頂管工作坑后背力作用下支護樁簡便計算方法探討

□文/張苗苗

頂管工作坑后背力作用下支護樁簡便計算方法探討

□文/張苗苗

結合天津地區常規工字鋼樁頂管坑實例，分析了后背樁在抵抗頂管頂力過程中的受力特點，結合現行規范總結出計算支護樁在后背力作用工況的內力、位移計算方法并進行分析、探討。

頂管；工作坑；后背頂力；支護樁；簡便算法

隨著非開挖施工技術在工程中的廣泛應用，頂管技術以其減少破壞現狀地表及經濟性的優勢逐步成為天津地區排水管道施工的一種主要方式。因為當前施工隊伍的技術水平及前期對該風險源的預估不足，頂管坑后背墻失穩的狀況也常有發生，故在設計頂管深基坑支護的同時，尚需考慮頂管后背力對支護樁的作用，從而提前控制風險。本文在總結現行規范規定的同時，以工程實例探討了后背力作用下支護樁的受力、變形的簡便計算方法。

1　工程實例

1.1基坑參數

以天津某常規頂管工程為例，頂管管徑2 000mm，頂距100m，覆土4.5m，頂管工作坑尺寸長為8.0m，寬6.5m，深7.5m，基坑形式見圖1和圖2。

圖1　基坑平面

圖2　正基坑立面

1.2工程地質參數

工程地質情況見表1。

表1　直剪抗剪強度指標及抗滲系數

續表1

2　后背樁受力特點

頂管后背墻一般由兩部分組成，與頂管千斤頂相連的為鋼結構后背，由型鋼及鋼板焊接而成。為保證鋼后背有效的將頂力傳至支護樁，在鋼后背墻與支護樁之間需設鋼筋混凝土后背墻以增加后背剛度、整體性并有效傳遞內力。頂管過程中，頂力由鋼后背墻通過混凝土墻傳至支護樁及樁后土體，鋼后背墻與鋼筋混凝土后背墻一起形成一個剛體，有效的將幾處集中的應力分散開來，形成近似均布荷載傳至后面的樁及土體。

在頂管過程中，千斤頂的頂力由后背墻分散成近似均布荷載傳至后面支護樁及土體，后背墻起一個傳遞力的載體的作用，最終抵抗頂管頂力的為支護樁與土體的復合結構。

3　后背樁受力計算探討

3.1頂力計算

式中：F0為總頂力標準值，kN；D1為管道的外徑，m；L為管道設計頂進長度，m；fk為管道外壁與土的平均摩阻力，kN/m2；NF為頂管機的迎面阻力，kN；Dg為頂管機外徑，m；rs為土的重度，kN/m3；Hs為覆蓋層厚度，m。

頂管總頂力F0=3014.4+407=3421.4（kN）

3.2被動土壓力

后背墻范圍被動土壓力分布見圖3，計算得后背墻寬度范圍被動土壓力合力為3 075.2 kN＜F0，需要考慮支護樁承擔后背力。

圖3　后背強高度被動土壓力分布

3.3后背樁受力計算

《頂管施工技術及驗收規范》（試行）考慮了板樁支護的聯合作用對土抗力的影響，水平頂進力通過后背墻傳遞到土體上，近似彈性荷載曲線，能將頂力分散傳遞，擴大了支承面。近似彈性的荷載曲線見圖4，為簡化計算，將彈性載荷曲線簡化為梯形力系，見圖5。

圖5　簡化的受力模型

按照圖5的計算結果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，故考慮支護樁的作用，可承擔該頂力。

式中：Kp為被動土壓力系數；b為后背墻寬度，m。

可以定性的判斷后背體系的安全性，但工程中若支護變形過大，會造成頂進過程中油缸的進程大部分被后背結構的變形消耗掉，有必要對支護樁在頂力作用下發生的負位移進行計算，在深基坑支護計算模型的基礎上加上后背力計算，頂力按照作用點以預加軸力形式作用于支護樁見圖6，結果見圖7。圖7c、d所示負位移及負彎矩，變形是向基坑外側的。與圖7a、b對比可知，該工程支護樁在頂力與土壓力作用下產生的彎矩大于開挖時的彎矩，頂力作用下產生的最大位移2.6mm。

圖6　加上后背力的計算

圖7　內力位移計算結果

圖7c與圖4土體受力曲線基本吻合，該計算方法取加載完開挖到坑底工況，不考慮加載的過程因素，與頂管坑后背墻承受頂力工況的特點相符合，采用該方法計算并跟蹤了天津地區幾個工程項目，實測支護樁向基坑外側的變形均小于計算結果，故該計算結果較實際偏于保守，該方法計算簡便，結果表達明確清晰，可為控制頂管坑后背墻變形提供量化的參考。

4　結論

1）頂管后背力作用下后背體系的變形及受力不容忽視，工程需要量化支護樁變形及受力以保證施工安全。

2）規范對支護樁分擔后背力的效果及后背穩定性做了定性的計算。

3）采用深基坑計算模型設置頂力作用模擬后背力作用工況，基本與實際工況相符，支護樁變形圖與后背土體受力圖基本吻合。

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

□TU992

□C

□1008-3197（2015）03-55-02

□2015-04-01

□張苗苗/女，1975年出生，高級工程師，碩士，天津城建設計院有限公司，從事給排水結構設計工作。