帶鎖扣管幕頂管頂力研究*

趙笑鵬 畢湘利 潘偉強(qiáng) 于 寧 王秀志 王茂東

(1.上海隧道工程有限公司， 200232， 上海； 2.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司， 201102， 上海∥第一作者， 工程師)

隨著技術(shù)的進(jìn)步和施工設(shè)備的更新，管幕法發(fā)展迅速，分化出許多新的施工方法，包括管幕暗挖法、管幕-箱涵頂進(jìn)法、NTR(新管幕)法、STS(鋼管板)管幕法等[1-2]。在飽和軟土地區(qū)，出于止水需要，管幕頂管通常會(huì)設(shè)鎖扣，同時(shí)鎖扣又起到導(dǎo)向作用。根據(jù)鎖扣形狀不同，主要分為內(nèi)鎖扣和外鎖扣2種形式。

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)頂管頂力做了許多研究，基于理論和經(jīng)驗(yàn)提出了一些頂力計(jì)算公式。文獻(xiàn)[3]搜集了現(xiàn)有的頂力計(jì)算公式，根據(jù)計(jì)算原理，將其分為經(jīng)驗(yàn)和理論2類，并統(tǒng)一了公式中參數(shù)的符號(hào)。文獻(xiàn)[4]依托珠港澳大橋拱北隧道管幕工程，分析影響曲線頂管頂力的因素，并提出了計(jì)算方法。雖然許多現(xiàn)行的規(guī)范明確了各種類型頂管的頂力計(jì)算公式，國(guó)內(nèi)的專家學(xué)者也做了很多研究，但是目前尚無(wú)關(guān)于帶鎖扣頂管頂力的計(jì)算公式及其相關(guān)研究。因此，本文依托上海軌道交通14號(hào)線桂橋路站實(shí)例工程，分析帶鎖扣頂管頂力的形成機(jī)理和影響因素，對(duì)實(shí)際施工中頂管頂力進(jìn)行分析，提出帶鎖扣頂管頂力計(jì)算公式，以期為類似工程提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概述

上海軌道交通14號(hào)線桂橋路站附屬管幕結(jié)構(gòu)段位于上海市浦東新區(qū)王家橋路與曹家溝交界處，管幕段長(zhǎng)度為100 m，下穿曹家溝，埋深約為5.4 m。管幕段的內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面為21.99 m(寬)×7.20 m(高)，主要穿越第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和第④層淤泥質(zhì)黏土。如圖1所示,管幕段由52根頂管組成圍護(hù)結(jié)構(gòu)，這些頂管有2種直徑尺寸，其中：頂排管幕采用22根直徑為1.0 m的帶鎖扣頂管；外側(cè)及底部采用22根直徑為1.6 m的帶鎖扣頂管；中間分倉(cāng)管幕采用直徑為1.0 m的不帶鎖扣頂管。根據(jù)頂進(jìn)順序和鎖扣形式，將四周的管幕分為分倉(cāng)管、基準(zhǔn)管、承插管和閉合管，均設(shè)鎖扣；中間分倉(cāng)的管幕不設(shè)鎖扣。

注：分倉(cāng)管(G1-G8)；基準(zhǔn)管(S2，S19，D6，D17)；閉合管(Y3，Z21,D12,S8)；其余為承插管。

1.2 鎖扣設(shè)計(jì)

管幕鎖扣的主要作用是頂進(jìn)導(dǎo)向和封閉止水[5]。其中：頂進(jìn)導(dǎo)向是指后續(xù)頂管沿著先行頂管的路線頂進(jìn)，通過(guò)鎖扣限制承插管的軸線偏差，因此要求鎖扣具有較強(qiáng)的剛度和較小的自由度；封閉止水是指通過(guò)鎖扣的油脂填充隔斷管幕內(nèi)外水系，確保開(kāi)挖期間管幕止水。

本工程管幕鎖扣設(shè)計(jì)采用外鎖扣形式，分為雄口和雌口2種。如圖2所示，承插管的一側(cè)為雌口,另一側(cè)為雄口；基準(zhǔn)管兩側(cè)均采用雌口；閉合管兩側(cè)均采用雌口。

a) 承插管

頂管采用Q235b鋼管，厚度為20 mm；為提高鎖扣的剛度并加強(qiáng)其導(dǎo)向作用，鎖扣采用Q345b鋼材加工，雌口厚度為16 mm，雄口厚度為20 mm。鎖扣的水平自由度為23 mm，豎向自由度為28 mm。在頂管頂進(jìn)前，預(yù)先在鋼管雌口內(nèi)部充填特制的密封油脂，其抗?jié)B壓力可達(dá)0.2 MPa[6]。具體的鎖扣尺寸如圖3所示。

尺寸單位：mm

2 帶鎖扣頂管的頂力機(jī)理

管幕頂管一般采用小型泥水平衡式頂管機(jī)或土壓平衡式頂管機(jī)頂進(jìn)，頂管管材一般為鋼材。對(duì)于帶鎖扣的頂管，鋼管頂進(jìn)的總阻力由機(jī)頭迎面阻力、管壁摩阻力、鎖扣摩阻力和鎖扣穿越加固區(qū)阻力等4部分組成。其中，對(duì)機(jī)頭迎面阻力和管壁摩阻力相關(guān)的研究已經(jīng)較為詳盡，許多學(xué)者提出了適用于不同情況下的理論公式和經(jīng)驗(yàn)公式；鎖扣摩阻力和鎖扣穿越加固區(qū)阻力是帶鎖扣頂管頂力不同于普通頂管頂力的主要因素。

2.1 機(jī)頭迎面阻力和管壁摩阻力

目前頂管工程多采用泥水平衡式頂管機(jī)或土壓平衡式頂管機(jī)，機(jī)頭迎面阻力指刀盤(pán)與前方土體建立平衡時(shí)的土壓力，其值一般介于主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力之間。機(jī)頭迎面阻力的影響因素主要包括頂管機(jī)直徑、埋深和所處地層條件等。

在頂管的頂進(jìn)過(guò)程中，管壁受四周土體摩擦?xí)纬晒鼙谀ψ枇?，通常?huì)采取注漿措施，在管壁四周形成泥漿套，以減小管壁摩阻力。管壁摩阻力的主要影響因素包括土層特性、埋深和觸變泥漿特性等。

2.2 鎖扣摩阻力

在承插管(或閉合管)頂進(jìn)時(shí)，管幕雄口會(huì)沿著基準(zhǔn)管(或上一根頂管)的雄口內(nèi)部前進(jìn)，而承插管另一側(cè)未承插的鎖扣突出于管壁，阻礙了觸變泥漿形成泥漿套，增大了頂進(jìn)時(shí)的摩阻力，即鎖扣摩阻力。此外，由于鎖扣加工的尺寸偏差和頂管頂進(jìn)的軸線偏差等原因，雄口和雌口的間距接近甚至達(dá)到設(shè)計(jì)自由度，此時(shí)雌口會(huì)給雄口的前進(jìn)造成一定的機(jī)械摩阻力，雌口內(nèi)填滿的密封油脂對(duì)于雄口的前進(jìn)又起到一定的減少摩擦力作用。因此，鎖扣摩阻力的主要影響因素包括鎖扣尺寸、鎖扣設(shè)計(jì)自由度、頂進(jìn)軸線偏差、填充油脂的性質(zhì)等。

2.3 鎖扣穿越加固區(qū)阻力

常規(guī)圓形頂管頂進(jìn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)可隨頂管機(jī)擴(kuò)挖通道穿越洞門(mén)加固區(qū)，管壁摩阻力較小。帶鎖扣頂管穿越加固區(qū)時(shí)，頂管機(jī)的刀盤(pán)無(wú)法切削頂管兩翼鎖扣前方的加固土體，這部分土體會(huì)對(duì)頂管頂進(jìn)產(chǎn)生較大的擠壓反力，即鎖扣穿越加固區(qū)阻力。實(shí)際施工中，在頂管頂進(jìn)前會(huì)在鎖扣前方設(shè)1塊斜鋼板，如圖4所示。鎖扣前方斜板通過(guò)加固區(qū)時(shí)，擠壓加固土體，使之產(chǎn)生塑性變形。由此可知，鎖扣穿越加固區(qū)阻力大小主要與加固土體的強(qiáng)度和鎖扣尺寸有關(guān)。

圖4 鎖扣與加固土體相互作用示意圖

3 實(shí)測(cè)頂力分析

3.1 分倉(cāng)管頂力

分倉(cāng)管將管幕斷面分為3個(gè)倉(cāng)，便于分倉(cāng)開(kāi)挖。分倉(cāng)管不需要具有止水功能，因此不設(shè)鎖扣。選取圖1中的頂管G1、G6作為典型進(jìn)行分析，將頂管機(jī)的始發(fā)位置記為機(jī)頭里程0 m，其實(shí)測(cè)頂力如圖5所示。

圖5 分倉(cāng)管頂力的實(shí)測(cè)曲線

由圖6可知：

1) 在機(jī)頭里程0～5 m時(shí)，G1和G6的實(shí)測(cè)頂力約為100～200 kN；在機(jī)頭里程5 m處頂力發(fā)生突變，增加至400 kN左右。這是由于頂管機(jī)頭剛開(kāi)始在加固區(qū)中鉆進(jìn)時(shí)，前方的加固土體強(qiáng)度較高，刀盤(pán)切削速度較慢，泥漿進(jìn)排量較大，前艙尚未建立泥水平衡，此時(shí)的頂力主要由管節(jié)與導(dǎo)軌、止水箱的摩阻力構(gòu)成。待頂管機(jī)頭穿過(guò)加固區(qū)抵達(dá)機(jī)頭里程5 m處時(shí)，前艙壓力增加，開(kāi)始正式建立泥水平衡，機(jī)頭迎面阻力增加。

2) G6在頂進(jìn)至機(jī)頭里程59 m時(shí)，其頂力從550 kN突然增加至860 kN。這是由于此時(shí)G6的機(jī)頭發(fā)生故障，機(jī)殼與過(guò)渡環(huán)連接處螺栓損壞，需要停機(jī)維修2 d。停頓時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致觸變泥漿失效，進(jìn)而增加了管壁摩阻力。G6在隨后的頂進(jìn)中補(bǔ)充注入了觸變泥漿，頂力增加較為緩慢并有減小趨勢(shì)，最終頂力達(dá)到950 kN，與G1的最終頂力1 030 kN較為接近。

將頂管機(jī)頭穿越加固區(qū)時(shí)(機(jī)頭里程為5 m處)的頂力設(shè)為初始頂力，頂管接收時(shí)(機(jī)頭里程為100 m處)的頂力設(shè)為最終頂力，對(duì)8根分倉(cāng)管的頂力曲線進(jìn)行擬合，結(jié)合頂力計(jì)算公式對(duì)管壁與土體摩阻力進(jìn)行反算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。其中，初始頂力較為離散，與埋深無(wú)明顯關(guān)系，這是由于本工程頂管埋深較淺，初始頂力受頂管與導(dǎo)軌、止水箱等機(jī)械摩阻力的影響比機(jī)頭迎面阻力大。經(jīng)計(jì)算，分倉(cāng)管管壁摩阻力最大值為3.50 kPa，最小值為2.10 kPa，8根分倉(cāng)管的管壁摩阻力的平均值為2.61 kPa，均在上海市地方規(guī)范[7]中建議的參考值2～7 kPa范圍內(nèi)，并接近參考值下限。

表1 分倉(cāng)管的管壁摩阻力

3.2 基準(zhǔn)管頂力

圖6為頂排直徑1.0 m的管幕基準(zhǔn)管S2和S19的實(shí)測(cè)頂力曲線。由圖6可知：

1) S2和S19在機(jī)頭里程6 m處頂力分別從415 kN和405 kN突變至1 000 kN和840 kN，分別增加了585 kN和435 kN。隨后在首節(jié)頂管鎖扣穿過(guò)加固區(qū)后形成通道，頂力有不同程度的減小，這是由于帶鎖扣管節(jié)進(jìn)入加固區(qū)后產(chǎn)生了穿越加固區(qū)阻力所致。在頂管接近接收時(shí)同樣也出現(xiàn)了類似的頂力突變，S2和S19的頂力突變?cè)隽糠謩e為280 kN和450 kN。

圖6 基準(zhǔn)管頂力的實(shí)測(cè)曲線

2) 對(duì)S2和S19的頂力曲線進(jìn)行擬合，得到管壁摩阻力分別為4.40 kPa和4.10 kPa，約為分倉(cāng)管管壁摩阻力平均值(2.61 kPa)的1.7和1.5倍。這是由于管節(jié)兩側(cè)鎖扣突出于管壁，不利泥漿套的形成，泥漿套難以完全包裹管壁，導(dǎo)致了管壁摩阻力有所增大。

3.3 承插管頂力

限于篇幅，承插管僅選S5和S16進(jìn)行分析，其頂力實(shí)測(cè)曲線如圖7所示。由圖7可知，承插管頂力與基準(zhǔn)管頂力的變化規(guī)律類似，頂力變化可大致分為3個(gè)階段：① 鎖扣進(jìn)入加固區(qū)后頂力突變?cè)龃?，穿過(guò)加固區(qū)形成通道后頂力逐漸減小；② 在原狀土中頂進(jìn)時(shí)，頂力隨頂進(jìn)距離的增加逐漸增大；③ 最終接收時(shí)鎖扣再次進(jìn)入加固區(qū)，頂力突變?cè)龃蟆?/p>

圖7 承插管頂力的實(shí)測(cè)曲線

對(duì)承插管頂力曲線進(jìn)行擬合，得到管壁摩阻力為3.37～6.10 kPa，管壁摩阻力的平均值為4.76 kPa，約為分倉(cāng)管管壁摩阻力平均值的1.8倍，與基準(zhǔn)管S2和S19的管壁摩阻力接近。圖8為承插管管壁摩阻力分布。由圖8可知，承插管管壁摩阻力分布較分散、無(wú)明顯規(guī)律，這與承插管一側(cè)雄口在雌口中承插所受阻力變化有關(guān)。

3.4 閉合管頂力

圖9為頂排直徑1.0 m管幕閉合管S8的頂力實(shí)測(cè)曲線。圖9表明,由于兩側(cè)“T”型雄口均在雌口承插，閉合管沒(méi)有鎖扣穿越加固區(qū)阻力，頂力不存在突變現(xiàn)象。對(duì)S8頂力曲線進(jìn)行擬合得到管壁摩阻力為6.40 kPa，較基準(zhǔn)管和承插管的管壁平均摩阻力大，約為分倉(cāng)管管壁摩阻力平均值的2.5倍。這說(shuō)明了閉合管受雄口承插和鎖扣自由度影響，管壁摩阻力在所有管幕中最大。

圖8 承插管管壁摩阻力分布

圖9 閉合管頂力的實(shí)測(cè)曲線

4 關(guān)于頂力計(jì)算的討論

4.1 DG/TJ 08-2049—2016《頂管工程施工規(guī)程》[7]對(duì)頂管總頂力的計(jì)算

現(xiàn)行許多規(guī)范明確了各種頂管頂力的計(jì)算方法，但尚無(wú)帶鎖扣頂管頂力的計(jì)算公式和相關(guān)研究。在DG/TJ 08-2049—2016《頂管工程施工規(guī)程》中提出了考慮機(jī)頭迎面阻力和管壁摩阻力的總頂力計(jì)算公式，但計(jì)算時(shí)未考慮鎖扣摩阻力和鎖扣穿越加固區(qū)阻力，因而計(jì)算得到的總頂力偏小。其計(jì)算式為：

F規(guī)=F1+F2

(1)

F1=πDLf

(2)

(3)

(4)

式中：

F1——管壁摩阻力，kN；

F2——機(jī)頭迎面阻力，kN；

D——管壁外徑，m；

L——管道頂進(jìn)長(zhǎng)度，m；

f——管壁與土體摩阻力，kPa，規(guī)范建議取2～7 kPa；

D1——頂管機(jī)外徑m；

①同等溫度和時(shí)間下，水分上升27.7%，糊化度提高60%；②同等水分和時(shí)間下，溫度上升44.4℃，糊化度提高4%；③同等溫度和水分下，時(shí)間增加44.4 min，糊化度提高2%。這表明在淀粉糊化的過(guò)程中，水分含量的升高對(duì)于提高其糊化度的作用最明顯。

R1——頂管機(jī)下部1/3處的被動(dòng)土壓力，kN/m2；

γ——土的天然重度，kN/m3；

H——機(jī)頭上覆土層厚度，m；

φ——土體內(nèi)摩擦角，°；

c——土體粘聚力，kN/m2。

4.2 鎖扣對(duì)泥漿套影響的計(jì)算

鎖扣阻礙泥漿套形成的完整性，文獻(xiàn)[8]對(duì)不同形態(tài)泥漿套進(jìn)行了分析，認(rèn)為管周泥漿套的形成是減少管壁摩阻力的關(guān)鍵。結(jié)合其研究成果，得到帶鎖扣頂管泥漿套的形態(tài)如圖10所示。

圖10 帶鎖扣頂管泥漿套形態(tài)示意圖

由于泥漿套無(wú)法包裹鎖扣，鎖扣外側(cè)與原狀土體直接接觸后產(chǎn)生鎖扣摩阻力，鎖扣摩阻力F31可通過(guò)式(5)計(jì)算。為便于計(jì)算總頂力，本文減去了鎖扣寬度范圍內(nèi)的管壁摩阻力，提出了鎖扣附加摩阻力F3的計(jì)算式，如式(6)所示。

F31=hLf0

(5)

F3=hL(f0-f)

(6)

式中：

F31——鎖扣摩阻力，kN；

F3——鎖扣附加摩阻力，kN；

h——鎖扣高度，m；

f0——管壁與原狀土的摩阻力，kPa。

4.3 鎖扣穿越加固區(qū)阻力計(jì)算

鎖扣穿越洞門(mén)加固區(qū)時(shí)，前方斜板擠壓加固土體，使之達(dá)到塑性破壞，鎖扣穿越加固區(qū)阻力可通過(guò)加固土極限抗壓強(qiáng)度與塑性破壞區(qū)域面積相乘計(jì)算得到。而在實(shí)際操作中，由于加固土體的不均勻性，塑性破壞區(qū)域很難確定，加固土體壓縮形變形成通道，鎖扣所受的抗力遠(yuǎn)大于截面范圍內(nèi)加固土體塑性應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力。因此，根據(jù)本工程經(jīng)驗(yàn)，引入經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K，得到鎖扣穿越加固區(qū)阻力F4的計(jì)算式為：

F4=Kfcuhb

(7)

式中：

K——加固土體塑性變形區(qū)域系數(shù);

F4——鎖扣穿越加固區(qū)阻力，kN；

b——鎖扣寬度，m；

fcu——加固土體極限抗壓強(qiáng)度，kPa。

根據(jù)本工程實(shí)測(cè)頂力反算，建議K的取值范圍為3～5。fcu與洞門(mén)加固方式有關(guān)，可通過(guò)取芯檢測(cè)獲取。

4.4 帶鎖扣頂管頂力計(jì)算

綜上,可以得到帶鎖扣頂管基準(zhǔn)管頂力Fl,s的計(jì)算式為：

Fl,s=F1+F2+2F3+2F4

(8)

對(duì)于承插管另一側(cè)鎖扣雄口在上一根頂管雌口內(nèi)承插，其摩阻力主要與鎖扣設(shè)計(jì)自由度、頂進(jìn)軸線偏差有關(guān)，根據(jù)本工程經(jīng)驗(yàn)，引入鎖扣承插附加摩阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)k(取值范圍1.0～1.5)進(jìn)行計(jì)算，得到帶鎖扣頂管承插管頂力Fl,c的計(jì)算式為：

Fl,c=F1+F2+(1+k)F3+2F4

(9)

閉合管兩側(cè)均為雄口，且不存在鎖扣穿越加固區(qū)阻力，由此可得到帶鎖扣頂管閉合管頂力Fl,b的計(jì)算式為：

Fl,b=F1+F2+2kF3

(10)

利用式(9)和式(1)～(5)，對(duì)底排直徑為1.6 m的管幕承插管頂力進(jìn)行計(jì)算。其中：f取上述分倉(cāng)管平均摩阻力2.61 kPa，f0按照經(jīng)驗(yàn)取15.00 kPa，K取4.0，k取1.3。同時(shí)，選取D7、D10實(shí)測(cè)其頂力，與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖11所示。

圖11 直徑為1.6 m的承插管實(shí)測(cè)頂力與計(jì)算頂力的對(duì)比圖

由圖11可知，本文帶鎖扣頂管頂力公式的計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)頂力曲線比較吻合?；贒G/TJ 08-2049—2016《頂管工程施工規(guī)程》的頂力計(jì)算公式未考慮鎖扣摩阻力和鎖扣穿越加固區(qū)阻力，計(jì)算得到的總頂力較實(shí)測(cè)頂力小。在始發(fā)加固區(qū)，實(shí)測(cè)頂力小于計(jì)算頂力，其原因是加固土體切削速度較慢、前艙尚未建立泥水平衡。此外，帶鎖扣頂管實(shí)際頂力還受注漿量、頂進(jìn)軸線偏差、地層變化和頂進(jìn)停頓等因素影響，在實(shí)際估算頂力時(shí)，若選擇后配套千斤頂，可考慮增加安全系數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

1) 帶鎖扣頂管的鎖扣突出于頂管管壁，導(dǎo)致泥漿套無(wú)法完整包裹管道，鎖扣外側(cè)與原狀土體直接接觸，進(jìn)而產(chǎn)生鎖扣摩阻力。本工程帶鎖扣頂管的實(shí)測(cè)頂力約為不帶鎖扣頂管頂力的1.5～1.8倍。影響鎖扣摩阻力的主要因素包括鎖扣尺寸和頂進(jìn)軸線偏差等。

2) 頂管鎖扣穿越加固區(qū)時(shí)會(huì)擠壓周邊加固土體，使之達(dá)到塑性破壞，并產(chǎn)生鎖扣穿越加固區(qū)阻力，該阻力主要與鎖扣尺寸、加固土體強(qiáng)度有關(guān)。依據(jù)本工程經(jīng)驗(yàn)，建議鎖扣穿越加固區(qū)阻力取鎖扣截面與加固土抗壓強(qiáng)度乘積的3.0～5.0倍。

3) 本文結(jié)合規(guī)范中的頂管頂力公式，提出了帶鎖扣頂管頂力的計(jì)算公式。經(jīng)檢驗(yàn)，本文提出的計(jì)算公式所得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)頂力較為吻合，可應(yīng)用于類似工程的頂力計(jì)算。