中風(fēng)化砂礫巖地層泥水平衡長距離頂管總頂力的計算

蔣尊正，楊澤矗

（巢湖市重點工程建設(shè)管理中心，安徽 巢湖 238000）

頂管施工成敗的關(guān)鍵是正確選擇頂力計算，但其理論方面的研究相對滯后于施工工藝的進(jìn)展，這在一定程度上限制了頂管技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。對頂管工藝中最基本、最重要的參數(shù)—頂力的計算,不同類型的公式的適應(yīng)情況不同，各種頂力方法都有其局限性。在特定地質(zhì)情況下，選用相適應(yīng)的計算方法與參數(shù)，對頂力各主要影響因素進(jìn)行細(xì)致的理論分析，結(jié)合實際施工條件建立合理的頂力計算模型，推導(dǎo)出計算結(jié)果可靠的理論頂力而進(jìn)行研究，為實際工程應(yīng)用提供參考，既可以為頂管工程的關(guān)鍵內(nèi)容做出初步合理的設(shè)計，又對施工現(xiàn)場具有一定的指導(dǎo)作用。因此，對中風(fēng)化砂礫巖地層泥水平衡長距離頂管總頂力進(jìn)行細(xì)致的理論分析具有重要的意義。

1 影響頂力的主要因素

式中：τ1為泥漿與管節(jié)接觸部分的剪應(yīng)力；τ2為土體與管節(jié)接觸部分的剪應(yīng)力；S1為管節(jié)與泥漿的接觸面積；S2為管節(jié)與土體的接觸面積[2]。

2 土壓力計算理論的選擇

土壓力計算理論的選擇計算是頂力計算的重要內(nèi)容,不同的土壓力計算理論的選擇對頂力計算會產(chǎn)生很大的影響。常見的土壓力計算理論包括土柱法、普氏卸荷拱法、太沙基法及馬斯頓法。不同的土壓力計算理論的選擇對頂力計算會產(chǎn)生很大的影響。因此有必要結(jié)合頂管施工特點引入合適的土壓力計算理論，對頂力計算理論進(jìn)行分析。四種土壓力理論中，土柱理論未考慮土體存在卸荷壓力拱，僅考慮覆土厚度和土的重度，其計算值最大。普氏理論和太沙基理論計算值相近，但普氏理論未考慮淺埋深埋的區(qū)別，具有一定局限性。馬斯頓理論計算值最小，這是因為馬斯頓理論多考慮了土的粘聚力的影響?？偨Y(jié)來說，太沙基理論和馬斯頓理論的適用性更強(qiáng)。馬斯頓理論考慮的更全面，計算較為合理，所以在覆土深度滿足情況下，優(yōu)先選擇馬斯頓理論進(jìn)行計算[3]。

3 頂力的組成

圖1 頂管頂力計算示意圖

式中：F—頂管總頂力（kN）；F1—迎面阻力（kN）；F2—刀盤阻力（kN）；F3—摩阻力（kN）；Kn為考慮瞬時性的安全系數(shù)，一般取值1.05～1.1。

3.1 機(jī)頭迎面壓力所需的推力F1

機(jī)頭迎面阻力F1與掌子面的水平土壓力PH、頂管外徑R和水壓力Pw有關(guān)，迎面阻力是由作用于正面的水±壓力而產(chǎn)生的阻力，以中心線處的阻力作為平均阻力計算頂進(jìn)前端總的正面阻力且在計算過程中應(yīng)考慮地下水的影響[4]，水平土壓力為作用在頂管管節(jié)兩側(cè)及頂管機(jī)前端，沿其橫斷面水平方向作用的分布荷載。其大小根據(jù)垂直土壓力與側(cè)向土壓力系數(shù)來計算的。泥水平衡頂管，為了在開挖面形成泥漿套，必須使泥水壓力高于地下水壓力，以便泥水向土體滲透，并填堵土體中的孔隙。因此。在決定泥水壓時，一般還需在水土壓力的基礎(chǔ)上再加一部分預(yù)留壓力。通常預(yù)留壓力▽P取值為10--30kPa[5]。

泥土(水)壓=水平土壓+地下水壓+預(yù)留壓力。

式中：Kh——側(cè)向土壓力系數(shù)，

式中：rw—水的容重；hw—地下水位距刀盤中心的高度(m)；Φ—土的內(nèi)摩擦角；q根據(jù)土層滲透系數(shù)確定的經(jīng)驗數(shù)值。

對于砂土q=0.5～1.0；粘性土q=0.1～0.5；風(fēng)化巖層q=0～0.5。對粘土層而言，通常是把地下水壓力計在土壓力中。地下水壓力的大小與水力梯度、地層滲透系數(shù)、滲透時間有關(guān)。由于地下水流經(jīng)土體時受到土體的阻力產(chǎn)生水頭損失，因此作用在刀盤上的水壓力一般小于該地層處的理論水頭壓力。

3.2 刀盤阻力F2

在砂礫石地層中，當(dāng)?shù)侗P上的刀具切削錐體時，頂管刀盤的滾刀必定會貫入地層必須要克服一定的地層阻力。對于克服刀盤承受的開挖面阻力所需的推力F2國內(nèi)外學(xué)者已展開了大量的研究,美國科羅拉多大學(xué)礦業(yè)學(xué)院通過線性切割實驗研究所得出的滾刀受力公式，相對其他學(xué)者所得出的公式更符合實際情況，準(zhǔn)確性更高，故選取CSM公式作為頂管頂進(jìn)時的正面推進(jìn)阻力刀盤阻力理論值計算公式[6]。

圖2 滾刀破巖示意圖

式中：N—滾刀數(shù)量，d—盤形滾刀直徑，h—盤形滾刀切入巖石深度，S—刀間距，θ—盤形滾刀刃角，σc—巖石單軸抗壓強(qiáng)度，τ—抗剪強(qiáng)度，MPa；

3.3 管道與周圍地層摩擦阻力F3

式中：τ1為泥漿的剪應(yīng)力；S1為與泥漿的接觸面積；τ2為管土之間剪應(yīng)力；S2為與周圍土體的接觸面積。

式中：K為流體稠度系數(shù),n為流型參數(shù)。n與K均可采用范式六速旋轉(zhuǎn)黏度計測觸變泥漿得到。

式中：l1為管節(jié)與泥漿的寬度，l2為管節(jié)與土體接寬度，Pu為管段土體每延米相互作用力，E’為土體的彈性模量，基于統(tǒng)計損傷理論的方法進(jìn)行分析，滾刀產(chǎn)生的裂隙將對巖石彈性模量產(chǎn)生影響，基于類似巖石的研究成果，當(dāng)Pw=3MPa時，E’≈1/2.3E[9]E為巖石未產(chǎn)生裂隙前彈性模量，ν為土體的泊松比，E0為混凝土管的彈性模量，ν0為混凝土管段的泊松比。

可計算出土體與管段接觸寬度l2

法向應(yīng)力：

φ為管土接觸位置與管節(jié)中心線的夾角。

圖3 管道在注漿條件下與土體接觸模型

由于頂進(jìn)初期泥漿套成型效果不好，泥漿減阻未能充分發(fā)揮、軸線控制不太穩(wěn)定等施工因素造成的。隨著頂進(jìn)長度的增加，泥漿套及軸線控制慢慢呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，單位長度摩阻力隨著頂程的增加而減少。在類似施工條件下：

穩(wěn)定階段觸變泥漿性能隨著時間而變化；泥漿套形態(tài)也隨著觸變泥漿在土體中的滲透作用及水分從觸變泥漿中離析而產(chǎn)生形態(tài)變化；隨著頂進(jìn)距離的延長，軸線偏差致使管道外側(cè)土壓力不對稱的疊加對軸向頂力多重分解作用，后續(xù)管節(jié)傳遞的頂進(jìn)力側(cè)向分力增大，造成頂管側(cè)摩阻力也隨之增大。表現(xiàn)在穩(wěn)定階段單位長度摩阻力隨著頂程的增加，呈線性增加。在類似施工條件下：

單位摩阻力理論上存在一個最小值，管節(jié)在空腔里頂進(jìn)，受外力出現(xiàn)垂直管節(jié)前進(jìn)方向位移，由均布荷載撓度計算公式，當(dāng)位移量等于2倍管節(jié)間隙時，管節(jié)重新處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時管節(jié)形成穩(wěn)定泥漿套，軸向偏差積累的次數(shù)較小，以此頂進(jìn)長度作為劃分相應(yīng)“初始階段-穩(wěn)定階段”的分界點。則：

4 工程案例計算分析

以巢湖市巢湖大橋電力隧道工程為例，通過現(xiàn)場實測中風(fēng)化砂礫巖地層條件下采用泥水平衡頂管頂進(jìn)過程中頂進(jìn)力的變化情況，系統(tǒng)研究影響頂進(jìn)力的因素及其變化規(guī)律，并對頂進(jìn)力的計算進(jìn)行了理論分析，與實際頂進(jìn)力進(jìn)行了對比，得出在該地質(zhì)條件下的泥水平衡頂管頂力計算公式。計算參數(shù)取值如表2所示。

表2 計算參數(shù)

4.1 土壓力計算

因為管節(jié)不可能收拉，故管節(jié)上方所受壓應(yīng)力為零。則作用于單位長度管道上的管周總法向土壓力為零。

4.2 管周摩擦阻力的推導(dǎo)

將接觸角φ0代入法向接觸應(yīng)力公式進(jìn)行積分得：接觸合力P=1.06Pu。

4.3 頂力的組成計算

在現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集的基礎(chǔ)上，把實測L=L0處及L=5L0處頂力數(shù)據(jù)代入公式：

將結(jié)合現(xiàn)場部分?jǐn)?shù)據(jù)得出的k1、k2值代入F3，算出各段頂力隨頂距的變化關(guān)系，作出F與頂距L的關(guān)系曲線，

4.4 理論頂力與現(xiàn)場實測頂力及新公式計算結(jié)果的對比分析

以上計算過程中，由于計算參數(shù)的選取靈活性，計算結(jié)果可能略有出人。從公式中可以看出，頂管頂力與許多因素有關(guān)，各公式選取一部分因素納人計算。從上圖中可以看出，本公式的計算結(jié)果與現(xiàn)場實測頂力擬合性很好?，F(xiàn)有公式在頂力計算中偏于保守；隨著頂進(jìn)距離的增加現(xiàn)有計算公式頂力呈線性增加，而實測頂進(jìn)力呈曲線上升趨勢，表明長距離頂管施工過程中摩阻力的變化規(guī)律有待分析考慮，以反映真實各影響因素。

表3 頂管頂力對比KN

圖4 管道頂進(jìn)項力計算及實測頂力

5 結(jié)論

通過理論分析，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，本文公式對頂力變化趨勢較好反應(yīng)，在中風(fēng)化砂礫巖地質(zhì)條件下，對采用泥水平衡頂管掘進(jìn)的頂力進(jìn)行了理論分析計算，并通過分析實測頂力和單位摩阻力,綜合以上分析得出頂力的表達(dá)公式，可作為今后同類工程頂力計算的理論基礎(chǔ)。本文提出的頂力計算方法適用條件明確，計算結(jié)果可靠，與現(xiàn)有公式計算結(jié)果相比更接近實測值，尤其是在實際頂管過程中需要考慮卸荷拱效應(yīng)的情況下。頂管頂進(jìn)力與工程地質(zhì)條件和施工狀態(tài)等因素有直接關(guān)系且影響較大，在設(shè)計和施工中應(yīng)在合理預(yù)估總頂力的前提下保證工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。