顶管工作坑后背力作用下支护桩简便计算方法探讨

□文/张苗苗

顶管工作坑后背力作用下支护桩简便计算方法探讨

□文/张苗苗

结合天津地区常规工字钢桩顶管坑实例，分析了后背桩在抵抗顶管顶力过程中的受力特点，结合现行规范总结出计算支护桩在后背力作用工况的内力、位移计算方法并进行分析、探讨。

顶管；工作坑；后背顶力；支护桩；简便算法

随着非开挖施工技术在工程中的广泛应用，顶管技术以其减少破坏现状地表及经济性的优势逐步成为天津地区排水管道施工的一种主要方式。因为当前施工队伍的技术水平及前期对该风险源的预估不足，顶管坑后背墙失稳的状况也常有发生，故在设计顶管深基坑支护的同时，尚需考虑顶管后背力对支护桩的作用，从而提前控制风险。本文在总结现行规范规定的同时，以工程实例探讨了后背力作用下支护桩的受力、变形的简便计算方法。

1　工程实例

1.1基坑参数

以天津某常规顶管工程为例，顶管管径2 000mm，顶距100m，覆土4.5m，顶管工作坑尺寸长为8.0m，宽6.5m，深7.5m，基坑形式见图1和图2。

图1　基坑平面

图2　正基坑立面

1.2工程地质参数

工程地质情况见表1。

表1　直剪抗剪强度指标及抗渗系数

续表1

2　后背桩受力特点

顶管后背墙一般由两部分组成，与顶管千斤顶相连的为钢结构后背，由型钢及钢板焊接而成。为保证钢后背有效的将顶力传至支护桩，在钢后背墙与支护桩之间需设钢筋混凝土后背墙以增加后背刚度、整体性并有效传递内力。顶管过程中，顶力由钢后背墙通过混凝土墙传至支护桩及桩后土体，钢后背墙与钢筋混凝土后背墙一起形成一个刚体，有效的将几处集中的应力分散开来，形成近似均布荷载传至后面的桩及土体。

在顶管过程中，千斤顶的顶力由后背墙分散成近似均布荷载传至后面支护桩及土体，后背墙起一个传递力的载体的作用，最终抵抗顶管顶力的为支护桩与土体的复合结构。

3　后背桩受力计算探讨

3.1顶力计算

式中：F0为总顶力标准值，kN；D1为管道的外径，m；L为管道设计顶进长度，m；fk为管道外壁与土的平均摩阻力，kN/m2；NF为顶管机的迎面阻力，kN；Dg为顶管机外径，m；rs为土的重度，kN/m3；Hs为覆盖层厚度，m。

顶管总顶力F0=3014.4+407=3421.4（kN）

3.2被动土压力

后背墙范围被动土压力分布见图3，计算得后背墙宽度范围被动土压力合力为3 075.2 kN＜F0，需要考虑支护桩承担后背力。

图3　后背强高度被动土压力分布

3.3后背桩受力计算

《顶管施工技术及验收规范》（试行）考虑了板桩支护的联合作用对土抗力的影响，水平顶进力通过后背墙传递到土体上，近似弹性荷载曲线，能将顶力分散传递，扩大了支承面。近似弹性的荷载曲线见图4，为简化计算，将弹性载荷曲线简化为梯形力系，见图5。

图5　简化的受力模型

按照图5的计算结果η=Kprsbh(h1+2h2+h3)/2/F0=1.7×18×4×7.8×（4.2+2×3.1+7.2）/（2×3 421.4）=2.45＞1.5，故考虑支护桩的作用，可承担该顶力。

式中：Kp为被动土压力系数；b为后背墙宽度，m。

可以定性的判断后背体系的安全性，但工程中若支护变形过大，会造成顶进过程中油缸的进程大部分被后背结构的变形消耗掉，有必要对支护桩在顶力作用下发生的负位移进行计算，在深基坑支护计算模型的基础上加上后背力计算，顶力按照作用点以预加轴力形式作用于支护桩见图6，结果见图7。图7c、d所示负位移及负弯矩，变形是向基坑外侧的。与图7a、b对比可知，该工程支护桩在顶力与土压力作用下产生的弯矩大于开挖时的弯矩，顶力作用下产生的最大位移2.6mm。

图6　加上后背力的计算

图7　内力位移计算结果

图7c与图4土体受力曲线基本吻合，该计算方法取加载完开挖到坑底工况，不考虑加载的过程因素，与顶管坑后背墙承受顶力工况的特点相符合，采用该方法计算并跟踪了天津地区几个工程项目，实测支护桩向基坑外侧的变形均小于计算结果，故该计算结果较实际偏于保守，该方法计算简便，结果表达明确清晰，可为控制顶管坑后背墙变形提供量化的参考。

4　结论

1）顶管后背力作用下后背体系的变形及受力不容忽视，工程需要量化支护桩变形及受力以保证施工安全。

2）规范对支护桩分担后背力的效果及后背稳定性做了定性的计算。

3）采用深基坑计算模型设置顶力作用模拟后背力作用工况，基本与实际工况相符，支护桩变形图与后背土体受力图基本吻合。

□DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.03.021

□TU992

□C

□1008-3197（2015）03-55-02

□2015-04-01

□张苗苗/女，1975年出生，高级工程师，硕士，天津城建设计院有限公司，从事给排水结构设计工作。