頂管工作井后背墻工程設(shè)計(jì)研究

孫 寬 白東鋒

頂管工作井后背墻工程設(shè)計(jì)研究

孫 寬 白東鋒

隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定地增長，城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，我國的地下管線的需求量也在逐年增加。加之人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，頂管技術(shù)將在我國地下管線的施工中起到越來越重要的地位和作用。非開挖技術(shù)的發(fā)展必將向規(guī)?；?、規(guī)范化 、國際化的方向發(fā)展。

常規(guī)情況下，頂管施工前需先行在工作井和相應(yīng)的進(jìn)出洞處進(jìn)行地基加固，頂管機(jī)從始發(fā)井吊入，經(jīng)過始發(fā)井到接收井之間的通道掘進(jìn)，從接收井進(jìn)洞，最后吊運(yùn)至地面回收。工作井圍護(hù)形式根據(jù)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、鄰近建（構(gòu)）筑物、地上與地下管線情況，結(jié)構(gòu)受力及施工安全等要求，可以沉井、鋼板樁、鋼筋混凝土噴錨逆作法、鋼木組合支撐法、地下連續(xù)墻和型鋼水泥土攪拌墻等結(jié)構(gòu)形式。

頂管工作井在施工中需要承受承受頂管向前頂 進(jìn)的全部水平頂力，后背墻設(shè)計(jì)尺寸的大小取決于頂管的管徑以及后背土體被動(dòng)土壓力，管徑越大，被動(dòng)土壓力越小，頂管的水平頂力就越大。準(zhǔn)確估算土體所能提供的最大土抗力，就成為合理設(shè)計(jì)后背墻的關(guān)鍵。

目前而言，由于受到土的種類、土的物理力學(xué)性質(zhì)、地下水、管頂覆土深度、管材和管徑、是否形成卸力拱以及故管道流水坡和頂距等因素的影響，土抗力分布形態(tài)必然不同，這就造成了不同的設(shè)計(jì)及分析結(jié)果。在實(shí)際工程實(shí)踐中，工作井的設(shè)計(jì)主要采取的是工程經(jīng)驗(yàn)，具有一定的盲目性和隨意性。因此，如何在綜合考慮各個(gè)因素的影響下，較為準(zhǔn)確地得出接近實(shí)際施工中土體抗力就顯得尤為重要。

工程背景

江蘇徐州市進(jìn)行地鐵工程的建設(shè)，為了減少交通圍擋以及管線遷改，部分過街出入口的修建采用頂管法施工。以其中一個(gè)車站出入口為例，該出入口過街管段處于雜填土層、粉土層、粉質(zhì)粘土層、粉砂層、黏土層以及石灰?guī)r層。頂管頂覆土約4m，道路南側(cè)綠化帶內(nèi)設(shè)置頂管始發(fā)工作井，并在車站南側(cè)設(shè)置頂管接收井完成頂管機(jī)吊出（見圖1）。

始發(fā)井平面內(nèi)凈尺寸為10m×9m，為地下一層結(jié)構(gòu)，頂覆土約為2m，頂管長為7m，寬為5m，頂管厚度為0.5m，頂管管道為鋼筋混凝土管。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用型鋼水泥土攪拌墻，頂管進(jìn)洞加固區(qū)采用1排φ800@650三重管旋噴樁+4排φ800@600三軸攪拌樁；后背加固區(qū)采用1排φ800@650三重管旋噴樁+8排φ800@600三軸攪拌樁（見圖2、圖3）。

圖1 工程總體平面圖

頂管工作井受力分析

工作井的受力性狀分析。因本工程采用矩形工作井井壁作為后備，其后背的土抗力分布圖形相對(duì)圓形工作井而言較為簡單。

陳春來等人假定矩形型鋼水泥土攪拌墻工作井承載后背豎向土抗力呈擬正態(tài)分布、水平向土抗力呈均勻分布，以此求得后背土體所能承受的最大抗力計(jì)算公式。

頂管在施工過程中，工作井井壁與土體之間的土壓力介于靜止土壓力與主動(dòng)土壓力之間。在受到頂力作用后，假設(shè)千斤頂?shù)耐屏鶆虻耐ㄟ^后背墻作用在工作井后的土體上，由于后背墻具有很大的剛度，破壞主要由于后座墻后的土體土壓力超過被動(dòng)土壓力引起的。因此，工作井受到后座土體反力、井側(cè)壁摩阻力作用。

矩形工作井的受力模型。矩形工作井井前壁主動(dòng)土壓力和井后壁被動(dòng)土壓力主要根據(jù)郎金土壓力理論進(jìn)行分析計(jì)算，其受力模型分為施工階段和使用階段（見圖4、圖5）。

工作井受力計(jì)算。

1）總推力計(jì)算F= F1+ F2

式中F為總推力；F1為迎面阻力

F1=peBcH，pe為控制土壓力

Bc為管外寬度；H為管外高度

pe= pA+ pw+Δp

pA為掘進(jìn)所處土層的主動(dòng)土壓力（kPa）

pA一般為150-300 kPa

pw為掘進(jìn)所處土層的地下水壓力（kPa）

pw=γ水H埋深

Δp為給土倉的預(yù)加壓力（kPa）

Δp一般為20 kPa

式中F2為頂進(jìn)阻力

F2=BcHfkL

fk為管外壁與土的單位面積平均摩阻力kN/m2

圖2 始發(fā)井圍護(hù)平面圖

圖3 始發(fā)井橫剖面

圖4 施工階段荷載簡圖

圖5 使用階段荷載簡圖

其數(shù)值一般通過試驗(yàn)確定

如果采用觸變泥漿減阻技術(shù)按下表選用

fk為管外壁與土的單位面積平均摩阻力kN/m2

當(dāng)觸變泥漿技術(shù)成熟可靠、管外壁能形成和保持穩(wěn)定、連續(xù)的泥漿套時(shí)，fk可直接取值3.0-5.0 kN/m2。

L為頂進(jìn)長度m

結(jié)合本工程，相關(guān)參數(shù)如下：

pA=230 kPa，pw=9.0×10=90kPa，Δp=20 kPa

pe= pA+ pw+ Δp =230+90+20=340 kPa

Bc=7 m，H=5 m，L=5 2.1 m，fk=10kPa

F= peBcH+2（Bc+H）fkL

=340×7×5+ (7+5) ×2×10×52.1 =24404 kPa

并考慮1.2倍的安全系數(shù)F=29284.8kPa

2）頂背后土體計(jì)算

一般要求后背土體的承載力RC≥Rfmax

而RC=KX＊B＊H＊(h+H/2)＊γ＊KB= KX＊B＊H＊(h+H/2)＊γ＊tg2(45°+φ/2)

式中：KX—后背的土抗系數(shù)，如果管頂覆土淺，取KX=0.85，如果管頂覆土深，則KX=0.5＊h/H+1。H—后背墻高度(m)，B—后背墻寬度(m)，h—后背墻頂至地面的高度(m)，γ—后背土的容重。KB—被動(dòng)土壓力系數(shù)。

結(jié)合本工程，相關(guān)參數(shù)如下：

h=2.1m，H=8.6m，B=11.4m，φ=28°未加固土體，γ=18.9kN/m3未加固土體。

KX= 0.85按管頂覆土淺考慮

RC=KX＊B＊H＊(h+H/2)＊γ＊tg2(45° +φ/2)=0.85×11.4×8.6×（2.1+4.3）×18.9×2.77=27922＜29284.8 kPa

加固后土體按φ=38°，γ=20kN/m3計(jì)算。

RC=KX＊B＊H＊(h+H/2)＊γ＊tg2(45° +φ/2)=0.85×11.4×8.6×6.4×20×4.2 =44800＞29284.8kPa滿足要求。

三維模型分析

分析模型的建立

本工程工況較為復(fù)雜，受力體系轉(zhuǎn)換多次，先將分析模型分為2種工況，進(jìn)行分析。一種為施工工況，即工作井頂板為大開洞，且降水降至底板以下1米，受力時(shí)不考慮覆土荷載以及水浮力；另一種為工作井正常使用階段，工作井頂板已完成，覆土回填，抗浮水位采取地下0.5m。（本次分析軟件采用SAP200015.1）。

分析區(qū)域

表1 不同土層參數(shù)

表2 不同土層平均摩阻力

1）取工作井井壁為研究對(duì)象。

模擬單元選擇

頂?shù)装逡约皞?cè)墻采用薄殼單元，后背墻后土體采用接地彈簧（只受壓不受拉），同時(shí)對(duì)構(gòu)件賦予材料屬性、以及截面形狀的設(shè)置。

荷載施加與模擬

1）施工階段荷載包括：側(cè)墻的土壓力、水壓力、以及超載側(cè)土壓力、頂管頂力。

2）使用階段荷載包括：頂板覆土壓力、頂板水壓力、地面超載、側(cè)墻的土壓力、水壓力、以及超載側(cè)土壓力、頂管頂力、水浮力。

分析時(shí)采用線性賦值的方法，程序中自動(dòng)進(jìn)行每個(gè)單元的計(jì)算。計(jì)算組合分為基本組合和標(biāo)準(zhǔn)組合兩種。

計(jì)算分析

1）工作井施工期間計(jì)算

圖6 彎矩圖（M22、M11設(shè)計(jì)值）

2）工作井正常使用期間計(jì)算

圖7 彎矩圖（M22、M11設(shè)計(jì)值）

結(jié)論與建議

本文通過地鐵車站出入口頂管模型研究了頂管工作井后背墻在頂管頂力作用下力的傳遞以及土反力對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響。初步結(jié)論與建議如下：

工作井在施工過程中受力是反復(fù)的，與土層分布、土的性質(zhì)、土體與后背墻的接觸情況、后背墻的剛度、以及頂力的位置、范圍和大小均有關(guān)。

后背墻結(jié)構(gòu)受力按平面應(yīng)變問題處理，將會(huì)大大簡化模型的計(jì)算，后背墻水平受力以及豎向受力均采用線型分布。

本次研究僅針對(duì)個(gè)別工程進(jìn)行分析研究，缺少實(shí)測數(shù)據(jù)，因此需要開展大量現(xiàn)場實(shí)測實(shí)驗(yàn)，從而對(duì)現(xiàn)有理論進(jìn)行印證，能更好的指導(dǎo)以后工作井的施工和設(shè)計(jì)。

(作者單位：中交（西安）鐵道設(shè)計(jì)研究院有限公司)