矩形頂管頂力預估公式適應性分析研究

□文/趙 歆 劉彥坡 趙俊妍 徐管應 柯靜懿

現有地鐵車站附屬結構一般采用明挖法施工，不僅修建圍擋臨時占用地上空間、影響交通，而且需要切改較多的地下管線、拆除附屬結構附近的房屋，前期工程量巨大、資金成本高。隨著設備的完善和施工方法逐漸成熟，矩形頂管技術開始逐漸應用于地鐵附屬結構，特別是過街通道施工中。

矩形頂管施工技術具有占地面積小，地面交通影響小，無需切改頂管上方管線，施工速度較快等優點。頂力預估對于整個頂管工程的安全性起決定作用，若頂力過大，而工作井強度不夠、整體性差或后座井壁后部土體穩定性不夠，就會導致工程問題；因此，頂力預估有著重要的工程意義。由于尚未大面積應用，設計人員在預估頂力時往往采用圓形頂管的頂力預估公式［1］，可參考性不強。

本文對天津市某車站的矩形頂管出入口通道的現場實測頂力數據與相關規范[1～4]中的頂力計算公式進行比較，分析公式的適用性，為今后的矩形頂管的頂力預估提供參考性的結論。

1 工程概況

天津某地鐵出入口交通導行困難且上方存在DN1 200 mm 輸配水管，埋深1.38 m；DN1 000 mm 雨水管，埋深2.32 m；DN500 mm污水管，埋深4.05 m等管徑及埋深較深的管線無法切改，因此采用頂管法施工。

車站深度范圍內分布的土層有①1雜填土、③1粉質黏土、④1粉質黏土、④5淤泥質粉質黏土、⑤1粉質黏土、⑥1粉質黏土。其中頂管位于③1粉質黏土和④1粉質黏土中。

頂管截面尺寸7 m×4.3 m（壁厚500 mm），管片混凝土為C50、P8，頂管覆土4.4 m，頂進長度16.5 m。頂管機采用土壓平衡式矩形頂管機。見圖1。

圖1 頂管段縱剖面

2 頂力預估公式

根據文獻[1]第12.4節，頂力可按式（1）進行估算

式中：D1——管道外徑，m；

L——頂管總長度，15.04 m；

fk——管道外壁與土的平均摩阻力，kPa；

Nf——頂管機的迎面阻力，本出入口采用的土

蓋層厚度，44 m。

將πD1轉換為矩形頂管周長，為22.6 m。

根據文獻[3]第12.2.2節，頂力可按式（2）進行估算

式中：N1——箱涵頂上荷載，可按上覆土重進行計算，本出入口上覆土重為83.6 kN；

N2——箱涵自重，kN，每延米箱涵自重為247.35 kN；

E——土壓力，由于頂管頂進動態過程，土壓力建議按照主動土壓力進行計算，主動土壓力可根據土力學中公式進行計算，為282.14 kN；

μ1、μ2、μ3——土與管節摩擦系數，按照μ=tanφ進行計算；

K1——安全系數，推薦取值為1.2 并按頂管總長度進行計算；

RA——迎面阻力，可按土的性質經經驗確定。但該數據相較施工中土倉壓力設定值100 kPa和文獻[1]中Nf的頂管機的迎面阻力的計算值都偏大且指定其迎面阻力與頂管機的相關關系，因此本文推薦其迎面阻力按照文獻[1]的Nf來代替RA；或按照施工中土倉壓力設定值100 kPa來代替RA計算。

3 各預估結果與實測數據對比

對頂進長度5.65、7.15、8.63、10.13、11.73、13.23、14.73 m 的實測數據與式（1）和式（2）的預估結果進行對比分析。見圖2。

圖2 頂力實測數據和理論公式對比

由圖2 可以看出，式（1）計算值均小于實測計算值，當頂進到14.73 m 時計算值僅為實測數據的65.6%，偏差較大。公式（1）預估頂管頂力與實測值差距較大，是因為文獻[1]是以圓形小截面頂管為主的規范且管道頂力值與覆蓋層高低無關，因此式（1）計算結果相對較小，不建議用于矩形頂管頂力估算。

當頂進距離越長式（2）計算值越接近實測值。將RA換成Nf后當頂進至14.73 m 時，計算值為實測值的92.5%，偏離值較小，采用該方法是較為合理的。

將RA土倉壓力100 kPa代替后，更為接近實測值，當頂進至14.73 m 時，計算值為實測值的97%，較為精確。由于該計算值存在一定經驗性，建議可以從K1安全系數入手，建議將該值根據不同土層調整為1～1.3。

4 結論及建議

1）式（1）預估頂管頂力與實測值差距較大，因此不建議用于矩形頂管頂力估算。

2）頂進距離越長，式（2）的預估頂力越接近實測值且RA換成Nf后，計算結果值較為理想。

3）由于初設迎面阻力值影響頂力理論計算結果較大，公式（2）預估頂管頂力中K1安全系數根據不同土層調整為1～1.3。

4）由于本出入口為天津市第一個小截面矩形頂管通道，實測數據較為孤立且通道距離較短，頂管頂進過程中并未采用減阻措施，μ的取值也是經驗值，本文按照μ=tanφ計算存在一定離散性，因此需要有多個工程實例來進行對比和分析，才能更好地得出更適合天津土層的頂管頂力理論計算值。