超前模筑襯砌法關鍵參數研究

陳五二

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

在松散軟弱地層中進行大斷面暗挖施工時，需要對松散軟弱地層進行超前處理，但目前采用的超前處理措施難以完全避免工作面坍塌、沉降偏大等問題。超前模筑襯砌法的施工工藝與傳統暗挖法截然不同，其將地下結構外層襯砌分解成小斷面，采用大直徑頂管，通過切割、焊接形成模板，向管內澆筑混凝土，形成地下工程的外層襯砌，然后再進行內部土方開挖。 該工法可以有效地減少地表沉降和防止坍塌，既能保護建筑物和施工的安全，又能加快施工進度。 已有眾多學者對此工法進行了研究。 閻石等[1]基于有限元計算軟件和地層結構模型，對大斷面密排鋼管的力學特性和鋼管與地層的相關作用進行了數值模擬分析;金春福等[2]以新樂遺址站為例，采用非線性有限元分析的方法，研究頂管結構體系的受力特點、破壞模式、極限承載力、 抗剪性能等，著重討論了肋梁位置等參數對其受力性能的影響;王健[3]對肋梁結構體系靜力性能進行了試驗研究;楊仙[4]以新樂遺址站為例，對密排大直徑鋼管群頂進的受力機理及特性進行了分析;楊仙、張可能、李鐘等[5]對新樂遺址站施工中頂管間距的優化設計進行了研究。 楊仙、張可能、黎永索等[6]對新樂遺址站深埋頂管頂力進行了理論計算與實測分析。 陳繼光等[7]對鋼管的壁厚設計及驗算方法進行了分析，給出了建議公式;胡昕等[8]討論了正面推進對相鄰管道的影響范圍。 以上的文獻大多側重于該工法某一結構或單一工序的研究，如某個特定結構或構件的受力及變形、構件的模型試驗等。 結合工程中的實際應用，對超前模筑襯砌法關鍵參數的選用進行全面研究。

1 工程概況

沈陽地鐵2 號線新樂遺址站位于沈陽市黃河北大街，車站沿南北向布置，全長179.80 m(見圖1)。 場地地層主要由雜填土，可塑狀的粉質黏土，中密-密實的中粗砂、礫砂、圓礫，密實的泥礫及少量黏性土組成。場區地下水為潛水，位于拱頂下約1.9 m。 車站主體橫斷面為拱形(見圖2)。

2 超前模筑襯砌法關鍵參數

超前模筑襯砌支護法的基本思想是將襯砌結構分解成多個小斷面，然后進行鋼管的頂進施工，通過切割、支護、焊接等工序，形成一個封閉的襯砌模板，然后澆筑高強度混凝土，形成襯砌結構。

圖1 新樂遺址站平面

超前模筑襯砌法施工工藝的關鍵步驟是頂進，其關鍵參數主要有頂管直徑、壁厚、間距及頂力。

2.1 頂管頂力的確定

頂力包含管端土阻力及側壁摩阻力。 側壁摩阻力又可分為外側摩阻力和內側摩阻力。 超前模筑襯砌支護法的頂進工藝為先挖再頂，不考慮管端土阻力和內側摩阻力。 則外側摩阻力即為頂力

式中:F—頂力;f0—土摩擦系數;Ni—管端、管側土壓力。

2.2 頂管直徑的選擇

頂管的直徑應根據施工地質條件、設備要求、結構斷面尺寸、周邊環境條件及工程造價等因素綜合考慮。

(1)施工條件

當采用人工挖土時，必須保證足夠的空間，以便工人能夠在管內進行正常操作(包括挖土、運土、鋼管切割和焊接等)。

(2)頂進設備

鋼管頂進時，為克服摩阻力及管端壓力，需要頂進設備提供足夠的頂力。 頂管頂力與管徑的平方成正比，亦即隨著管徑的增大，頂力將成幾何級數遞增。 頂管頂力的增大，不僅需增加設備的功率，而且需要相應地增加鋼管壁厚，以及反力件后背墻、工作面的尺寸等。

(3)結構斷面尺寸

管內空間必須滿足結構尺寸要求(包括內設模板的尺寸，混凝土保護層厚度等)。

(4)材料及環境因素

管徑的增大，意味著頂管所需鋼板、填充混凝土、管外注漿等原材料的消耗增加，渣土的方量變大，電能的需求增大。

圖2 新樂遺址站橫斷面(單位：mm)

(5)工程造價

隨著管徑的增大，材料、渣土處理、人工、運輸、能源等費用均隨之增加。

綜上所述，在超前模筑襯砌法設計過程中，應在保證施工空間及結構尺寸要求的前提下，盡可能減小頂管直徑，做到優質高效、節能環保。

2.3 頂管壁厚的選擇

以往的頂管施工中，鋼管壁厚多采用經驗值，即約為管徑的1%。 隨著頂管技術的發展，特別是大直徑鋼質頂管的大量使用，逐漸發現按照這個經驗值計算出的頂管管壁厚度偏大，導致頂管加工的難度增大、投資增高。 同時，厚壁鋼管的剛性太大，致使頂管在土中無法變形，幾乎無法糾偏。 已有一些工程中進行了減小壁厚的試驗，如1997 年穿越甬江的直徑3 m 鋼質頂管，頂管壁厚僅為26 mm (相當于頂管直徑的0.86%);頂管壁厚減小后，管道變形無明顯變化[9-12]。

2.4 頂管間距的選擇

頂管間距的選擇，是鋼管頂進完成后，相鄰鋼管群能否在鋼管切割和管間開挖連接作業時有效協同抵抗管上土壓力的關鍵。 為保證鋼管間土體不坍塌，最佳形態是讓兩鋼管間土體形成“土拱效應”。 因此，可根據“土拱效應”理論及施工工序的空間要求，確定最佳的頂管間距。

3 頂管管徑和壁厚計算分析

為了研究頂進期間鋼管的受力變形情況，采用有限元軟件MIDAS-GTS 建立數值計算模型，對頂進過程進行模擬分析。 該算例中(新樂遺址站)，按照頂進→切割施工的順序進行。 此外，還進行了預切割→頂進的工況對比分析(未附計算結果)。

頂管直徑選取2.0 m、2.2 m、2.3 m，頂管壁厚分別取20 mm、15 mm、12 mm，頂管壁厚與頂管管徑之比為1.00%、0.75%、0.60%;頂管材料為Q235B;頂管頂力為1 600 kN。 切割方式為兩側切割。 當頂管直徑為2.0 m 時，各種壁厚計算結果如圖3～圖20 所示。

3.1 頂管壁厚20 mm 計算結果

鋼管最大主應力云圖如圖3、圖4 所示。

鋼管豎向位移如圖5、圖6 所示。

鋼管水平位移如圖7、圖8。

3.2 頂管壁厚15 mm 計算結果

鋼管最大主應力如圖9、圖10。

圖3 未切割鋼管最大主應力(壁厚20 mm)

圖4 頂進后兩側切割最大主應力(壁厚20 mm)

圖5 未切割鋼管豎向位移(壁厚20 mm)

圖6 頂進后兩側切割鋼管豎向位移(壁厚20 mm)

圖7 未切割鋼管水平位移(壁厚20 mm)

圖8 頂進后兩側切割鋼管水平位移(壁厚20 mm)

鋼管豎向位移如圖11、圖12。

鋼管水平位移如圖13、圖14。

3.3 頂管壁厚12 mm 計算結果

(1)鋼管最大主應力如圖15、圖16。

(2)鋼管豎向位移如圖17、圖18。

圖9 未切割鋼管最大主應力(壁厚15 mm)

圖10 頂進后兩側切割鋼管最大主應力(壁厚15 mm)

圖11 未切割鋼管豎向位移(壁厚15 mm)

圖12 頂進后兩側切割鋼管豎向位移(壁厚15 mm)

圖13 未切割鋼管水平位移(壁厚15 mm)

圖14 頂進后兩側切割鋼管水平位移(壁厚15 mm)

(3)鋼管水平位移如圖19、圖20。

3.4 計算結果分析

(1)由圖3 ～圖20 可以看出，不考慮邊界效應的情況下，完整鋼管頂進完成后整體受壓，壓應力最大值出現在管頂和管底部位，鋼管兩側的壓應力值最小，最大拉應力值為8.00～11.04 MPa，即使鋼管壁厚減小至12 mm，鋼板受力依然安全。

圖15 未切割鋼管最大主應力(壁厚12 mm)

圖16 頂進后兩側切割鋼管最大主應力(壁厚12 mm)

圖17 未切割鋼管豎向位移(壁厚12 mm)

圖18 頂進后兩側切割鋼管豎向位移(壁厚12 mm)

圖19 未切割鋼管水平位移(壁厚12 mm)

圖20 頂進后兩側切割鋼管水平位移(壁厚12 mm)

(2)對頂進后的鋼管兩側進行切割，會在切口處出現應力集中現象[13-15]，鋼管的受拉范圍明顯增大，拉應力最大值出現在切割洞口的后腳點處，最大拉應力值為34.51～52.63 MPa，鋼板受力安全。

(3)預先切割后頂進的鋼管最大拉應力值約為頂進后切割鋼管2.5 倍，說明預先切割不利于鋼管的應力控制。 兩側預切割僅在鋼管壁厚≥12 mm 時滿足使用要求，鋼管壁厚＜12 mm，需在切割洞口處采取局部加強措施。

(4)最終確定采用直徑2 000 mm(壁厚20 mm)，直徑2 200 mm(壁厚18 mm)，直徑2 300 mm(壁厚22 mm)三種鋼管。

4 結論

超前模筑襯砌法非常適合于建(構)筑物情況復雜，市政道路、管線密集的城市中心區域的暗挖施工。該工法具有適用范圍廣、地表沉降小、安全、高效、環保等優點。

(1)頂管的管徑應根據施工地質條件、設備要求、結構斷面尺寸、周邊環境條件及工程造價綜合考慮，在滿足施工空間(一般不小于2 m)及結構尺寸要求的前提下，頂管直徑可以盡量減小[16-17]。

(2)應根據頂進和切割的施工順序、地質條件及有限元數值模擬分析合理確定頂管壁厚，一般要求不大于1%管徑。

(3)按照土拱效應理論計算最大頂管間距，結合施工空間要求，合理確定頂管間距。

(4)可按照頂管的施工工序，按頂管外側摩阻力即為頂力的原則進行計算，確定合理的頂管頂力。