淺埋矩形頂管施工頂推力動態(tài)監(jiān)測分析

（中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 廊坊 065201）

我國城市地下空間開發(fā)前景廣闊，需求與規(guī)模巨大。矩形頂管施工技術(shù)能較好地應(yīng)用于地下過街橫通道、地鐵進(jìn)出站通道及地下共同溝等工程建設(shè)施工中。國內(nèi)外學(xué)者對此做了大量的研究，其中關(guān)于頂推力、摩阻力、減摩泥漿和背土效應(yīng)等的研究取得了大量成果。

熊翦[1]采用普氏卸載拱理論，分析了矩形頂管頂進(jìn)過程中與周圍土體的受力關(guān)系，推導(dǎo)出矩形頂管頂力計算公式。葉藝超等[2]基于泥漿的觸變性，推導(dǎo)了頂管頂力的計算方法。楊紅軍等[3]對超大斷面矩形頂管推進(jìn)過程中有效控制頂進(jìn)推力的減阻技術(shù)進(jìn)行了研究。高毅等[4]分析了矩形頂管正上方土體的整體破壞過程，提出“整體背土效應(yīng)”的概念，建立了整體背土效應(yīng)預(yù)判理論。

綜上所述，國內(nèi)學(xué)者在頂管領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究和工程實踐工作，但是在淺埋矩形頂管施工中，對頂推力進(jìn)行監(jiān)測的分析不多。本文依托實驗工程，分析了頂管施工過程中整體背土效應(yīng)的演化過程，提出了一個動態(tài)監(jiān)測頂推力的方法。

1 工程概況

某地下停車場試驗項目，為采用CC 工法[5]的頂管施工大型裝配式地下工程。該地下停車場規(guī)模為85.8m×34.2m（長×寬），為地下一層結(jié)構(gòu)，設(shè)計停車位約99 個。該工程采用頂管法施工，東端為頂管始發(fā)井，坑底尺寸為36.55m×13.47m（長×寬），井深9.1m；西端為頂管接收井，坑底尺寸為36.55m×9.47m（長×寬），井深9.1m；頂進(jìn)長度為61.58m，頂管埋深為3m。地下停車場示意圖如圖1 所示。

圖1 地下停車場示意圖

本場地勘探深度范圍內(nèi)揭露的第四系（Q）沉積地層自上而下分別為：（1）人工填土、（2-1）粉砂、（2-2）粉土及（3）粉質(zhì)粘土。主要巖土參數(shù)如表1 所示。

表1 主要巖土參數(shù)

場地范圍內(nèi)地下水為第四系潛水，主要由大氣降水補(bǔ)給。地下水位埋深18m，水位年變幅2m。

地下停車場明挖基坑及頂管施工段隧道底板最大埋深9.55m，主體結(jié)構(gòu)全部位于（2-2）粉土層，稍濕，稍密～中密，該層分布連續(xù)，且位于地下水位以上。

CC 工法集成了傳統(tǒng)CRD 工法與非傳統(tǒng)Harmonica 工法中的機(jī)械化施工、隧道群密貼施工、分部暗挖、結(jié)構(gòu)受力體系轉(zhuǎn)換等優(yōu)勢，規(guī)避了傳統(tǒng)CRD 工法風(fēng)險高、作業(yè)環(huán)境差的缺陷，同時又避免了Harmonica 工法的材料浪費(fèi)。

本項目停車場由7 個頂管隧道組成（1#～7#），1#～5#隧道采用1 臺5.7m×5.0m（寬×高）分體式矩形頂管從東向西依次頂進(jìn)完成。6#、7#隧道待頂管機(jī)分體為兩臺斷面為2.85m×5.0m（寬×高）的獨(dú)立頂管機(jī)[6]后，再分別從東向西頂進(jìn)。CC 工法頂管隧道頂進(jìn)順序如圖2 所示。

圖2 CC工法頂管隧道頂進(jìn)順序

CC 工法采用了兩種型鋼-鋼筋混凝土組合管節(jié)，其中鋼側(cè)避可自由拆裝、重復(fù)利用。1#～5#隧道采用I 型管節(jié)，6#、7#隧道采用II型管節(jié)。管節(jié)規(guī)格如表2 所示。

表2 管節(jié)規(guī)格表

2 頂管頂推力計算理論

如圖3 所示，頂管在頂進(jìn)過程中，設(shè)備及管節(jié)主要受頂進(jìn)力F頂、迎面阻力F阻和摩阻力F摩三個力作用。為了保證頂進(jìn)的順利進(jìn)行，保守情況下F頂為

2.1 迎面阻力

為了保證頂管機(jī)開挖面的土體穩(wěn)定，必須保證頂管機(jī)端面壓力與地層土壓力值平衡，可以根據(jù)這個平衡關(guān)系確定端面阻力的大小[7]。本工程迎面阻力的計算工式為

圖3 頂管受力示意圖

式中As——矩形頂管機(jī)截面面積，m2；

γ——土的重力密度，kN/m3；

H0——覆土層厚度，m。

2.2 摩阻力

頂管的摩阻力由頂部摩阻力F頂、底部摩阻力F底、側(cè)面摩阻力F側(cè)組成。即

2.2.1 頂部摩阻力

由于本工程頂管周邊土的內(nèi)摩擦角小于30°，上部土體不足以形成足夠大的卸荷拱效應(yīng)，所有土體直接作用在管道上，則管道頂部土壓力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計算

式中b——管節(jié)頂部寬度，m；

l——頂管頂程，m；

μ——管土摩擦系數(shù)。

2.2.2 底部摩阻力

式中G——管節(jié)重量，kN/m2。

2.2.3 側(cè)面摩阻力

考慮土的粘聚力，矩形頂管單側(cè)平均側(cè)壓力值為

式中H1——管節(jié)高度，m；

c——土的粘聚力，kN/m2；

Ka——主動土壓力系數(shù)，Ka=tan2（45°-φ/2）。

3 整體背土效應(yīng)預(yù)判理論

高毅等從微觀分析背土效應(yīng)機(jī)理，并建立整體背土效應(yīng)簡化模型，得出發(fā)生整體背土效應(yīng)的前提條件式（9），整體背土效應(yīng)的破壞條件式（11），不同地層條件下的管土黏聚力見表3[4]。

式中C——管土黏聚力，不同地層的取值見表3。

表3 不同地層條件下的管土黏聚力

4 理論應(yīng)用分析

本工程有7 條試驗頂管隧道，整體背土效應(yīng)發(fā)生情況統(tǒng)計如表4 所示。

表4 各工況整體背土情況

4.1 整體背土效應(yīng)預(yù)判理論驗證

在無減摩泥漿的情況下，根據(jù)以上分析工況①計算參數(shù)取值為：γ=16.8kN/m3，H0=3m，b=5.7m，C=5kPa，c=10.9kPa，φ=27.1°。

將上述參數(shù)代入式（9）計算得，工況①發(fā)生整體背土效應(yīng)的前提條件是m≥0.26。已知本工程頂管管土摩擦系數(shù)為0.3，所以工況①必然發(fā)生整體背土效應(yīng)。

將參數(shù)代入式（11）計算得，工況①發(fā)生整體背土效應(yīng)的頂管頂程。

l≥23.05m=15.37 環(huán)。

由圖4 可知，工況①在頂進(jìn)第16 環(huán)時，管節(jié)上部土體所受破壞力突破周轉(zhuǎn)土體的極限約束力，發(fā)生整體背土效應(yīng)，與理論計算結(jié)果完全吻合。

圖4 工況①頂推力實測數(shù)據(jù)

4.2 頂推力計算理論修正

在使用減摩泥漿的情況下，μ個未知變量，將其它已知量代入頂推力理論計算公式計算得I型管節(jié)的頂推力理論公式為

工況④在使用減摩泥漿的情況下，未發(fā)生整體背土效應(yīng)，根據(jù)其實驗數(shù)據(jù)，選取平均摩擦系數(shù)為0.16 對式（13）進(jìn)行修正為

工況④頂推力實測數(shù)據(jù)與理論值對比如圖5所示。

圖5 工況④實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對比

4.3 工況⑤整體背土的演化

頂管頂進(jìn)過程中，減摩泥漿的使用效果動態(tài)地決定了平均摩擦系數(shù)的大小，減摩效果好，則平均摩擦系數(shù)小，推力減??；反之，推力增大。正如圖5 所反應(yīng)的一樣，實測推力值在理論值附近上下波動。

若減摩泥漿逐漸失效，致使平均摩擦系數(shù)達(dá)到管土摩擦系數(shù)的大小，則將出現(xiàn)工況①的情況。工況①、⑤與理論修正后的推力數(shù)據(jù)對比如圖6 所示。

圖6 工況①、⑤實測數(shù)據(jù)與理論值對比

正如圖6 所示，工況⑤在13 環(huán)之前推力始終高于理論水平，在減摩泥漿的介入下，實測數(shù)據(jù)與理論值的偏差逐漸減小，并于第13 環(huán)降至理論水平。但隨后減摩泥漿效果逐漸變小直至失效，最終于第33 環(huán)達(dá)到工況①的推力水平，發(fā)生整體背土效應(yīng)。

4.4 理論應(yīng)用

項目前期應(yīng)選取一個實驗段來修正推力理論公式，然后以修正后的理論數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)來動態(tài)監(jiān)測實際數(shù)據(jù)，從而判斷減阻效果；若推力發(fā)生異常，應(yīng)及時完善取減阻措施，否則將發(fā)生整體背土情況。

5 結(jié)論

本文根據(jù)項目實踐，在原有研究成果的基礎(chǔ)上，對理論在實踐中的應(yīng)用提供了一個分析思路，得出如下幾個結(jié)論。

1）整體背土效應(yīng)預(yù)判理論具有實踐意義，可以正確地預(yù)判整體背土發(fā)生的可能性及μ值確定的情況下整體背土發(fā)生的最短最距離。

2）減摩泥漿在降低頂管施工推力、防止整體背土方面起著至關(guān)重要的作用。

3）在保持現(xiàn)有減摩方案不變的情況下，頂推力可以預(yù)測。

4）本文沒有解決在整體背土情況下的頂推力預(yù)測的問題，還需進(jìn)一步研究。

綜上所述，在淺埋矩形頂管施工條件下，本文提供了一個對頂推力進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測的方法，用以判斷減阻效果及是否有發(fā)生整體背土效應(yīng)的趨勢，為以后類似工程提供借鑒。