頂管施工土壓力及頂力的理論計(jì)算與實(shí)測(cè)分析

方科楠 王 雙 高 鑫 余 琳 陳忠清

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.中兵勘察設(shè)計(jì)研究院，北京 100053)

目前頂管施工設(shè)計(jì)主要圍繞圓形頂管頂力的計(jì)算而展開.頂力計(jì)算的前提是國(guó)外學(xué)者提出的頂力理論計(jì)算的兩個(gè)假設(shè)：挖掘面穩(wěn)定假設(shè)[1]和管土全接觸假設(shè)[2].其中管土全接觸假設(shè)認(rèn)為，管道頂進(jìn)過程中土體與管道周圍全接觸，因此被周圍的土體加載，頂力主要克服作用在管周的土壓力引起的摩阻力.國(guó)外學(xué)者將規(guī)范中的經(jīng)驗(yàn)公式，與挖掘面穩(wěn)定假設(shè)和管土全接觸假設(shè)三者的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較分析，得出了太沙基土壓力理論與實(shí)際值較接近[3]的結(jié)論.頂力與土壓力是頂管施工中的兩個(gè)重要參數(shù)，綜合反映頂管施工中注漿工藝水平、軸線控制的質(zhì)量等，所以總結(jié)、分析頂管土壓力與頂力的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程數(shù)據(jù)，比較其與理論計(jì)算結(jié)果之間的差異，具有現(xiàn)實(shí)意義.

1 工程概況

某工程頂管工程總長(zhǎng)915 m，采用2×DN4000鋼筋混凝土頂管，共兩個(gè)工作井.由于頂管全線埋深差別不大，除部分區(qū)域受到河道的影響外，整個(gè)工程的地質(zhì)情況變化不大，計(jì)算過程取值采用未受河道影響區(qū)域的數(shù)據(jù)，工程基本參數(shù)如表1所示.

表1 工程基本參數(shù)表

參數(shù)名稱單 位取 值管頂埋深hm9 75管段半徑R0m2 32頂管機(jī)半徑Rm2 34頂進(jìn)速度vmm/min50注漿壓力設(shè)定值P標(biāo)MPa0 2流體稠度系數(shù)KPa·sn1 31土體彈性模量EMPa7 4土體泊松比μ0 35土體內(nèi)摩擦角?°10 9土體粘聚力ckPa11土的平均密度γkN/m317 4埋 深Hm12 09

2 理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

2.1 頂管土壓力

頂管受到的土壓力一般可分為三種，分別是垂直土壓力、側(cè)向土壓力以及地基反力[4],其中主要荷載為垂直土壓力.目前垂直土壓力最常用的計(jì)算理論主要有土柱理論、太沙基理論、普氏理論等，這三種理論的計(jì)算公式如下[5].

2.1.1 土柱理論公式：

qv=γ·h.

(1)

式中：γ為土層密度；h為管頂深度.

2.1.2 太沙基理論公式：

(2)

式中：K為側(cè)向土壓力系數(shù)，取1.0；μ為土摩擦系數(shù)，取0.3；h為管頂深度；γ為土層密度；Be為擾動(dòng)土寬度：

2.1.3 普式理論公式：

(3)

式中：γ為土層密度；φ為土體內(nèi)摩擦角；D為頂管外徑.

為獲得作用在頂管管道上的實(shí)際土壓力值，該工程采用JTM-V2000(B)型正弦式土壓力盒測(cè)量頂管管壁上的接觸壓力，其量程為0.4 MPa，精度為2%FS，土壓力盒布置如圖1所示.

表2為在現(xiàn)場(chǎng)由土壓力盒測(cè)量及采用不同理論計(jì)算方法得到的管頂處垂直土壓力.由表2可知，太沙基理論計(jì)算的誤差遠(yuǎn)小于土柱理論與普式理論.其原因可能是土柱理論未考慮土拱效應(yīng)，普式理論未考慮土體本身的粘聚力產(chǎn)生的挾持作用[6]，而太沙基理論計(jì)算結(jié)果相對(duì)保守，因而與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差不大，較適用于本工程管頂垂直土壓力的計(jì)算.

圖1 土壓力盒與鋼筋應(yīng)力計(jì)布設(shè)圖

表2 實(shí)測(cè)與不同計(jì)算方法得到的管頂垂直土壓力

獲得方法管頂土壓力/MPa誤差/%現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量0 150(均值)土柱理論0 17013 3太沙基理論0 1434 7普式理論0 17516 7

2.2 頂力與頂程關(guān)系分析

目前在頂管施工中還沒有較統(tǒng)一的頂力理論計(jì)算公式.魏綱[7]等收集和篩選出若干現(xiàn)有的頂力計(jì)算公式，其中之一如下：

(4)

式中：D1為頂管外徑；D2為掘進(jìn)機(jī)直徑；L為頂進(jìn)距離；γ為土層密度；H為頂管覆蓋土層厚度.

式(4)表明，當(dāng)D1，D2，R,r,和H一定時(shí)，頂管頂力F隨著頂程L的增加而呈線性增加的趨勢(shì)，然而這種現(xiàn)象是不可能存在的.出現(xiàn)這種情況的假設(shè)條件是,頂管在施工過程中一直處于同一土層條件或者頂進(jìn)距離很短.在實(shí)際施工過程中，頂管頂力會(huì)受到不同的土層條件、地下水、施工停頓、注漿工藝、超徑比、管道狀況及管線偏離等因素影響[8]，因此頂力會(huì)隨著頂程發(fā)生起伏變化，而不是呈線性關(guān)系.

2.3 頂管頂力

2.3.1 理論計(jì)算

頂管頂力由頂進(jìn)正面阻力與頂管管壁摩阻力兩部分組成.

頂管頂進(jìn)正面阻力近似等于頂管前端的水平土壓力，可采用朗肯土壓力理論來計(jì)算[9].一般為了方便計(jì)算，可以將頂管前端中心點(diǎn)所受到的阻力簡(jiǎn)化成頂管圓周上的均勻分布力.因該工程的土層位于無水位影響的區(qū)域，所以不考慮水壓力.

頂管管壁摩阻力是決定施工頂推力大小的關(guān)鍵因素，頂力主要用來克服由作用在管周的土壓力引起的摩擦阻力[10].在計(jì)算管壁摩阻力時(shí)，假設(shè)頂管一直保持水平頂進(jìn)狀態(tài)，即頂進(jìn)方向與水平方向的夾角為零.葉藝超[11]通過彈性力學(xué)中的半無限空間彈性體柱形圓孔擴(kuò)張理論得出了泥漿套厚度的計(jì)算方法，進(jìn)而可得到頂管管壁摩阻力的計(jì)算公式.

由以上方法計(jì)算的頂管頂力見表3.

2.3.2 實(shí)測(cè)值

本工程在頂管縱向鋼筋上安設(shè)有鋼筋應(yīng)力計(jì)，其布置如圖1所示，該鋼筋應(yīng)力計(jì)采用振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)，在試驗(yàn)管段出洞之前測(cè)得土壓力盒的初始頻率，管段出洞后按需求測(cè)得各時(shí)刻土壓力盒的頻率，從而得到頂管頂力的實(shí)測(cè)值，見表3.

由表3可知，理論公式計(jì)算出的頂管頂力值與工程實(shí)測(cè)值相差甚遠(yuǎn)，其原因可能是在理論計(jì)算中出于安全因素的考慮，將工程中可能會(huì)出現(xiàn)的偶然因素都計(jì)入其中.在當(dāng)前工程作業(yè)過程中，采用先進(jìn)的注漿減摩技術(shù)，可將頂管管壁與土間的空隙控制得非常好，在注入泥漿后可以降低頂管與周圍土體的摩擦系數(shù)[12]，即泥漿在消除管壁摩阻力方面起到了非常大的作用,使得實(shí)際工程中的管壁摩阻力遠(yuǎn)小于現(xiàn)有公式的計(jì)算值[13].

表3 頂管頂力實(shí)測(cè)值與理論值比較 kN

3 結(jié)論

a.在運(yùn)用三大理論公式進(jìn)行計(jì)算后可知，太沙基理論公式與實(shí)際值誤差最小，同時(shí)也驗(yàn)證了規(guī)范中的經(jīng)驗(yàn)公式與理論計(jì)算結(jié)果的正確性；

b.由于頂管在頂進(jìn)過程中受到不同土層性質(zhì)及其它因素影響，頂力的變化規(guī)律一直是研究的難題.現(xiàn)今需要對(duì)其影響因素進(jìn)行深層剖析，尋找能夠較好預(yù)測(cè)頂力隨頂程變化規(guī)律的方法；

c.由于摩阻力的存在，施工會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，為了消除這一影響，一般會(huì)在施工中采用注漿減摩措施.因此，在實(shí)際工程中所測(cè)得的管壁摩阻力會(huì)明顯小于現(xiàn)有理論公式的計(jì)算值.

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