摘要：復(fù)雜巖溶地層中大口徑頂進(jìn)施工法用鋼筋混凝土管（DRCP）頂進(jìn)施工過(guò)程中的最大頂力值，是頂管施工中最關(guān)鍵的施工控制指標(biāo)，決定了頂管施工的效率。為了研究復(fù)雜巖溶地層大口徑DRCP頂進(jìn)過(guò)程中的總頂力變化規(guī)律，建立了DRCP頂進(jìn)過(guò)程力平衡模型，并基于貴陽(yáng)市“汪家大井”水源應(yīng)急工程的管道工程，開(kāi)展了巖溶地層中DRCP頂進(jìn)過(guò)程原位試驗(yàn)，對(duì)頂管施工過(guò)程中的頂管頂力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。結(jié)果表明：DRCP頂進(jìn)過(guò)程主要分為切削力平衡階段、頂力漸變平衡階段和摩阻力平衡階段；對(duì)于巖溶地區(qū)的燧石灰?guī)r、灰?guī)r和砂質(zhì)頁(yè)巖，采用泥漿減阻的DRCP的平均摩阻力f_k分別為：6.06，5.81，3.78 kN/m²，在頂管設(shè)計(jì)和頂進(jìn)施工的頂力控制中，可以將其乘以安全系數(shù)，作為類似頂管工程的取值參考；觸變泥漿減阻DRCP在不同巖體頂進(jìn)過(guò)程中的頂進(jìn)阻力不同，巖石越堅(jiān)硬，DRCP受到的平均切削力、平均摩阻力和綜合摩擦系數(shù)越大。提出的復(fù)雜巖溶地層大口徑DRCP頂力計(jì)算方法，對(duì)于明晰DRCP頂進(jìn)施工控制指標(biāo)，保障施工安全和進(jìn)度具有重要意義。

關(guān) 鍵 詞：復(fù)雜巖溶地層；DRCP管；頂管施工；最大頂力；摩阻力

中圖法分類號(hào)：TV672.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.08.022

0 引 言

隨著國(guó)家水網(wǎng)工程建設(shè)、水資源優(yōu)化配置和城鄉(xiāng)供水保障高質(zhì)量發(fā)展，輸調(diào)水工程建設(shè)是解決水網(wǎng)、水資源優(yōu)化配置的重要方案，輸水管道穿越重要高速公路、鐵路、市政等重要基礎(chǔ)設(shè)施已成為不可避讓的工程方案。輸水管道采用頂管施工具有不阻礙交通運(yùn)行、占地面積小、安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在引調(diào)水輸水管道工程中成為首選的施工新技術(shù)^［1］。

隨著西南地區(qū)水網(wǎng)工程的建設(shè)實(shí)施，大直徑管道工程頂管施工正面臨巖溶地質(zhì)條件復(fù)雜、管徑大、穿越重要高速公路、鐵路、市政道路等技術(shù)難題^［2］。在復(fù)雜巖溶地質(zhì)條件的不利因素影響下，頂進(jìn)頂力過(guò)大導(dǎo)致管道頂破開(kāi)裂時(shí)有發(fā)生，頂管頂進(jìn)遇到溶洞頂管機(jī)機(jī)頭磕頭下沉需開(kāi)天窗處理等難題。頂進(jìn)施工法用鋼筋混凝土管（DRCP）投資較小，廣泛應(yīng)用于頂管施工工程中。但由于頂管頂力的設(shè)計(jì)計(jì)算不準(zhǔn)確，水利行業(yè)無(wú)相關(guān)參考規(guī)范，在施工過(guò)程中易因頂力過(guò)大，導(dǎo)致DRCP被頂破，且在地下巖層中更換DRCP難度非常大。而在巖溶地區(qū)，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)變化起伏大，頂管頂進(jìn)過(guò)程的頂力突變明顯，給頂管頂力的科學(xué)研究、精準(zhǔn)設(shè)計(jì)及施工帶來(lái)了很大的困難。

當(dāng)前，針對(duì)頂管頂進(jìn)理論研究，史培新等^［3］推導(dǎo)了頂管總頂力中迎面阻力的計(jì)算公式，得到了管壁單位摩阻力、摩擦因數(shù)的取值。汪家雷等^［4］研究了頂力的理論計(jì)算在于拱頂豎向土壓力的計(jì)算方法不同，受頂管上部的覆蓋層土體厚度影響較大。

針對(duì)頂管施工力學(xué)過(guò)程數(shù)值模擬研究，主要采用理論計(jì)算方法、有限元方法等^［5-8］。葉藝超等^［9］研究頂管頂進(jìn)過(guò)程中管土“固-液”接觸狀態(tài)，推導(dǎo)了一種新的考慮泥漿觸變性的頂管頂力計(jì)算方法。黃智剛^［10］基于現(xiàn)有規(guī)范中的計(jì)算方法，參考軟土中的管壁摩阻力計(jì)算方法，得到了管漿理想接觸條件下的巖石頂管摩阻力估算方法。陳楊等^［11］通過(guò)有限元軟件模擬土層頂管施工引起的地表沉降，與Peck公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了在頂管機(jī)剛頂進(jìn)通過(guò)后的地表有較大沉降量，隨著頂管機(jī)與已頂進(jìn)斷面距離的增加，各個(gè)已頂進(jìn)的斷面沉降量逐漸減小最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。劉華清等^［12］整理歸納了頂管頂進(jìn)的迎面切割阻力計(jì)算公式，提出了改進(jìn)迎面切割阻力公式。

2024年 針對(duì)頂管施工工藝工法研究，羅景生^［13］研究了不同原因造成的頂管暫停施工，對(duì)頂管頂力大小的影響分布規(guī)律和作用機(jī)理。王雪亮等^［14］通過(guò)對(duì)沈陽(yáng)城區(qū)大量頂管施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了頂管不同的結(jié)構(gòu)、管材、管徑、頂進(jìn)施工方法的頂力變化規(guī)律。王雙等^［15］研究發(fā)現(xiàn)頂管頂力直接影響頂管井后背混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，影響DRCP、JCCP、JPCCP等管道管節(jié)的強(qiáng)度、中繼間的布置以及頂管機(jī)的選型等。賈凱等^［16］針對(duì)頂管施工發(fā)生的滲水，給出了灌漿處理的方法。鄧章鐵等^［17］采用頂管反頂對(duì)接施工技術(shù)，解決了長(zhǎng)距離頂管無(wú)法繼續(xù)頂進(jìn)的問(wèn)題。林賽^［18］針對(duì)頂管進(jìn)、出口部位采用深層攪拌法進(jìn)行土體加固，解決了頂管頂進(jìn)存在滲漏通道的隱患。楊愷^［19］研究發(fā)現(xiàn)頂進(jìn)的地質(zhì)條件復(fù)雜程度、施工人員技術(shù)水平是影響頂管施工成敗及效率的主要因素。李超^［20］研究巖質(zhì)地層頂管施工力學(xué)效應(yīng)，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)頂管-圍巖接觸條件狀況，開(kāi)展了7類復(fù)雜接觸條件的摩擦試驗(yàn)研究，獲得了砂巖、白云巖與混凝土間的摩擦力學(xué)特性。

以上研究取得了豐碩的研究成果，但研究?jī)?nèi)容大多局限于土層頂管的計(jì)算及對(duì)頂進(jìn)施工方法、工藝的探索。對(duì)于復(fù)雜巖溶地區(qū)，巖石地層中大口徑DRCP頂管頂力、管道壁與巖石的摩擦狀態(tài)及摩阻力的研究目前尚少。本文建立DRCP頂管施工過(guò)程的頂進(jìn)力學(xué)平衡模型，推導(dǎo)出巖石頂管最大頂力計(jì)算公式；以貴陽(yáng)市“汪家大井”水源應(yīng)急替代工程頂管施工為例，通過(guò)不同巖體環(huán)境下的現(xiàn)場(chǎng)頂管原位試驗(yàn)，開(kāi)展DRCP管壁與巖石摩阻力、巖石切削力的變化規(guī)律研究，并建立理論模型，分析不同巖體與管壁的綜合摩擦系數(shù)大?。换诂F(xiàn)場(chǎng)的成功頂管作業(yè)，給出頂力突變的應(yīng)對(duì)措施建議。

1 DRCP頂進(jìn)平衡模型建立

DRCP在巖石地層頂進(jìn)過(guò)程中，主要采用泥水平衡大刀盤切削巖石的頂管機(jī)，通過(guò)B型柔性鋼承口管接頭，由頂進(jìn)力的傳遞平衡，連接DRCP進(jìn)入地下巖層完成管道的高效鋪裝建設(shè)。其中，頂管機(jī)頭外徑2.92 m，長(zhǎng)5.85 m，重約51 t，機(jī)頭總功率230 kW，如圖1（a）所示。DRCP每節(jié)長(zhǎng)度2 m，外徑2.86 m，壁厚0.23 m，如圖1（b）所示。

1.1 DRCP頂進(jìn)過(guò)程的力平衡

頂管在巖土地層中頂進(jìn)是一個(gè)非常復(fù)雜的力學(xué)變化過(guò)程，頂管頂進(jìn)過(guò)程中的摩阻力與巖石破碎程度、巖石或巖土性質(zhì)、觸變泥漿減阻潤(rùn)滑程度、管道彎曲大小、管道靜止的時(shí)間間隔和施工單位頂進(jìn)技術(shù)水平等有關(guān)?？紤]到實(shí)際DRCP頂進(jìn)過(guò)程速率為1～2 cm/min，DRCP屬于準(zhǔn)靜態(tài)受力狀態(tài)，基于頂進(jìn)過(guò)程中的力平衡，建立頂進(jìn)過(guò)程中的力學(xué)平衡模型，如圖2所示。其中，DRCP頂進(jìn)過(guò)程中，主要受到阻力作用的觸變泥漿減阻DRCP管壁與巖石的平均摩阻力F₁，頂管機(jī)與巖石的平均摩阻力F₂和巖石迎面平均面積切削力N_F，以及主動(dòng)施加的頂進(jìn)力F₀。其中，各種力的平衡關(guān)系為

F₀=F₁+F₂+N_F（1）

其中，考慮頂管機(jī)迎面地下巖層的非均勻性，切割過(guò)程左右、上下巖石強(qiáng)度不一致，以及動(dòng)態(tài)切割過(guò)程中迎面切割阻力在不同的角度θ和不同切割半徑ρ范圍的差異，頂管機(jī)的迎面巖石切割阻力為

假設(shè)頂管機(jī)與巖石間沒(méi)有形成擴(kuò)孔效應(yīng)，頂管機(jī)直接承受巖石變形壓力作用，參照SL 279-2016《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》^［21］中的圍巖壓力計(jì)算，則頂管機(jī)環(huán)向與巖石的摩擦力F₂為

式中：D_g是頂管機(jī)外徑，m；L_g是頂管機(jī)長(zhǎng)度，m；μ_s是頂管機(jī)外壁與巖石的綜合摩擦系數(shù)；f_s（θ）、f_s是頂管機(jī)切削迎面巖石的切削阻力，kN/m²；q_v1是頂管機(jī)上部圍巖壓力，kN/m²；q_v2是頂管機(jī)底部圍巖對(duì)頂管機(jī)產(chǎn)生的壓力，kN/m²；q_h是頂管機(jī)側(cè)面圍巖壓力，kN/m²。

1.2 DRCP地下水位以上的頂進(jìn)平衡

頂管機(jī)直徑比DRCP直徑大60 mm，形成60 mm的擴(kuò)孔，通過(guò)觸變泥漿減阻和60 mm的擴(kuò)孔減阻措施，地下水位以上的巖石頂管，極大部分巖層比較穩(wěn)定。擴(kuò)孔后管道不直接承受巖土壓力作用，管道底部部分管壁與巖層摩擦向前頂進(jìn)，DRCP外壁與巖石摩擦產(chǎn)生的摩擦力F_1u為

式中：f_kLi是DRCP外壁與巖石的單位長(zhǎng)度平均摩阻力，kN/m；A_Li是單位長(zhǎng)度，m；μ_k是DRCP外壁與巖石的綜合摩擦系數(shù)；N_k是DRCP總重力，kN。

基于DRCP頂進(jìn)過(guò)程的力平衡，在地下水位以上的巖石頂管頂進(jìn)過(guò)程，DRCP頂進(jìn)力F_0u滿足以下的平衡方程：

1.3 DRCP地下水位以下頂進(jìn)平衡

地下水位以下的巖石頂管，擴(kuò)孔后管道與巖層之間壓注減阻泥漿，管道是懸浮在泥漿套中向前頂進(jìn)的，管道不直接承受巖石變形壓力作用，DRCP外壁與巖石摩擦產(chǎn)生的摩擦力F_1d為

式中：D₁是DRCP外徑，m；L是DRCP設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度，m；f_k（x）、 f_k是DRCP外壁與巖石的平均摩阻力，kN/m²。

基于DRCP頂進(jìn)過(guò)程的力平衡，在地下水位以下的巖石頂管頂進(jìn)過(guò)程，DRCP頂進(jìn)力F_0d滿足以下的平衡方程：

2 現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程

選取貴陽(yáng)市“汪家大井”水源應(yīng)急替代工程的管道工程進(jìn)行原位試驗(yàn)，全程共設(shè)計(jì)8座頂管工作井，頂管段全長(zhǎng)約1 500 m，頂管工程平面示意如圖3所示。頂管穿越的地層巖溶強(qiáng)發(fā)育，具有長(zhǎng)距離頂進(jìn)、大口徑管徑、地質(zhì)條件復(fù)雜、地面交通條件復(fù)雜，頂管穿越重要市政道路，沉降控制要求高等特點(diǎn)。因此施工過(guò)程中，頂管分6段頂進(jìn)施工，單次最長(zhǎng)頂進(jìn)距離305 m，其頂管工程參數(shù)如表1所列。

原位試驗(yàn)設(shè)計(jì)頂管工程，其代表性地層的巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表2所列。DRCP外徑2.86 m，管壁厚0.23 m，管道混凝土強(qiáng)度為C50，抗?jié)B為P10，管節(jié)接頭采用B型柔性鋼承口管接頭。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

3號(hào)—4號(hào)頂管工程在燧石灰?guī)r層中頂進(jìn)，該段巖體內(nèi)發(fā)育有溶洞、溶槽、溶蝕裂隙等，且該段頂進(jìn)距離最長(zhǎng)，達(dá)305 m。在頂管工作井中，對(duì)頂管機(jī)及第一節(jié)DRCP進(jìn)行吊裝、測(cè)量、定位、安裝到位，試驗(yàn)準(zhǔn)備頂進(jìn)，如圖4所示。

原位試驗(yàn)頂管機(jī)選用的頂管機(jī)頭外徑2.92 m，長(zhǎng)5.85 m，重約51 t，分為3個(gè)部分：刀盤、前筒、后筒，前后筒通過(guò)4組糾偏油缸連接，頂管機(jī)正面刀盤布置滾刀、刮刀、保徑刀等刀具。原理是依靠滾刀刀刃接觸巖石，千斤頂頂推加壓使?jié)L刀刀刃擠壓巖石龜裂，巖石受壓產(chǎn)生裂縫，形成分層破碎，然后刮刀切削巖層。同時(shí)，通過(guò)送水管路將水壓送到刀盤與巖石面之間，將切削下來(lái)的巖石塊在刀盤機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)下帶進(jìn)二次破碎倉(cāng)，破碎倉(cāng)由動(dòng)錐扭腿和定錐體構(gòu)成，動(dòng)錐扭腿旋轉(zhuǎn)與定錐體產(chǎn)生剪切，達(dá)到二次破碎效果。當(dāng)二次破碎的石塊粒徑小于定錐體上的進(jìn)渣孔時(shí)，便由進(jìn)渣孔進(jìn)入泥艙，混合工作泥漿后被排泥管排出機(jī)外。

2.3 傳感設(shè)備、頂進(jìn)試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

2.3.1 傳感設(shè)備

傳感設(shè)備由機(jī)頭控制電箱、操作臺(tái)、配電柜及主頂泵站控制箱組成。控制主回路上的接觸器、繼電器等部件，通過(guò)傳感控制設(shè)備連接，可傳輸電能、傳送、反饋信號(hào)數(shù)據(jù)，再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的操作和處理，控制頂管機(jī)的正常頂進(jìn)工作。

2.3.2 頂進(jìn)試驗(yàn)過(guò)程

頂管原位試驗(yàn)采用泥水平衡頂管技術(shù)。在頂管原位試驗(yàn)頂進(jìn)過(guò)程中，第一節(jié)頂進(jìn)管道吊下工作井時(shí)，被吊運(yùn)到掘進(jìn)機(jī)的尾套處定位安裝到位；主頂油缸推進(jìn)頂管掘進(jìn)機(jī)向前切削掘進(jìn)巖石；電動(dòng)機(jī)提供能量轉(zhuǎn)動(dòng)切削刀盤，通過(guò)切削刀盤切削巖體；切削的巖石顆粒等在轉(zhuǎn)動(dòng)的刀盤內(nèi)被粉碎，然后進(jìn)入泥水倉(cāng)，在泥水倉(cāng)與泥漿充分混合；最后通過(guò)泥漿系統(tǒng)的排泥管道由泥漿泵輸送至地面^［1］，再通過(guò)泥水分離系統(tǒng)進(jìn)行脫泥處理，如圖5所示。

當(dāng)掘進(jìn)頭與連接管被同時(shí)頂進(jìn)以后，頂進(jìn)切削暫停，液壓千斤頂慢慢收回，另一節(jié)管道又吊入工作井內(nèi)，安裝套在第一節(jié)管道后方，連接在一起，重新頂進(jìn)。這個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)，直到所有的DRCP被頂入巖石層^［8］，最終頂完穿過(guò)巖層到達(dá)接收井，機(jī)頭頂出，如圖6所示。

2.3.3 原位試驗(yàn)結(jié)果

在DRCP試驗(yàn)頂進(jìn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)記錄頂管頂進(jìn)過(guò)程中每一節(jié)DRCP所對(duì)應(yīng)的主頂油缸的工作壓力，并根據(jù)油缸的工作壓力與千斤頂頂力的關(guān)系將其換算成頂進(jìn)總頂力。并將其與頂進(jìn)里程建立關(guān)系，繪制原位試驗(yàn)頂進(jìn)過(guò)程中實(shí)際頂力隨著DRCP頂進(jìn)長(zhǎng)度的曲線分布，如圖7所示。

從圖7中可以看出，隨著DRCP頂進(jìn)距離的增加，頂管實(shí)際頂力總體呈增大趨勢(shì)。在初始階段，頂進(jìn)總力快速增大，原因是刀盤前的巖石強(qiáng)度高，刀盤切削阻力大。對(duì)比不同巖石類型，可以看出燧石灰?guī)r的阻力大于灰?guī)r大于砂質(zhì)頁(yè)巖，巖石的強(qiáng)度影響著初始的刀盤切削阻力N_F的大小。隨著頂進(jìn)距離的增加，頂管機(jī)摩阻力增大，導(dǎo)致頂力持續(xù)增大，頂進(jìn)阻力快速增長(zhǎng)，可能由于早期并沒(méi)有進(jìn)行泥漿護(hù)壁，頂管機(jī)的摩阻力相對(duì)較大。緊接著隨著DRCP的頂進(jìn)，泥漿對(duì)DRCP的護(hù)壁作用，DRCP與周圍巖石的摩阻力相對(duì)較小，因此頂進(jìn)總力的增長(zhǎng)速率變緩。但隨著管道頂入的距離變大，頂進(jìn)總力呈線性穩(wěn)定增大，對(duì)比不同的巖石類型，可以看出在線性穩(wěn)定增長(zhǎng)階段，針對(duì)不同的巖石，DRCP的平均摩阻力的大小存在差異。

通過(guò)原位試驗(yàn)可以看出，DRCP頂進(jìn)過(guò)程主要分為3個(gè)階段：切削力平衡階段、頂力漸變平衡階段和摩阻力平衡階段。

（1）切削力平衡階段。當(dāng)機(jī)頭的刀盤剛開(kāi)始頂進(jìn)時(shí)，頂管機(jī)對(duì)巖石產(chǎn)生切削力和巖石摩阻力。假定頂進(jìn)過(guò)程巖石切削力保持不變，隨著頂管機(jī)頂進(jìn)長(zhǎng)度的增加，會(huì)逐漸增加頂管機(jī)與巖石的摩阻力，頂進(jìn)總力隨著頂管機(jī)增加的摩阻力增大而逐漸增大，達(dá)到頂管機(jī)切削力平衡階段。在此階段，頂進(jìn)總力隨著初始頂進(jìn)距離的增加快速增長(zhǎng)。

（2）頂力漸變平衡階段。隨著頂管機(jī)頂進(jìn)平衡，DRCP頂進(jìn)會(huì)逐漸增加與巖石的摩阻力。假定巖石切削力和頂管機(jī)與巖石的摩阻力保持不變，頂進(jìn)總力會(huì)隨著DRCP頂進(jìn)長(zhǎng)度，摩阻力逐漸增大，頂力總力也逐漸增大。由于DRCP頂進(jìn)過(guò)程有泥漿護(hù)壁，DRCP與巖石的摩阻力相對(duì)降低，隨著頂進(jìn)距離逐漸增大，頂進(jìn)總力會(huì)逐漸增大，但增長(zhǎng)速率會(huì)變緩，達(dá)到一個(gè)DRCP的漸變平衡階段。

（3）摩阻力平衡階段。隨著更多DRCP的不斷頂入，以及頂進(jìn)距離的增加，達(dá)到穩(wěn)定的平衡階段。假設(shè)頂進(jìn)過(guò)程中巖石切削力和頂管機(jī)與巖石的摩阻力保持不變，則DRCP與巖石的摩阻力會(huì)隨著DRCP頂進(jìn)的長(zhǎng)度增加而逐漸增大，即如圖7中的線性穩(wěn)定增長(zhǎng)階段，頂進(jìn)總力隨著DRCP頂進(jìn)距離穩(wěn)定線性增大，達(dá)到DRCP的摩阻力平衡。

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 摩阻力

基于DRCP頂進(jìn)過(guò)程的階段力平衡模型，可以看出初始頂進(jìn)時(shí)，燧石灰?guī)r、灰?guī)r和砂質(zhì)頁(yè)巖的切削力分別為2 340，1 480 kN和1 120 kN。假定巖石切削力保持不變，對(duì)切削力平衡階段進(jìn)行擬合分析（圖8），得到頂管機(jī)外壁與巖石的綜合摩擦系數(shù)。

由圖8的擬合結(jié)果可以得到DRCP頂進(jìn)施工過(guò)程，初始頂管機(jī)與不同巖石類型的平均摩阻力和綜合摩擦系數(shù)。對(duì)于燧石灰?guī)r、灰?guī)r和砂質(zhì)頁(yè)巖，平均每延米摩阻力為174.75，130.16 kN/m和116.44 kN/m；頂管機(jī)考慮圍巖變形壓力的平均摩阻力f_k分別為：19.06，14.19 kN/m²和12.7 kN/m²，綜合摩擦系數(shù)μ_s分別為2.00，1.49和1.34。不同的巖體，經(jīng)過(guò)刀盤切削后，形成了不同粗糙度的洞壁，巖石越堅(jiān)硬，平均摩阻力和摩擦系數(shù)越大。

同樣地，對(duì)于摩阻力平衡階段，基于式（7）和摩阻力平衡階段的擬合分析可以計(jì)算得到DRCP頂進(jìn)過(guò)程與不同巖體類型的平均摩阻力f_k和綜合系數(shù)μ_k。對(duì)于燧石灰?guī)r、灰?guī)r和砂質(zhì)頁(yè)巖，采用泥漿減阻管壁時(shí)，平均每延米摩阻力分別為54.39，52.19 kN/m和33.96 kN/m，DRCP的平均摩阻力f_k分別為6.06，5.81 kN/m²和3.78 kN/m²，綜合摩擦系數(shù)μ_k分別為1.15，1.10和0.71。不同的巖體與DRCP的摩阻力不同，巖石越堅(jiān)硬，平均摩阻力和摩擦系數(shù)越大，如圖9所示。

CECS 246：2008《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》中觸變泥漿減阻管壁與土的平均摩阻力規(guī)定如表3所列^［22］。

由表3可以看出，該規(guī)范只給出了觸變泥漿減阻管壁與土的平均摩阻力參數(shù)，沒(méi)有考慮觸變泥漿減阻管壁與巖石的平均摩阻力參數(shù)。結(jié)合頂管頂進(jìn)原位試驗(yàn)，在地下水位以上的燧石灰?guī)r層、灰?guī)r和砂質(zhì)頁(yè)巖中采用DRCP頂進(jìn)施工，不同的巖石類型對(duì)DRCP的平均摩阻力大小不一樣。

2.4.2 頂力影響因素

頂管頂力主要由頂管機(jī)的迎面阻力與管道外壁與巖石的摩擦力兩部分構(gòu)成。頂管機(jī)的迎面阻力主要與巖體強(qiáng)度、頂管機(jī)刀盤開(kāi)挖面積等有關(guān)，管道外壁摩擦力與管道外壁接觸面積、觸變泥漿減阻等有關(guān)。

（1）頂力與摩阻力的關(guān)系。采用泥水平衡頂管技術(shù)來(lái)維持泥漿壓力平衡，頂進(jìn)過(guò)程處于主動(dòng)與被動(dòng)壓力之間。頂管機(jī)直徑比DRCP直徑大60 mm，使管道外壁有足夠的空間形成減摩泥漿套，同時(shí)可有效減小管道與巖體的接觸面積。觸變泥漿減阻潤(rùn)滑效果越好，摩擦力就越小，需要的頂力就越小，反之就越大。管道直徑?jīng)Q定管道與巖體之間的接觸面積，從而影響管壁與巖體的摩阻力大小，接觸面積越大，摩阻力就越大，需要的頂力就越大。管道外壁材料的性質(zhì)影響平均摩阻力的大小，外壁越粗糙摩擦系數(shù)越大，摩阻力越大。

（2）頂力與巖石切削力的關(guān)系。巖體的強(qiáng)度、硬度、節(jié)理發(fā)育直接影響迎面切削阻力大小，巖體強(qiáng)度、硬度越大，切削力就越大，需要的頂力就越大。

2.4.3 頂力突變的應(yīng)對(duì)措施

（1）提高頂管機(jī)的可靠性。為了避免設(shè)備故障導(dǎo)致頂力的增加，應(yīng)做好頂管設(shè)備的質(zhì)量檢驗(yàn)保修，經(jīng)常損壞的泥漿輸送系統(tǒng)泵管接頭、球閥、油缸或油缸密封件、減摩注漿管閥門、頂管機(jī)刀具、泥漿分離器、液壓閥組等，應(yīng)提前做好備品備用，以免損壞修理時(shí)長(zhǎng)時(shí)間施工停滯，頂力增加。

（2）根據(jù)巖石的強(qiáng)度估算切削阻力f_s。在頂管設(shè)計(jì)中根據(jù)巖石的強(qiáng)度、硬度選擇相應(yīng)的滾刀、刮刀、保徑刀等頂管刀具，估算平均切削阻力；施工頂進(jìn)的過(guò)程中，提前預(yù)判各頂進(jìn)里程的切削阻力，特別注意地質(zhì)變化地段、上軟下硬地層段；巖溶區(qū)遇到溶洞要提前處理，根據(jù)各段的巖石地質(zhì)情況實(shí)時(shí)調(diào)整頂進(jìn)速度。

（3）根據(jù)頂進(jìn)單線里程估算平均摩阻力f_k。目前頂管總頂力的設(shè)計(jì)計(jì)算公式，算法較為簡(jiǎn)單。但實(shí)際頂力的計(jì)算是一個(gè)非常復(fù)雜的變化過(guò)程，其中，摩阻力是一個(gè)與巖石類別相關(guān)的區(qū)間參數(shù)，其取值大小對(duì)總頂力的估算結(jié)果影響較大。以原位試驗(yàn)段來(lái)看，區(qū)間頂力變化幅度還是較大，故而在總頂力估算時(shí)，可遵循“長(zhǎng)距離頂進(jìn)取較小值、短距離頂進(jìn)取較大值”的原則。

（4）提高觸變泥漿減阻質(zhì)量。在管外壁與巖體之間注入減摩泥漿，形成減摩泥漿套，可以有效減小管道與巖體的摩擦阻力。減摩泥漿套形成的好壞，直接關(guān)系到頂力大小，所以應(yīng)加強(qiáng)減摩注漿質(zhì)量控制。施工前根據(jù)地層通過(guò)試驗(yàn)選擇膨潤(rùn)土類型及漿液摻量，一般采用鈣基復(fù)合膨潤(rùn)土；在施工過(guò)程中，注漿與補(bǔ)漿相結(jié)合，注漿孔的布置應(yīng)以確保注漿能布滿管道外壁為原則，每節(jié)管道長(zhǎng)度2 m，布置3個(gè)注漿孔，120°分布；及時(shí)有效地跟蹤頂管機(jī)尾部的注漿孔，對(duì)DRCP內(nèi)的注漿孔進(jìn)行一定的補(bǔ)漿，保證管道周圍注漿的完整性。

（5）頂進(jìn)施工監(jiān)控測(cè)量?，F(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中須對(duì)管道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要包括管道軸線、標(biāo)高、地面沉降監(jiān)測(cè)，還要特別關(guān)注頂管的頂力監(jiān)測(cè)、泥水平衡保壓監(jiān)測(cè)。出現(xiàn)偏差應(yīng)及時(shí)進(jìn)行糾偏，避免大角度糾偏導(dǎo)致頂力增加。

3 結(jié) 論

地下工程的建設(shè)不確定性較多，由于頂管施工完全封閉作業(yè)，只能通過(guò)出渣情況及頂進(jìn)參數(shù)進(jìn)行判斷，增加了頂管施工的難度。頂管工程設(shè)計(jì)頂力的計(jì)算結(jié)果影響工作井頂推后背墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、DRCP強(qiáng)度的確定、中繼間的布置等，決定著頂管工程的成敗。本文通過(guò)建立力平衡分析模型，開(kāi)展了巖溶地層中DRCP頂進(jìn)過(guò)程中的原位試驗(yàn)，分析了施工中頂管頂力的變化規(guī)律，并開(kāi)展了頂力的影響因素分析，結(jié)論如下：

（1）根據(jù)力學(xué)平衡原理，建立了觸變泥漿減阻DRCP頂進(jìn)施工全過(guò)程的頂進(jìn)總力計(jì)算模型，分別適用于巖溶地區(qū)巖石地層地下水位以下、地下水位以上的頂管施工過(guò)程頂進(jìn)力的計(jì)算。

（2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用觸變泥漿減阻DRCP頂進(jìn)施工過(guò)程，對(duì)于頂進(jìn)總力的變化主要分為3個(gè)階段：切削力平衡階段、頂力漸變平衡階段和摩阻力平衡階段。通過(guò)3個(gè)階段的認(rèn)識(shí)，有助于對(duì)施工過(guò)程頂進(jìn)總頂力的控制。

（3）基于頂進(jìn)總頂力計(jì)算模型，由擬合分析，得到了觸變泥漿減阻DRCP在不同巖體頂進(jìn)過(guò)程的平均摩阻力和綜合摩擦系數(shù)，發(fā)現(xiàn)巖石越堅(jiān)硬，平均摩阻力和綜合摩擦系數(shù)越大。對(duì)于巖溶地區(qū)的燧石灰?guī)r、灰?guī)r和砂質(zhì)頁(yè)巖，采用泥漿減阻的DRCP的平均摩阻力f_k分別為6.06，5.81 kN/m²和3.78 kN/m²，在頂管設(shè)計(jì)和頂進(jìn)施工的頂力控制中，可以將其乘以安全系數(shù)，作為類似頂管工程的取值參考。

研究成果可為巖溶地區(qū)類似DRCP巖石頂管工程的設(shè)計(jì)計(jì)算和頂進(jìn)施工提供參考。對(duì)于巖溶地區(qū)，溶洞、溶腔、裂隙強(qiáng)發(fā)育，場(chǎng)地地質(zhì)變化差異大，各種巖土地層分布廣泛，頂管頂進(jìn)摩阻力受觸變泥漿潤(rùn)滑度、漏漿的影響較大，文章未考慮頂進(jìn)的掌子面部分為巖石、部分為土的巖土地層的影響，有待于更進(jìn)一步的研究。

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（編輯：郭甜甜）

Experimental study on large diameter DRCP jacking construction in complex karst strata

YE Shenghua^1，2，LU Jun^1，3，MING Pan¹，WANG Tao¹，NIE Xuping⁴

（1.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China； 2.Guiyang Water Resources Development and Investment Co.，Ltd.，Guiyang 550081，China； 3.Cooperative Innovation Center for Water Safety and Hydro Science，Hohai University，Nanjing 210029，China； 4.China Railway Tunnel Group Co.，Ltd.，Guangzhou 511458，China）

Abstract：The maximum jacking force during the construction of large-diameter reinforced concrete pipe （DRCP） in complex karst strata is the most critical construction control index，which determines the efficiency of pipe jacking construction.In order to study the variation rule of the jacking force，a force balance model of DRCP jacking process was established.Based on the pipeline project of Guiyang “Wangjia Dajing” water source emergency project，an in-situ test of the jacking process of DRCP in karst formation was carried out.The DRCP jacking force was monitored and analyzed in real-time.The results showed that the jacking process of DRCP was mainly divided into cutting force equilibrium stage，gradual change of jacking force equilibrium stage and resistance equilibrium stage.For the flint limestone，grey rock and sandy shale in karst area，the average resistance f_k of DRCP with thixotropic slurry as drag reduction was 6.06，5.81，3.78 kN/m² respectively，which can be a reference value for similar pipe jacking projects by being multiplied by the safety factor.Thixotropic mud as drag reducing DRCP has different jacking resistance in different rock mass jacking process.The harder the rock，the higher the average cutting force，average friction force and comprehensive friction coefficient of DRCP.The proposed method of calculating the jacking force of large-diameter DRCP in complex karst strata is of great significance for clarifying the control indexes of DRCP jacking construction，and guaranteeing the construction safety and progress.

Key words：complex karst strata; DRCP; pipe jacking construction; maximum jacking force; resistance and friction