矩形顶管顶力预估公式适应性分析研究

□文/赵 歆 刘彦坡 赵俊妍 徐管应 柯静懿

现有地铁车站附属结构一般采用明挖法施工，不仅修建围挡临时占用地上空间、影响交通，而且需要切改较多的地下管线、拆除附属结构附近的房屋，前期工程量巨大、资金成本高。随着设备的完善和施工方法逐渐成熟，矩形顶管技术开始逐渐应用于地铁附属结构，特别是过街通道施工中。

矩形顶管施工技术具有占地面积小，地面交通影响小，无需切改顶管上方管线，施工速度较快等优点。顶力预估对于整个顶管工程的安全性起决定作用，若顶力过大，而工作井强度不够、整体性差或后座井壁后部土体稳定性不够，就会导致工程问题；因此，顶力预估有着重要的工程意义。由于尚未大面积应用，设计人员在预估顶力时往往采用圆形顶管的顶力预估公式［1］，可参考性不强。

本文对天津市某车站的矩形顶管出入口通道的现场实测顶力数据与相关规范[1～4]中的顶力计算公式进行比较，分析公式的适用性，为今后的矩形顶管的顶力预估提供参考性的结论。

1 工程概况

天津某地铁出入口交通导行困难且上方存在DN1 200 mm 输配水管，埋深1.38 m；DN1 000 mm 雨水管，埋深2.32 m；DN500 mm污水管，埋深4.05 m等管径及埋深较深的管线无法切改，因此采用顶管法施工。

车站深度范围内分布的土层有①1杂填土、③1粉质黏土、④1粉质黏土、④5淤泥质粉质黏土、⑤1粉质黏土、⑥1粉质黏土。其中顶管位于③1粉质黏土和④1粉质黏土中。

顶管截面尺寸7 m×4.3 m（壁厚500 mm），管片混凝土为C50、P8，顶管覆土4.4 m，顶进长度16.5 m。顶管机采用土压平衡式矩形顶管机。见图1。

图1 顶管段纵剖面

2 顶力预估公式

根据文献[1]第12.4节，顶力可按式（1）进行估算

式中：D1——管道外径，m；

L——顶管总长度，15.04 m；

fk——管道外壁与土的平均摩阻力，kPa；

Nf——顶管机的迎面阻力，本出入口采用的土

盖层厚度，44 m。

将πD1转换为矩形顶管周长，为22.6 m。

根据文献[3]第12.2.2节，顶力可按式（2）进行估算

式中：N1——箱涵顶上荷载，可按上覆土重进行计算，本出入口上覆土重为83.6 kN；

N2——箱涵自重，kN，每延米箱涵自重为247.35 kN；

E——土压力，由于顶管顶进动态过程，土压力建议按照主动土压力进行计算，主动土压力可根据土力学中公式进行计算，为282.14 kN；

μ1、μ2、μ3——土与管节摩擦系数，按照μ=tanφ进行计算；

K1——安全系数，推荐取值为1.2 并按顶管总长度进行计算；

RA——迎面阻力，可按土的性质经经验确定。但该数据相较施工中土仓压力设定值100 kPa和文献[1]中Nf的顶管机的迎面阻力的计算值都偏大且指定其迎面阻力与顶管机的相关关系，因此本文推荐其迎面阻力按照文献[1]的Nf来代替RA；或按照施工中土仓压力设定值100 kPa来代替RA计算。

3 各预估结果与实测数据对比

对顶进长度5.65、7.15、8.63、10.13、11.73、13.23、14.73 m 的实测数据与式（1）和式（2）的预估结果进行对比分析。见图2。

图2 顶力实测数据和理论公式对比

由图2 可以看出，式（1）计算值均小于实测计算值，当顶进到14.73 m 时计算值仅为实测数据的65.6%，偏差较大。公式（1）预估顶管顶力与实测值差距较大，是因为文献[1]是以圆形小截面顶管为主的规范且管道顶力值与覆盖层高低无关，因此式（1）计算结果相对较小，不建议用于矩形顶管顶力估算。

当顶进距离越长式（2）计算值越接近实测值。将RA换成Nf后当顶进至14.73 m 时，计算值为实测值的92.5%，偏离值较小，采用该方法是较为合理的。

将RA土仓压力100 kPa代替后，更为接近实测值，当顶进至14.73 m 时，计算值为实测值的97%，较为精确。由于该计算值存在一定经验性，建议可以从K1安全系数入手，建议将该值根据不同土层调整为1～1.3。

4 结论及建议

1）式（1）预估顶管顶力与实测值差距较大，因此不建议用于矩形顶管顶力估算。

2）顶进距离越长，式（2）的预估顶力越接近实测值且RA换成Nf后，计算结果值较为理想。

3）由于初设迎面阻力值影响顶力理论计算结果较大，公式（2）预估顶管顶力中K1安全系数根据不同土层调整为1～1.3。

4）由于本出入口为天津市第一个小截面矩形顶管通道，实测数据较为孤立且通道距离较短，顶管顶进过程中并未采用减阻措施，μ的取值也是经验值，本文按照μ=tanφ计算存在一定离散性，因此需要有多个工程实例来进行对比和分析，才能更好地得出更适合天津土层的顶管顶力理论计算值。