道路工程頂管施工力學(xué)效應(yīng)及工程應(yīng)用研究

余鵬飛，郭尤林

(1.湖南省益陽市公路管理局，湖南 益陽 413000;2.湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽 413000)

0 引言

隨著中國城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市道路的發(fā)展進(jìn)入了前所未有的繁榮時(shí)期。道路的排水是道路工程必須考慮的因素之一。對(duì)于當(dāng)前現(xiàn)代化和規(guī)?；某鞘卸?，傳統(tǒng)的挖槽埋管地下管線施工技術(shù)在城市建設(shè)施工中的應(yīng)用存在著很大的困難，因?yàn)槠湫枰獙?duì)城市交通造成很大的不便，對(duì)于城市的人口密度大、交通狀況不佳以及對(duì)開挖施工嚴(yán)格控制的要求等特點(diǎn)是不被允許的。而頂管技術(shù)憑借其強(qiáng)大的復(fù)雜工程地質(zhì)條件適應(yīng)性的優(yōu)勢(shì)，為在沿海城市地下管道施工建設(shè)提供了較好的途徑。頂管法施工以其施工快捷，對(duì)周圍環(huán)境影響小等特點(diǎn)［1］，近幾年來在該地區(qū)被廣泛采用，此外這種工法對(duì)雨水和生活廢水的特殊施工要求具有很好的適應(yīng)性。

1 頂管技術(shù)力學(xué)效應(yīng)

頂進(jìn)管道的設(shè)計(jì)必須綜合考慮管道在地層中的受力狀態(tài)、地表荷載及其他可能產(chǎn)生影響的應(yīng)力情況［2］。然而，由于沒有頂進(jìn)管道的合適計(jì)算公式，而習(xí)慣于使用掘進(jìn)法鋪設(shè)管道的計(jì)算方法，這種先掘進(jìn)后填埋的方法，就不能有效地滿足頂進(jìn)管道的特殊要求?，F(xiàn)行的規(guī)范主要適用于在粘土和無粘性地層采用頂進(jìn)法施工的圓形管道。

1.1 頂進(jìn)管道的受力分析

1.1.1 垂直管道軸線方向上的荷載

垂直管道軸線方向上的荷載主要包括土壓力、交通荷載及管道的重量、管道內(nèi)正(負(fù))壓力為主的其他荷載。

土應(yīng)力或管道上部土的重力是埋地管道所受最大應(yīng)力的主要來源。因此，如何正確計(jì)算土的應(yīng)力情況，對(duì)于管道的安全與穩(wěn)定十分重要。Terzaghi通過實(shí)驗(yàn)［3］，并以土的筒倉理論(Silo Theory)為基礎(chǔ)，建立了描述作用于水平土條上力的計(jì)算模型，如圖1 所示。

圖1 水平土條力的計(jì)算模型

圖1 中，各部分滿足該關(guān)系:

式中，b 為管道上方的影響寬度;γ 為土體重度;c 為土體的粘聚力;δ 為剪切面中土的摩擦角;k 為管道上方的土壓力系數(shù)。

整理上述關(guān)系式(1)，可得微分方程:

假設(shè)z=h，簡化式(2)可得:

式中:PEv為作用于管道頂部的垂直土壓力;其余符號(hào)意義同前式。

式(3)中，k 為由于筒倉效應(yīng)引起的土壓力下降系數(shù)，且:

由式(4)可知，頂進(jìn)管道的垂直土壓力主要取決于以下因素:①覆蓋土層厚度h;②管道上方的土壓力系數(shù)K;③管道上方的影響寬度b;④土的容重γ;⑤剪切面中土的摩擦角δ。

可以發(fā)現(xiàn)以上參數(shù)中，覆蓋土層厚度h 和土的容重γ 通過測(cè)量和實(shí)驗(yàn)確定，其他3 個(gè)參數(shù)必須根據(jù)土力學(xué)的相關(guān)理論來確定。Terzaghi 認(rèn)為δ 的取值與土的內(nèi)摩擦角φ 相等;Houska 認(rèn)為δ 應(yīng)該為2φ/3;德國規(guī)范ATV A 161 中取δ=φ/2。

垂直作用于管道軸線的荷載，除了土壓力和交通荷載外，還應(yīng)適當(dāng)考慮以下荷載:管道的重量，管道內(nèi)正(負(fù))壓力，外部水壓力，空氣壓縮力，平衡流體壓力等等。但是有些作用力通常不考慮，如:流體對(duì)管道的浮力、地下水壓力。

1.1.2 管道所受剪切力

德國規(guī)范ATV A 161 中，將管道簡化為圓形截面梁，剪切力可以依據(jù)所受荷載和支撐情況確定。剪切力大小由管道周圍的荷載分布和支撐決定，并取決于土層中土的性質(zhì)。無粘性土和穩(wěn)定粘性土情況完全不同。

設(shè)計(jì)管道時(shí)，先應(yīng)該確定管道上作用的力矩和正壓力。根據(jù)管道的施工狀態(tài)和管道運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算剪切力。表1 為頂進(jìn)管道重要受力及其相應(yīng)剪切力計(jì)算方法。

表1 剪切力計(jì)算方法

1.2 頂進(jìn)力的分析計(jì)算

頂進(jìn)力是頂管施工中推動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)及相關(guān)機(jī)器設(shè)備運(yùn)動(dòng)向前的力，在頂進(jìn)過程中需要克服各種助力(貫入阻力和摩擦力等)，并且還受到各種各樣的外界因素(后背位移、糾偏等)的影響，施工前如何準(zhǔn)確計(jì)算頂進(jìn)力至關(guān)重要。準(zhǔn)確、合理的頂進(jìn)力對(duì)于頂管管道工程具有非常重要的意義和作用。頂進(jìn)力的影響因素分為兩大類，一類是施工工藝條件，另一類是設(shè)計(jì)和施工條件［4］。

1)施工工藝方面的影響包括:①施工超挖量;②潤滑措施;③曲段頂進(jìn);④管道錯(cuò)位;⑤管道頂進(jìn)速度;⑥施工時(shí)間和間隔頻率。

2)設(shè)計(jì)和施工條件的影響包括:①管道形狀、尺寸、自重和外表面情況;②施工管線長度;③地下水位;④土體穩(wěn)定性;⑤覆蓋土層厚度及土的容重;⑥地表荷載分布。

必須注意的是，上述影響大部分只針對(duì)摩擦阻力，少數(shù)針對(duì)貫入阻力。

1.2.1 迎面切入阻力的分析計(jì)算

頂管技術(shù)工法分壓力平衡式和敞開式，不同的形式其迎面切入阻力不同。壓力平衡掘進(jìn)法包括土壓平衡法、水泥平衡法等。敞開式工法包括非壓力平衡法和手掘式頂管法［5］。

1)壓力平衡式法計(jì)算。

壓力平衡法中迎面切入阻力由三個(gè)部分組成:作用于切削工具刃口上的阻力、切削刀上的阻力和工作腔中的壓力。計(jì)算公式如下:

式中，Ps為壓力平衡頂管的迎面阻力，kN。

經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算為:

式中，Ds為掘進(jìn)機(jī)外徑;N 為貫入指數(shù)。

2)敞開式法計(jì)算。

各國科學(xué)家對(duì)頂管施工切削工具管額切入阻力進(jìn)行了很多研究，其中以德國人和日本人最為突出。

德國人Herzog 對(duì)打入樁的深入觀察研究和現(xiàn)場(chǎng)記錄的結(jié)合，建立了切削阻力計(jì)算公式:

式中，Ps為切入阻力;Ds為機(jī)器外徑;ts為工具管壁厚;ps為單位面積的端部力。

根據(jù)實(shí)際施工記錄和試驗(yàn)的分析研究，Weber寫出了確切的切削阻力公式:

式中:γB為土的容重;z 為覆蓋土層厚度;φ 為內(nèi)摩擦角;λc為承載力系數(shù)，該值與內(nèi)摩擦角的關(guān)系見圖2 所示。

圖2 承載力系數(shù)與內(nèi)摩擦角的關(guān)系圖

1.2.2 頂管施工摩擦阻力的分析計(jì)算

摩擦阻力在頂管施工中受到很多因素影響，很難精確計(jì)算。近似計(jì)算則成為比較經(jīng)典的計(jì)算方法，通過采用單位面積上摩擦阻力的經(jīng)驗(yàn)值與管道的外表面積的乘積來計(jì)算頂進(jìn)力。不同地層有不同的摩阻力，但由于數(shù)據(jù)差距太大，在實(shí)際工作中價(jià)值不大。

德國學(xué)者D.Stein［6］利用經(jīng)典方法，先確定簡單摩擦力常數(shù)M，再計(jì)算管道運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力。計(jì)算公式如下:

式中，P 為作用于管道上的摩擦阻力;Dp為管道外徑;M 為管道表面摩擦力;L 為管道長度。

進(jìn)行頂管施工時(shí)，因?yàn)榫蜻M(jìn)的直徑必須要大于管道直徑，摩擦阻力的預(yù)測(cè)可能是最為簡單的。其公式為:

式中，P 為摩阻力;Wp為管道單位長度重量;δp為管道和巖石間的摩擦角;ζ 為反力方向與垂直方向偏角。

2 頂進(jìn)力影響因素分析

頂管、微型管道在道路工程施工過程中，頂進(jìn)力的大小等于迎面阻力及管線上作用的摩阻力之和相等，所以頂進(jìn)力的影響因素主要有地層類型、覆土的頂進(jìn)的長度、厚度、管道的外表面結(jié)構(gòu)及形狀等，除此之外，頂進(jìn)的速度、土和水在掘進(jìn)面上的反作用力、施工過程中的管道潤滑和超挖量以及施工停頓等因素也會(huì)對(duì)頂進(jìn)力產(chǎn)生很大的影響。因此對(duì)以下幾方面進(jìn)行討論:①土體穩(wěn)定性及地下水;②施工中的停頓;③注漿潤滑;④管道的涂層;⑤超徑比;⑥管道直徑和外表面狀況;⑦管線方向偏離;⑧施工長度。

在頂管施工中，除了土的摩擦系數(shù)對(duì)頂進(jìn)力的影響外，土的自支撐能力也是一個(gè)重要因素。對(duì)于無粘性粗顆粒土而言，因?yàn)榫蜻M(jìn)面的掘進(jìn)所引起地下空隙水的負(fù)壓會(huì)快速消散，因此管道上部土層會(huì)在掘進(jìn)后立刻塌落至管道外側(cè)。在無粘性細(xì)顆粒土地層中，因?yàn)榈貙拥臐B透系數(shù)比較低，該地層的內(nèi)在坍塌過程將會(huì)相應(yīng)延遲。對(duì)于粘土類地層，不但因?yàn)檎惩令w粒細(xì)小，同時(shí)也內(nèi)含復(fù)雜的粘土礦物成分，地層的滲透性一般都小于10－8m/s，土的自立時(shí)間也相當(dāng)長。因此，在粘土地層中施工管道時(shí)，要根據(jù)粘土的確切滲透性以推斷土體的自立時(shí)間，從而推斷管道與地層之間產(chǎn)生間隙的可能性大小，當(dāng)然，這種間隙的成因與無粘性土有很大不同。

一般來說，在地層的穩(wěn)定系數(shù)Ns≥6 時(shí)，管道將會(huì)發(fā)生擠壓變形。Ns可以通過下式來進(jìn)行簡化計(jì)算:

式中，δT為管道內(nèi)的平衡的壓力，kN/m3;γ 為土容重，kN/m3;h 為覆土的厚度，m;cu為土在無排水條件下的剪切強(qiáng)度，kN/m3。

在土層呈顆粒狀情況下進(jìn)行施工時(shí)，因?yàn)榈貙泳哂信蛎浶裕厝粫?huì)產(chǎn)生土拱效應(yīng)，上部地層是否會(huì)對(duì)管道施加壓力是由地層膨脹的程度和局部應(yīng)力狀態(tài)決定的。例如，施工在致密有棱角的粒狀并且具有膨脹性能十分明顯的土層中進(jìn)行時(shí)，頂進(jìn)管道上受到的應(yīng)力要遠(yuǎn)小于施工在松散風(fēng)積砂層的土層中進(jìn)行時(shí)的應(yīng)力，這是因?yàn)橥凉靶?yīng)在松散砂層中可能會(huì)完全失效，上部坍落砂層會(huì)在管道上施加絕大部分或全部壓力。

地下水位的位置是另外一個(gè)影響地層穩(wěn)定性的重要因素。在當(dāng)?shù)叵滤灰韵碌貙又惺┕r(shí)，可以采用如下改進(jìn)公式對(duì)作用在管道上的垂直壓力進(jìn)行計(jì)算:

式中:γ 為土容重，kN/m3;γw為水容重，kN/m3;h1為覆土在地下水位以上的厚度，m;hw為施工位置與地下水位的垂直距離，m。

由于上述的變化，同時(shí)考慮到地下孔隙水壓力γwhw是全方位存在的，所以作用于管線上的正壓力會(huì)因此而發(fā)生變化。假定施工過程中頂進(jìn)的速度在恒定的情況下，迎面阻力則取決于地層的性質(zhì)，而摩阻力則主要取決土層的穩(wěn)定性。一般情況下，隨著頂進(jìn)長度的增加，頂進(jìn)力將隨著掘進(jìn)面穩(wěn)定性和摩阻力的變化而變化。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某道路工程路線按規(guī)劃自金洲南路交叉口(K1+982.59)向東，穿過福灣路，止于擬建的二環(huán)南路，總長1 633.05 m。

雨水管埋設(shè)在道路兩邊非機(jī)動(dòng)車道內(nèi)，匯集后排入臺(tái)嶼河及排洪溝，管徑為D500 ～D1200 mm，出口標(biāo)高控制在3.5 m 以上。重力流污水干管設(shè)在道路中央分隔帶下，樁號(hào)K1+982.59 ～K2+900 采用頂管施工管徑D1200 ～D1600 mm;壓力流污水干管設(shè)在道路北側(cè)非機(jī)動(dòng)車道和機(jī)動(dòng)車道內(nèi)，管徑DN1400 mm。

雨水管:D300 混凝土管鋪設(shè)330 m，D400 混凝土管鋪設(shè)56 m，D500 鋼筋混凝土管鋪設(shè)1 655 m，D600 鋼筋混凝土管鋪設(shè)732 m，D800 鋼筋混凝土管鋪設(shè)505 m，D1000 鋼筋混凝土管鋪設(shè)223 m，D1200鋼筋混凝土管鋪設(shè)118 m;D1400 鋼筋混凝土管鋪設(shè)30 m，D1600 鋼筋混凝土管鋪設(shè)75 m。污水管:D300UPVC 管鋪設(shè)57 m，D600UPVC 管鋪設(shè)56 m，D1400 玻璃加砂管鋪設(shè)668 m;D1400 混凝土管頂管652 m，D1600 混凝土管頂管174 m，工作井2 座，接收井2 座。

3.2 泥水平衡頂管頂力計(jì)算

3.2.1 正面阻力計(jì)算

在本工程中，取D=2.28 m，γ=20 kN/m3，H=14.83 m，從而有:

上述H 為最大覆土層厚度，位于頂進(jìn)段，此段為風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，其重度20 kN/m3，比本工程中其他土層的重度均要大，也就是說上述計(jì)算結(jié)果為頂進(jìn)過程中的最大正面阻力。

3.2.2 摩阻力計(jì)算

管道外徑D=1.6 m，根據(jù)上述相應(yīng)計(jì)算公式計(jì)算，各層摩阻力計(jì)算累計(jì)結(jié)果為27 684.0 kN。

3.2.3 頂管總頂進(jìn)力

因此，頂管總頂進(jìn)力為:

4 結(jié)論

通過對(duì)道路工程重力排污管線頂管施工技術(shù)及力學(xué)效應(yīng)研究，本文得到以下結(jié)論:

1)道路工程頂管技術(shù)力學(xué)環(huán)境效應(yīng)研究包括頂進(jìn)管道的受力分析、頂進(jìn)力的分析計(jì)算及影響頂進(jìn)力因素三大方面。

2)分析計(jì)算頂進(jìn)管道受力應(yīng)該分別計(jì)算垂直作用于管道軸線方向的荷載、管道的剪切力。需要充分考慮管道和施工條件:管道的公稱直徑、管材類型、地層性質(zhì)、覆蓋土厚度、區(qū)域荷載、地下水情況、管內(nèi)壓力情況等等。由于影響因素過多，使得計(jì)算方法過程都比較復(fù)雜，各國工程師都進(jìn)行各種不同形式的研究，其中德國規(guī)范ATV A 161 的規(guī)定最為典型。

3)對(duì)頂進(jìn)力進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)應(yīng)包括以下兩方面的分析計(jì)算:迎面切入阻力、頂管施工摩擦阻力。敞開式頂管施工方法包括手掘式頂管及其他采用螺旋鉆頭與切削刀頭的非壓力平衡方法;壓力平衡式掘進(jìn)法包括土壓平衡法和加泥式土壓平衡法以及純粹泥水平衡等類似的工法。頂管施工摩阻力計(jì)算受到諸多因素影響，因此計(jì)算方法為經(jīng)驗(yàn)法。

4)頂管在施工中的頂進(jìn)力主要是克服迎面阻力和摩阻力。影響頂進(jìn)力的因素則包括土體穩(wěn)定性和地下水、施工停頓、注漿潤滑、管道的涂層、超徑比、管道直徑及外表面、管線方向和施工長度。

［1］趙連成.大口徑污水管道長距離頂管穿越道路工程的施工［J］.中國給水排水，2011(4):105－108.

［2］趙 晶.市政道路排水工程頂管施工技術(shù)［J］.經(jīng)營管理者，2012(12):370.

［3］李孝軍.頂管技術(shù)在道路工程中的應(yīng)用及控制要點(diǎn)［J］.交通世界(建養(yǎng).機(jī)械)，2012(8):195－197.

［4］蔡振春，梁元花.頂管技術(shù)在道路施工中的應(yīng)用［J］.水利水電施工，2007(4):29－31.

［5］王樂平，王國賢，杜錚錚，等.泥水平衡頂管技術(shù)施工方案設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用［J］.紹興文理學(xué)院學(xué)報(bào)，2005(2):76－78.

［6］劉 軍.泥水平衡頂管施工技術(shù)的應(yīng)用［J］.工程建設(shè)，2010(4):37－41，50.