趙國(guó)良

中交一公局第七工程有限公司（451452）

泥水平衡式頂管施工法的適用地質(zhì)范圍比較廣。泥水頂管的切削力矩小，適宜于長(zhǎng)直線頂管，且可以在各種環(huán)境下作業(yè)，近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用，但是也存在一些問題。在頂管作業(yè)中，如果頂進(jìn)力計(jì)算不準(zhǔn)確，會(huì)造成頂進(jìn)速度和長(zhǎng)度預(yù)計(jì)不準(zhǔn)確，進(jìn)而導(dǎo)致路面沉降、頂進(jìn)方向出現(xiàn)偏差。如果這些問題出現(xiàn)在特殊地層或特殊地質(zhì)條件下而又得不到及時(shí)的處理，則可能危及其他工程的安全，甚至有可能導(dǎo)致整個(gè)頂管作業(yè)失敗。因此對(duì)頂管技術(shù)的研究不應(yīng)局限于提高頂進(jìn)速度方面，還要研究先進(jìn)的計(jì)算理論和施工工藝，盡可能消除或控制頂管作業(yè)中的不利因素，保障頂管作業(yè)順利進(jìn)行，從而發(fā)揮出頂管施工省時(shí)、高效、安全、綜合造價(jià)低等一系列優(yōu)勢(shì)，減少環(huán)境污染和交通堵塞問題，使工程項(xiàng)目產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

在頂管施工中，頂力一般由兩部分組成：頂進(jìn)前端的正面阻力和管壁周圍的摩擦阻力，以管周摩擦阻力為主。在計(jì)算頂力時(shí)，一般都假定摩阻力是由管周土壓力引起，因此，豎向土壓力的計(jì)算是非常重要的內(nèi)容。目前，常用的豎向土壓力計(jì)算理論包括土柱理論、普式卸荷拱理論、太沙基理論和馬斯頓理論等[1]。

文章依據(jù)工程實(shí)例，采用以上理論對(duì)粉砂地層中豎向土壓力進(jìn)行了計(jì)算研究，并根據(jù)研究結(jié)果，推薦了粉砂地層條件下用于頂管摩擦力計(jì)算的豎向土壓力計(jì)算方法。

1 工程概況

鄭州市四環(huán)線及大河路快速化工程排水管道頂管施工項(xiàng)目。本標(biāo)段為K26+300～K32+880.604施工段，從金城大道到平安大道，扣除840 m 北三環(huán)東延道路的施工范圍，路線總長(zhǎng)為5860 m。布置情況： 東四環(huán)紅線寬度為80 m，兩側(cè)各有50 m寬的綠化帶，總寬度為180 m；污水管線主要布置在主道和鋪道下。K26+740～K31+180 段總長(zhǎng)度為5093 m，采用頂管施工，管道埋深為6.2～10.3 m；對(duì)管道埋深小于5 m 的K26+300～K29+400 段采用開挖方式施工。

污水管采用Ⅲ級(jí)“F”型鋼筋混凝土承口管，沉井內(nèi)污水管采用Ⅲ級(jí)承插口鋼筋混凝土管； 混凝士的強(qiáng)度為C50、抗?jié)B等級(jí)為P8。“F”型鋼承口接口以及頂管段污水管內(nèi)縫處理采用SGJL—851 雙組份聚硫密封膠嵌縫，嵌縫深度不能小于3 cm。接口橡膠圈應(yīng)采用滑動(dòng)橡膠圈，接口處襯墊材料可以選用五合木襯板；橡膠圈采用三元乙兩橡膠，并與管材配套供應(yīng)。

2 豎向土壓力計(jì)算理論

剛性管道土壓力模型不考慮管道變形，管周土壓力的分布與豎向土壓力計(jì)算理論有關(guān)，而豎向土壓力計(jì)算理論主要有土柱法、普式卸荷拱法、太沙基法及馬斯頓法。

2.1 土柱法

土柱法不考慮頂管法開挖在上方土體引起的卸荷效應(yīng)，假設(shè)在頂管以上的土體全部作用在頂管上，則垂直土壓力可用下列公式表述：

式中，γ為覆土重度，kN/m3；h為頂管上覆土深度，m。

2.2 普式卸荷拱法

普式卸荷拱法、太沙基法及馬斯頓法考慮頂管施工過程中，在上覆土深度滿足一定條件時(shí)，頂管施工僅影響開挖孔洞局部范圍的土體應(yīng)力，管周土體將形成一個(gè)拋物線形的卸荷拱；上覆土下沉?xí)r，土體抗剪作用發(fā)生，作用于頂管上的土體重量限定在一定卸荷拱高度范圍內(nèi)，超出卸荷拱范圍的土體呈自平衡應(yīng)力狀態(tài)[2]。

如圖1 所示，卸荷拱土壓力計(jì)算需滿足一定條件。首先，頂管附近土體需要有一定的抗剪強(qiáng)度，可為可塑至堅(jiān)硬狀態(tài)的黏性土、不飽和砂土、粉土、粉砂等土層；其次，管頂?shù)母餐辽疃缺仨殱M足形成卸荷拱的條件，要求為管頂處拱高。

圖1 卸荷拱效應(yīng)

基于以上理論，普式卸荷拱法的豎向土壓力計(jì)算公式為：

式中，γ為覆土重度，kN/m3；φ為土體內(nèi)摩 擦角；D為頂管外徑，m。

2.3 太沙基法

太沙基法的豎向土壓力計(jì)算公式為：

式中，K 為土體側(cè)壓力系數(shù)，一般取K=1.0；μ為管土摩擦系數(shù)；Be為擾動(dòng)土寬度，其計(jì)算公式為：

2.4 馬斯頓法

與太沙基法相比，馬斯頓法考慮了土體黏聚力的影響，其豎向土壓力計(jì)算公式為：

式中，c為土體黏聚力，kPa。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)各豎向土壓力計(jì)算方法進(jìn)行比較，確定合理的豎向土壓力計(jì)算方法。在本工程中，頂管內(nèi)徑為1.2 m，粉土重度為18 kN/m3，覆土深度為8 m，內(nèi)摩擦角為20°，黏聚力為10 kPa，管土摩擦系數(shù)為0.3。按照式（1）～（4）進(jìn)行計(jì)算。

3.1 豎向土壓力與埋深的關(guān)系

圖2 豎向土壓力與埋深的關(guān)系

由圖2 可知，隨著覆土深度的增加，土柱法的豎向土壓力計(jì)算值呈線性增大趨勢(shì)；普式卸荷拱法的計(jì)算值保持不變，與覆土深度無(wú)關(guān)；太沙基法和馬斯頓法的計(jì)算值也隨覆土深度增加而增大，但增大幅度降低。馬斯頓法的計(jì)算值最小，太沙基法次之，這是由于馬斯頓法考慮了土體黏聚力的影響；土柱法的計(jì)算值最大，這是因?yàn)橥林]有考慮卸荷拱效應(yīng)；普式卸荷拱法的計(jì)算值不受覆土深度變化的影響，這是由于普式卸荷拱法的卸荷拱高度只與擾動(dòng)土寬度和土體內(nèi)摩擦角有關(guān)、與覆土深度無(wú)關(guān)，這體現(xiàn)了普式卸荷拱法應(yīng)用的局限性[3]。

3.2 豎向土壓力與黏聚力的關(guān)系

圖3 豎向土壓力與黏聚力的關(guān)系

如圖3 所示，隨著黏聚力的增加，土柱法、普式卸荷拱法與太沙基法的豎向土壓力計(jì)算值保持不變，而馬斯頓法的計(jì)算值呈減小趨勢(shì)。這是因?yàn)橥林ā⑵帐叫逗晒胺ㄅc太沙基法沒有考慮土體黏聚力對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，對(duì)于粉土、粉砂這種有黏聚力的土，不考慮黏聚力的影響，顯然低估了黏聚力對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響；而馬斯頓法考慮了黏聚力的影響。由粉土、粉砂構(gòu)成的土體，土體的黏聚力越大，其抗剪強(qiáng)度越高、卸荷效應(yīng)越強(qiáng)，從而管頂處豎向土壓力越小。

3.3 豎向土壓力與內(nèi)摩擦角的關(guān)系

圖4 豎向土壓力與內(nèi)摩擦角的關(guān)系

如圖4 所示，隨著內(nèi)摩擦角的增加，土柱法的豎向土壓力計(jì)算值保持不變，普式卸荷拱法、太沙基法與馬斯頓法的計(jì)算值呈降低趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谶@四種方法中，只有土柱法沒有考慮土體內(nèi)摩擦角對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響； 土體的內(nèi)摩擦角越大，其抗剪強(qiáng)度越大，頂管引起的擾動(dòng)土寬度越小。普式卸荷拱法還與土層系數(shù)呈反比關(guān)系，所以其計(jì)算值大于太沙基法和馬斯頓法的計(jì)算值。

4 結(jié)論

馬斯頓法不僅考慮了土體內(nèi)摩擦角對(duì)豎向土壓力的影響，還考慮了黏聚力對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響，因而更加全面、合理，對(duì)粉土、粉砂地層的適用性更強(qiáng)。因此，在粉土、粉砂地層中進(jìn)行頂管施工時(shí)，采用馬斯頓法計(jì)算豎向土壓力更加合理。