复杂环境下矩形顶管顶进合理参数确定.pdf

收稿日期：2023-01-19作者简介：关国轻（1976-），男，河南洛阳人，本科，工程师，研究方向土建工程项目技术和管理。27第22卷第3期石家庄铁路职业技术学院学报VOL.22 No.32023 年 9 月JOURNAL OF SHIJIAZHUANG INSTITUTE OF RAILWAYTECHNOLOGYSep.2023复杂环境下矩形顶管顶进合理参数确定复杂环境下矩形顶管顶进合理参数确定关国轻（中铁十五局集团城市建设工程有限公司河南洛阳471000）摘要：摘要：顶管顶力作为顶管工程中施工的重要参数，顶推力的大小直接影响管片强度、后背墙的设计强度、千斤顶的选择，间接控制了工程成本、施工安全。顶力预测过大，管片、后背墙设计强度过高，工程不经济；顶力预测过小，后背墙强度无法满足要求，无法进行施工。本文以上海市轨道交通 18 号线沈梅路站为工程背景，采用有限差分软件 FLAC3D对复杂环境条件下矩形顶管顶进过程进行数值模拟分析，确定矩形顶管顶力大小与顶管顶进过程中受到的摩阻力和顶进距离的关系。关键词：关键词：复杂环境；矩形顶管；施工参数；摩阻力；顶推力中图分类号中图分类号：K826.16文献标识码文献标识码：A文章编号文章编号：1673-1816(2023)03-0027-06顶管施工是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术。由顶管施工不需要开挖面层，对既有建筑物、交通线路以及管线等影响较小，广泛应用于市政工程中。相较于传统地下工程施工方法，日趋完善的顶管施工技术显著降低了土方开挖、回填、地面恢复等施工成本，有效减少了地面施工时对于周边环境的安全隐患，表现出经济、高效、安全等优势1-3。为满足地下人行通道、车行通道、引水和排水管道等工程的多样化需求，通常的圆形断面顶管存在断面利用率较低、浅覆土适应能力较弱等问题，因此矩形顶管技术快速发展并被广泛应用4，矩形断面是在圆形截面基础上发展起来的，在同等截面积条件下比圆形断面顶管更有效利用空间，选用矩形顶管不仅能减少施工过程中的土方开挖量，而且在后期运营和维护中相对简单5。矩形顶管技术在施工中比其它类型技术对土层的开挖扰动要小的多，对于城市地下建设来说具有积极意义。顶推力的大小直接影响管片和后背墙的设计强度、千斤顶的选择，间接控制了工程成本、施工安全。可见，顶力参数选择和确定至关重要。在顶管施工中，顶力的大小与管节受到的周围土体的摩阻力与顶管机刀盘处的迎面阻力相关，开展相关研究对矩形顶管技术工程应用具有重要的价值。1工程概况工程概况1.1 工程背景工程背景本项目以上海轨道交通 18 号线沈梅路站为工程背景，沈梅路站位于沈梅路以南的沪南公路上，沿沪南呈南北向布置，车站南侧的 2 号出入口需穿越康沈路采用顶管施工，3、4 号出入口因需要穿越既有管线也采用顶管施工，顶管埋深在 45 m 之间，混凝土强度为 C50，外形尺寸 6.9 m4.2 m，管壁厚为 0.45 m，管节长度为 1.5 m。1.2 水文地质条件水文地质条件石家庄铁路职业技术学院学报2023 年第 3 期28顶管主要穿越灰色淤泥质粉质粘土，灰色粘质粉土和一部分灰色淤泥质粘土。施建场地有浅层潜水及承压水，潜水年平均水位埋深 0.51.5 m，临近场地承压水头的稳定水位埋深为 7.14 m。主体结构穿越承压水层。2顶力与摩阻力计算方法顶力与摩阻力计算方法2.1 顶管顶管顶力顶力组组成成在矩形顶管施工过程中，千斤顶要克服顶管顶进阻力，其中所受阻力包括管端贯入阻力 PF和管壁摩擦阻力 Pf两部分组成，如图 1 所示。顶进阻力按式（1）计算：FfPPP（1）式中：p顶进阻力，kN/m2；Fp管端贯入阻力，kN/m2；fp管壁与土体摩阻力，N/m2。2.2 顶管周围土压力计算顶管周围土压力计算管端贯入阻力和管土摩擦阻力共同组成顶管顶进阻力，当直径、地层性质和埋深等因素确定时顶管管端贯入阻力可以认为是一个定值，根据土压力与受力面积大小确定6，但管土摩阻力随着顶进距离增加而增大。因此，在顶进阻力计算中管土摩阻力的计算成为尤为重要的研究内容。在顶进过程，顶管横截面受到顶部土压力、周围土层侧向土压力和底部地基反力，如图 2 所示。图 1管节顶进纵截面受力图图 2管节顶进横截面受力图（1）顶部竖向土压力计算太沙基理论、普氏卸荷拱理论和土柱理论是计算土压力的重要理论，前两个均考虑了卸荷拱效应。顶管在浅埋区域或上覆土层为不稳定地层时，顶管管节上部不能形成拱效应，管节承担上部所有土的重度。顶管管节处于深埋地层或稳定地层时，顶管管节上部形成拱效应，拱对上部的土体起支撑作用，拱两侧的土体将分担一部分上部的土体重度。推导过程考虑了土的内摩擦角及土黏聚力，因此太沙基土压力理论具有较高合理性。其假设开挖扰动后两侧的土体发生主动变形且变形界限向上发展延伸到地面，如图 3 所示。考虑地表上覆活荷载 q 时，顶部竖向土压力式（2）计算01tantan/1tanHHBc BBBPeqe（2）其中00tan 4522BBH（3）式中：1P沿顶管方向单位长度顶部竖向土压力，kN/m2；0B管节外宽，m；0H管节高度，第 3 期关国轻复杂环境下矩形顶管顶进合理参数确定29m；H管顶埋深，m；q地表上覆活荷载，kN/m2；h土松动高度，m；0管节周边土体平均重度，kN/m3；c土黏聚力，kN/m2；土内摩擦角。（2）侧向土压力计算顶管顶进过程中，顶管侧方土体因被扰动而向顶管方向移动，对矩形顶管管节侧面产生主动土压力，分布如图 4。顶管管节水平方向的侧向土压力为矩形管节的竖向土压力与侧压力系数乘积。图 3太沙基土压力理论示意图图 4管节侧向土压力示意图考虑土黏聚力，顶管管节侧向土压力按式（4）计算：0002tan/12tan2aaHBc BHBPeKc K（4）式中：2p沿顶管方向单位长度的顶管管节侧向土压力，kN/m2；aK主动土压力系数，2tan452aK。（3）底部地基反力计算矩形顶管底部地基反力为顶管管节顶部土压力与自重之和。因此，矩形顶管底部地基反力可按式（5）计算：03tan/1tanHBc BBPeG（5）式中：3P沿顶管方向单位长度的顶管底部土压力，kN/m2；G沿顶管方向单位长度的顶管管节重量，kN/m2。2.3 摩擦阻力计算摩擦阻力计算顶进过程摩擦阻力是周边土体挤压造成的，摩擦力是表面正压力与接触面摩擦系数之积。顶管的摩擦阻力分三部分，即顶部摩擦阻力，两侧摩擦阻力和底部摩擦阻力之和。管壁所受正压力来自周围土体，其与土的粘聚力 c、内摩擦角、重度、管节埋深 H 等地层参数有关。摩擦系数取决于土和管材的性质及注浆等因素。矩形顶管的总摩擦阻力按式（6）计算：f130202PfPP B LP H L（6）式中：f管节与周围土体之间的摩擦系数；L矩形顶管长，m。石家庄铁路职业技术学院学报2023 年第 3 期303 考虑管考虑管-土接触的顶管顶推力数值计算土接触的顶管顶推力数值计算3.1 顶进模拟顶进模拟顶管施工中顶力未知，数值模拟时不能给顶管施加顶力来模拟顶进过程，但知道顶进距离，因此可以通过顶进位移来模拟顶进过程，基于此，本文提出位移控制法模拟顶管顶进，类似于单桩静载，将单桩从垂直改为水平状态。通过对顶进位移的控制可以得到摩阻力，顶力大小与摩阻力相关，通过摩阻力可以反推出顶力大小来。具体步骤为：（1）对顶管结构模型进行地应力平衡，下一阶段进行土体开挖后顶管安装，通过将代表顶管的区域土体改为代表混凝土的特性，同时将代表开挖土体的区域置零。（2）并根据触变泥浆的特性在土体与顶管间建立接触模拟触变泥浆，进行平衡计算。（3）在顶管尾部施加一个速度（如图 5 中标红处）。通过施工现场的监测得到顶进速度，计算中设置求解步数，顶进速度乘以步数即为顶进距离。3.2 模型建立模型建立本文采用有限差分软件 FLAC3D进行计算。模型长度呈现不同的顶升距离。模型宽 100 m，高50 m（Z 方向），顶管顶进距离设定为 60 m。在 x=0、x=100、y=0、y=60 以及 z=0 处平面施加铰支座约束模拟土体状态，如图 5 所示。3.3 计算参数选取计算参数选取模型中土体采用摩尔库伦本构模型，顶管采用弹性本构模型，通过接触面模拟管土界面接触情况，接触面参数的不同模拟管土不同接触情况，计算参数见表 1。表 1计算参数材料容重/kN/m3泊松比弹性模量 E/MPa粘聚力 c/kN/m2内摩擦角/土体18000.27130.92e639.3顶管25000.203.45e4模型中为了模拟土触变泥浆顶管之间的作用，在管和土之间建立了接触面面的作用范围、内摩擦角、粘聚力等参数来估算土管道之间的摩擦力具体参数如表 2，图 7 为接触面示意图。表 2接触面参数法向刚度 Kn(N/m)切向刚度 Ks(N/m)()C(kPa)1e51e638150图 5模型示意图图 6接触面示意图3.4 结果分析结果分析管土全接触情况下不同顶进距离接触面剪应力分布情况如图 7 所示，顶管尾部某点监测到的顶力位移关系曲线如图 8 所示，顶力-顶进距离关系曲线如图 9 所示。第 3 期关国轻复杂环境下矩形顶管顶进合理参数确定31（a）顶进一节顶管（b）顶进三节顶管（c）顶进五节顶管（d）顶进七节顶管图 7接触面剪应力云图从图 7 计算结果可以看出，两侧接触面部切向剪应力小于上下部位接触面切向剪应力，这是因为两侧顶管所受到侧向土压力小于顶、底部土压力，产生的摩阻力也小于顶、底部产生的摩阻力。其次，对比不同顶进距离接触面切向剪应力发现随着顶进距离不断增大，剪应力也随之增大，表明摩阻力随着顶进距离的增大而增大，与实际情况相符合。同时从接触面剪应力云图中看出，剪应力在顶管前端较小，在顶管尾部剪应力较大，且同一位置处，两侧剪应力都小于上下部位剪应力，表明顶管顶进时并不是所有部位同时滑动，出现管节两侧首先克服最大摩阻力，两侧发生滑动，顶力继续增大，顶管上下部位从左右侧逐渐发生滑动，最终整个顶管发生滑动。（a）顶进一节顶管（b）顶进三节顶管（c）顶进五节顶管（d）顶进七节顶管图 8顶力位移关系曲线从图 8 中可以看出，在一定范围内顶力随位移的增大而不断增大，当达到一定值后，位移继续增大，而顶力基本保持不变，说明此时千斤顶所提供的顶力刚好克服了管土之间的最大静摩擦力，顶力不再变化。石家庄铁路职业技术学院学报2023 年第 3 期32从图 9 中曲线可以看出，顶进一节顶管到顶进七节顶管顶力不断增大，与实际情况相符合，同时顶力随顶进距离基本呈线性增长，拟合成函数为 y=0.37x+3.9，其中 y 为顶力，x 为顶程，本项目模拟研究的是单一土层，当土层改变时，通过乘以系数可得到不同土层的顶力顶进距离的数据。4结结论论（1）随着顶进距离不断增大，接触面切向剪应力也随之增大，表明摩阻力随着顶进距离的增大而增大。（2）在一定范围内顶力随位移的增大而不断增大，当达到一定值后，位移继续增大，而顶力基本保持不变，说明此时千斤顶所提供的顶力刚好克服了管土之间的最大静摩擦力，顶力不再变化。（3）顶力大小与顶管顶进过程中受到的摩阻力相关，根据顶管顶力理论计算与数值分析，顶力随顶进距离基本呈线性增长，当土层性质改变时，可通过乘以系数得到不同土层顶力顶进距离之间的函数关系，这为工程实际带来极大方便。参考文献参考文献:1 刘富东.顶管施工技术在市政工程中的应用J.中国住宅设施,2019,(02):122-123.2 熊勋华.探讨顶管施工技术在市政工程中的应用J.四川水泥,2020,(09):208+210.3 秦林,郝欣,汪林.顶管技术在地下空间中小型管道施工中的应用J.现代隧道技术,2022,59(S2):228-233.DOI:10.13807/ki.mtt.2022.S2.33.4 王虎,李栋,陈雪华等.矩形顶管技术的应用与发展J.施工技术(中英文),2023,52(01):26-32.5 马鹏,岛田英树,马保松等.矩形顶管关键技术研究现状及发展趋势探讨J.隧道建设(中英文),2022,42(10):1677-1692.6 王志东.三维自由面湍流场数值模拟及其在水利工程中的应用D.河海大学,2004.Determination of Reasonable Parameters for Rectangular Pipe JackingConstruction in Complex EnvironmentGuan Guoqing(China Railway 15th Bureau Group Urban Construction Engineering Co.LTD,Luoyang,471000,China)Abstract:As an important parameter in pipe jacking construction,jacking force directly affects segmentstrength,design strength of back wall and Jack selection,which indirectly controls project cost andconstruction safety.If the jacking force prediction is too large,the design strength of segment and back wallis too high,so the project is not economical;if the jacking force prediction is too small,the back wallstrength can not meet the requirements,so the construction can not be carried out.In this paper,takingshenmeilu station of Shanghai rail transit line 18 as the engineering background,the finite differencesoftware FLAC 3D is used to simulate the jacking process of Rectangular Pipe Jacking under complexenvironmental conditions,and the relationship between the jacking force of rectangular pipe jacking andthe friction and jacking distance in the jacking process is determined.Keywords:complex environment;rectangular pipe jacking;construction parameters;friction force;topthrust图 9顶力-顶进距离曲线