淺埋大斷面矩形頂管施工研究與應用

丁傳武 華 江

（江蘇揚建集團有限公司， 江蘇 揚州 225000）

頂管斷面形式多圓形為主，圓形頂管技術在國內外己經得到了充分發展，在大口徑、長距離以及曲線頂管的施工方面積累了許多經驗。然而，矩形頂管斷面利用率高，能節省約20%的空間，并且比圓形頂管有更好的淺覆土適應能力，從而可大大降低下穿各類構筑物的坡度和深度，更適用于城市各類聯絡通道，下穿鐵路、公路、立交隧道，地下共同溝等工程。目前，國內淺埋大斷面矩形頂管工程并不多見，理論分析及施工技術尚不成熟。

1 工程概況

本頂管工程為相鄰兩地下車庫間聯絡通道，呈南北走向，全長約為141.5m，分為兩段，一段為明挖段，長度為 65.5m，另一段為頂管段，頂管長度為84m，矩形頂管截面尺寸為8100mm×4950mm，采用工廠預制鋼筋砼管片，管片厚度為550mm，砼強度等級為C50。

場地地層剖面示意圖

2 頂管頂力的理論計算

現有的計算頂管頂力的公式有很多，大多基于普式理論，但是一般認為，當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土時，頂管上部土體難以形成足夠大的卸載拱效應，因此，淺埋大斷面矩形頂管頂力的估算方法值得探討。

頂進力是頂管施工的主動力，是頂管施工中的重要參數。頂進設備提供的頂力大小在最保守狀態下需等于頂管過程中迎面阻力P阻與側摩阻力F摩之和，即F頂=P阻+F摩。

其中，對于土壓、泥水平衡式頂管機的迎面阻力P阻，綜合實際頂管的施工過程，以土體壓力作用點處靜止土壓力為基準對迎面阻力P阻進行計算：

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

對《給水排水管道工程施工及驗收規范》中的圓形頂管經驗公式進行轉換，可以得到矩形頂管頂力計算經驗公式為：

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），通過試驗確定；對于采用觸變泥漿減阻技術的按規范提供的參數選用。

在上海地區，矩形頂管技術的發展時間較早，結合上海地質地層條件，采用觸變泥漿頂管的經驗認為，矩形頂管的阻力可按管道外表面 8～12kN/m2計算，得到上海地區矩形頂管頂力計算經驗公式為：

式中：θ為頂力經驗系數，與地區地質條件有關，上海地區一般取8～12kN/m2。

本工程頂管頂力分別按式（2）、式（2）進行估算，計算取探孔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 頂管施工數值模擬

3.1 數值模型建立

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

頂管模型尺寸為26.5m×8.1m×4.95m，頂進前端為實心，模擬頂管機，剩余部分為中空管節，上下壁厚 0.70m，兩側壁厚 0.55m；土體模型尺寸為50m×40m×25m。

考慮到深層土體對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作為計算土層典型值，并假設各土層各向同性。

模型中土體與頂管均采用非協調的八結點線性六面體單元（C3D8I）。土體底部邊界約束豎向位移，土體兩側邊界約束水平位移，土體完成地應力平衡后，加入頂管，并進行自重應力平衡。

3.2 頂管施工過程模擬

本次數值模擬將頂管的頂進過程分解為兩個階段，第一階段：移除頂進前端的土體，同時在開挖面上施加相應的土壓力，模擬土壓、泥水的平衡狀態；第二階段：在頂管后端施加位移，模擬頂進設備的加載過程，同時在頂管機處施加迎面阻力。

鋼筋混凝土管表面與密實粉土的摩擦系數一般為0.35～0.55，本項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為0.4×0.3 = 0 .12。頂管四周均與土體設置摩擦，即不考慮超挖與欠挖的影響；同時，選擇“硬接觸”為接觸壓力與間隙的關系，即接觸面之間能夠傳遞的接觸壓力的大小不受限制，當接觸壓力變為零或負值時，兩個接觸面分離，并且去掉相應節點上的接觸約束。

3.3 計算結果分析

1）頂管頂力。根據ABAQUS的計算結果，與式（2）、式（3）計算值進行比較，ABAQUS計算值均大于理論計算值。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，規范提供的建議值及各地區的經驗值有一定的區別，值得一提的是，使用ABAQUS計算時，管道與土體間的摩擦系數也是經驗取值，決定因素是周圍土體的物理指標，可見，管道所在土層性質對施工頂力起著決定性作用。

表1 ABAQUS計算值與理論公式計算值的比較

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，管道下方土體性質對管道摩阻力的影響更為顯著。根據平衡關系F頂=P阻+F摩，第一管節及第二管節完成時管道摩阻力分別占總頂力的71.8%和72.5%，并隨著頂進過程的進行，管道摩阻力對施工總頂力的影響越大。

3）管道應力。管頂的應力集中在頂進段的中部，管底的應力主要集中在頂進段的中后部；管道兩側外壁的應力比管道內壁大，且最大值在內側壁的中下部，但總體上小于管道上部及下部的應力，表明管側土壓力對管道的影響較小。

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

4 頂管施工現場數據分析

本頂管施工采用土壓平衡頂管機施工方法，并綜合利用組合刀盤全斷面切削技術、土體改良技術、觸變泥漿技術、頂進姿態動態控制技術等，成功完成了頂管工程。

1）頂管頂力分析。式（2）和式（3）中頂力與管道長度均呈線性關系。但實測表明，短距離頂管頂力隨頂距并不呈明顯的增長關系，原因是采用觸變泥漿減阻后，在頂進距離較短時，側摩阻力變化較小，迎面阻力起主要作用。本工程頂力在最初6.45m以內，頂管處于加固區，頂力均為3200t。隨后進入粉砂層，頂力變為1400～1600t之間，最后再進入加固區，頂力又重新回到 3300～3500t。

通過與實測值對比，式（2）和式（3）的計算結果偏小，ABAQUS的計算結果較為合理，但對迎面阻力的估算值偏小。由于本項目施工中采用了頂進區地下障礙處理技術，對局部土層進行了加固，影響了實際頂力。

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

5 結論

通過對實際頂管工程中施工頂力的理論計算、頂管施工數值模擬以及現場數據分析，可以得到一些淺埋大斷面矩形頂管施工中的注意點：

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

2）對于鋼筋混凝土頂管，管壁厚，混凝土的彈性模量大，管道變形很小，但對于大斷面矩形管道，應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，泥漿套對頂管側摩阻力的影響明顯，施工頂力主要與土層的性質有關。

4）施工前，為了保證矩形頂管能順利的頂進，在計算頂管機迎面阻力時需給予一定的安全系數，使用了大量程的千斤頂，確保頂進設備的頂力富余量。

5）施工時，應保證連續均衡施工，避免出現長時間擱置情況，并嚴格控制出土量，防止欠挖或超挖。