(jìn)過程中，實(shí)際出土量與理論出土量基本一致，確保正面土體的相對(duì)穩(wěn)定，有效控制了地面沉降量。

5 結(jié)論

通過對(duì)實(shí)際頂管工程中施工頂力的理論計(jì)算、頂管施工數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析，可以得到一些淺埋大斷面矩形頂管施工中的注意點(diǎn)：

1）對(duì)于大斷面矩形頂管，在埋置深度較淺時(shí)，管道上覆土層很難形成有效的土拱，管頂上部土體容易發(fā)生坍塌，造成地表下陷。

2）對(duì)于鋼筋混凝土頂管，管壁厚，混凝土的彈性模量大，管道變形很小，但對(duì)于大斷面矩形管道，應(yīng)重視頂部和底部的擾度控制，保證管道的整體性。

3）隨著觸變泥漿的采用，泥漿套對(duì)頂管側(cè)摩阻力的影響明顯，施工頂力主要與土層的性質(zhì)有關(guān)。

4）施工前，為了保證矩形頂管能順利的頂進(jìn)，在計(jì)算頂管機(jī)迎面阻力時(shí)需給予一定的安全系數(shù)，使用了大量程的千斤頂，確保頂進(jìn)設(shè)備的頂力富余量。

5）施工時(shí)，應(yīng)保證連續(xù)均衡施工，避免出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間擱置情況，并嚴(yán)格控制出土量，防止欠挖或超挖。