浅埋大断面矩形顶管施工研究与应用

丁传武 华 江

（江苏扬建集团有限公司， 江苏 扬州 225000）

顶管断面形式多圆形为主，圆形顶管技术在国内外己经得到了充分发展，在大口径、长距离以及曲线顶管的施工方面积累了许多经验。然而，矩形顶管断面利用率高，能节省约20%的空间，并且比圆形顶管有更好的浅覆土适应能力，从而可大大降低下穿各类构筑物的坡度和深度，更适用于城市各类联络通道，下穿铁路、公路、立交隧道，地下共同沟等工程。目前，国内浅埋大断面矩形顶管工程并不多见，理论分析及施工技术尚不成熟。

1 工程概况

本顶管工程为相邻两地下车库间联络通道，呈南北走向，全长约为141.5m，分为两段，一段为明挖段，长度为 65.5m，另一段为顶管段，顶管长度为84m，矩形顶管截面尺寸为8100mm×4950mm，采用工厂预制钢筋砼管片，管片厚度为550mm，砼强度等级为C50。

场地地层剖面示意图

2 顶管顶力的理论计算

现有的计算顶管顶力的公式有很多，大多基于普式理论，但是一般认为，当管顶覆土厚度小于或等于一倍管外径或者覆土层为淤泥质土时，顶管上部土体难以形成足够大的卸载拱效应，因此，浅埋大断面矩形顶管顶力的估算方法值得探讨。

顶进力是顶管施工的主动力，是顶管施工中的重要参数。顶进设备提供的顶力大小在最保守状态下需等于顶管过程中迎面阻力P阻与侧摩阻力F摩之和，即F顶=P阻+F摩。

其中，对于土压、泥水平衡式顶管机的迎面阻力P阻，综合实际顶管的施工过程，以土体压力作用点处静止土压力为基准对迎面阻力P阻进行计算：

式中：As-矩形顶管机截面面积，m2，As≈BH；γ-土的重度，kN/m3；Hz-开挖面土压力作用点深度，m；K0-静止土压力系数，K0=1- s inφ′；

对《给水排水管道工程施工及验收规范》中的圆形顶管经验公式进行转换，可以得到矩形顶管顶力计算经验公式为：

式中：B-矩形顶管外边宽，m；H-矩形顶管外边高，m；L-顶管长度，m；fk-管道外壁与土的单位面积平均摩阻力（kN/m2），通过试验确定；对于采用触变泥浆减阻技术的按规范提供的参数选用。

在上海地区，矩形顶管技术的发展时间较早，结合上海地质地层条件，采用触变泥浆顶管的经验认为，矩形顶管的阻力可按管道外表面 8～12kN/m2计算，得到上海地区矩形顶管顶力计算经验公式为：

式中：θ为顶力经验系数，与地区地质条件有关，上海地区一般取8～12kN/m2。

本工程顶管顶力分别按式（2）、式（2）进行估算，计算取探孔H006，地面高程+7.42，第一层杂填土层厚4.50m，顶管距离L取84m，顶管估算顶力分别为1858t和2513t。

3 顶管施工数值模拟

3.1 数值模型建立

本顶管工程使用ABAQUS软件进行数值模拟，采用三维模型，考虑到顶管施工中每段管节的顶进情况相似，因此仅模拟顶进途中任意两段管节的顶进情况。

顶管模型尺寸为26.5m×8.1m×4.95m，顶进前端为实心，模拟顶管机，剩余部分为中空管节，上下壁厚 0.70m，两侧壁厚 0.55m；土体模型尺寸为50m×40m×25m。

考虑到深层土体对顶管施工的影响较小，故将土体分为两层，均采用线性Drucker-Prager模型，取探孔H006作为计算土层典型值，并假设各土层各向同性。

模型中土体与顶管均采用非协调的八结点线性六面体单元（C3D8I）。土体底部边界约束竖向位移，土体两侧边界约束水平位移，土体完成地应力平衡后，加入顶管，并进行自重应力平衡。

3.2 顶管施工过程模拟

本次数值模拟将顶管的顶进过程分解为两个阶段，第一阶段：移除顶进前端的土体，同时在开挖面上施加相应的土压力，模拟土压、泥水的平衡状态；第二阶段：在顶管后端施加位移，模拟顶进设备的加载过程，同时在顶管机处施加迎面阻力。

钢筋混凝土管表面与密实粉土的摩擦系数一般为0.35～0.55，本项目拟采用注浆减阻的施工措施，故模拟中取管道与土的摩擦系数为0.4×0.3 = 0 .12。顶管四周均与土体设置摩擦，即不考虑超挖与欠挖的影响；同时，选择“硬接触”为接触压力与间隙的关系，即接触面之间能够传递的接触压力的大小不受限制，当接触压力变为零或负值时，两个接触面分离，并且去掉相应节点上的接触约束。

3.3 计算结果分析

1）顶管顶力。根据ABAQUS的计算结果，与式（2）、式（3）计算值进行比较，ABAQUS计算值均大于理论计算值。主要是采用触变泥浆的管外壁单位面积平均摩擦阻力取值的不确定性，规范提供的建议值及各地区的经验值有一定的区别，值得一提的是，使用ABAQUS计算时，管道与土体间的摩擦系数也是经验取值，决定因素是周围土体的物理指标，可见，管道所在土层性质对施工顶力起着决定性作用。

表1 ABAQUS计算值与理论公式计算值的比较

2）管道摩阻力。由于管道的自重及管道下方土体的卸载回弹，管道摩阻力在管道底部最大，管道下方土体性质对管道摩阻力的影响更为显著。根据平衡关系F顶=P阻+F摩，第一管节及第二管节完成时管道摩阻力分别占总顶力的71.8%和72.5%，并随着顶进过程的进行，管道摩阻力对施工总顶力的影响越大。

3）管道应力。管顶的应力集中在顶进段的中部，管底的应力主要集中在顶进段的中后部；管道两侧外壁的应力比管道内壁大，且最大值在内侧壁的中下部，但总体上小于管道上部及下部的应力，表明管侧土压力对管道的影响较小。

4）土体应力。由于下部的土体开挖导致该区域中的土体塌陷松动，使得竖直应力转化为水平应力。在靠近管顶两端的土体水平应力表现为向下的拱，水平应力和竖向应力相应减小，顶管施工使得扰动区域产生了土拱效应；然而，在靠近管顶中部的土体水平应力和竖向应力情况仍与靠近地面的土体相似，即主要表现为土体的坍塌松动，并未形成有效的土拱。

4 顶管施工现场数据分析

本顶管施工采用土压平衡顶管机施工方法，并综合利用组合刀盘全断面切削技术、土体改良技术、触变泥浆技术、顶进姿态动态控制技术等，成功完成了顶管工程。

1）顶管顶力分析。式（2）和式（3）中顶力与管道长度均呈线性关系。但实测表明，短距离顶管顶力随顶距并不呈明显的增长关系，原因是采用触变泥浆减阻后，在顶进距离较短时，侧摩阻力变化较小，迎面阻力起主要作用。本工程顶力在最初6.45m以内，顶管处于加固区，顶力均为3200t。随后进入粉砂层，顶力变为1400～1600t之间，最后再进入加固区，顶力又重新回到 3300～3500t。

通过与实测值对比，式（2）和式（3）的计算结果偏小，ABAQUS的计算结果较为合理，但对迎面阻力的估算值偏小。由于本项目施工中采用了顶进区地下障碍处理技术，对局部土层进行了加固，影响了实际顶力。

2）顶管出土量分析。本工程的出土量顶进距离在9m之前，出土量是波动上升的；之后9m～76m之间出土量维持在55m3上下波动，76m～84m之间也就是进入接收井的过程中，出土量在逐渐下降。理论出土量为60.68m3，在顶进过程中，实际出土量与理论出土量基本一致，确保正面土体的相对稳定，有效控制了地面沉降量。

5 结论

通过对实际顶管工程中施工顶力的理论计算、顶管施工数值模拟以及现场数据分析，可以得到一些浅埋大断面矩形顶管施工中的注意点：

1）对于大断面矩形顶管，在埋置深度较浅时，管道上覆土层很难形成有效的土拱，管顶上部土体容易发生坍塌，造成地表下陷。

2）对于钢筋混凝土顶管，管壁厚，混凝土的弹性模量大，管道变形很小，但对于大断面矩形管道，应重视顶部和底部的扰度控制，保证管道的整体性。

3）随着触变泥浆的采用，泥浆套对顶管侧摩阻力的影响明显，施工顶力主要与土层的性质有关。

4）施工前，为了保证矩形顶管能顺利的顶进，在计算顶管机迎面阻力时需给予一定的安全系数，使用了大量程的千斤顶，确保顶进设备的顶力富余量。

5）施工时，应保证连续均衡施工，避免出现长时间搁置情况，并严格控制出土量，防止欠挖或超挖。