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)計研究院，北京 100053)

目前頂管施工設(shè)計主要圍繞圓形頂管頂力的計算而展開.頂力計算的前提是國外學(xué)者提出的頂力理論計算的兩個假設(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)認為，管道頂進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.國外學(xué)者將規(guī)范中的經(jīng)驗公式，與挖掘面穩(wěn)定假設(shè)和管土全接觸假設(shè)三者的計算結(jié)果進行了比較分析，得出了太沙基土壓力理論與實際值較接近[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)場實際工程數(shù)據(jù)，比較其與理論計算結(jié)果之間的差異，具有現(xiàn)實意義.

1 工程概況

某工程頂管工程總長915 m，采用2×DN4000鋼筋混凝土頂管，共兩個工作井.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，整個工程的地質(zhì)情況變化不大，計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頂管機半徑Rm2 34頂進速度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 理論計算與現(xiàn)場實測分析

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際土壓力值，該工程采用JTM-V2000(B)型正弦式土壓力盒測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)場由土壓力盒測量及采用不同理論計算方法得到的管頂處垂直土壓力.由表2可知，太沙基理論計算的誤差遠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]，而太沙基理論計算結(jié)果相對保守，因而與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)相差不大，較適用于本工程管頂垂直土壓力的計算.

圖1 土壓力盒與鋼筋應(yīng)力計布設(shè)圖

表2 實測與不同計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)場測量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)一的頂力理論計算公式.魏綱[7]等收集和篩選出若干現(xiàn)有的頂力計算公式，其中之一如下：

(4)

式中：D1為頂管外徑；D2為掘進機直徑；L為頂進距離；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，頂管頂力F隨著頂程L的增加而呈線性增加的趨勢，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距離很短.在實際施工過程中，頂管頂力會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 理論計算

頂管頂力由頂進正面阻力與頂管管壁摩阻力兩部分組成.

頂管頂進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算[9].一般為了方便計算，可以將頂管前端中心點所受到的阻力簡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].在計算管壁摩阻力時，假設(shè)頂管一直保持水平頂進狀態(tài)，即頂進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張理論得出了泥漿套厚度的計算方法，進而可得到頂管管壁摩阻力的計算公式.

由以上方法計算的頂管頂力見表3.

2.3.2 實測值

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

由表3可知，理論公式計算出的頂管頂力值與工程實測值相差甚遠，其原因可能是在理論計算中出于安全因素的考慮，將工程中可能會出現(xiàn)的偶然因素都計入其中.在當(dāng)前工程作業(yè)過程中，采用先進的注漿減摩技術(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,使得實際工程中的管壁摩阻力遠小于現(xiàn)有公式的計算值[13].

表3 頂管頂力實測值與理論值比較 kN

3 結(jié)論

a.在運用三大理論公式進行計算后可知，太沙基理論公式與實際值誤差最小，同時也驗證了規(guī)范中的經(jīng)驗公式與理論計算結(jié)果的正確性；

b.由于頂管在頂進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)今需要對其影響因素進行深層剖析，尋找能夠較好預(yù)測頂力隨頂程變化規(guī)律的方法；

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

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