摘要顶管作为一种非开挖敷设地下管道的施工方法。在市政工程中应用越来越广泛。顶管具有不需要中断交通，不影响商业经营和居民生活，不影响城市景观、旅游等优点，从而不会引起人们对挖了又填、填了又挖的现象怨声载道。在市政项目中，很多项管工程埋深较浅，覆土厚度H P s 时，将产生所谓地层负损失，引起地面隆起；反之，P o 虻。在曲线管段中，则吒为曲线外侧的土体抗力，盯：为曲线内侧的土体抗力。可参见管节受力模型图2 8 所示。 口，q ? 蛩“_ 絮墨口? ，一圈2 1 2 顶管管节上的荷载计算简图t 差毛一著吼z 熹一筹气- 一幽参2 2 2 顶管在顶进过程中受到的摩阻力计算在项管项进施工中，管周的摩阻力由三个部分组成：( 1 ) 由管的自重引起的摩阻力；( 2 ) 由四周土压力引起的摩阻力；( 3 ) e a 管侧土抗力引起的摩擦抵抗力。下面在现有理论分析的基础上从这三个方面来推导修正的顶推力计算解析公式。( 1 ) 管道在顶进中，自身重力的作用使管底部的土体产生压力，从而增加顶进中的摩阻力由马夸特理论，设管自重由管底部1 2 0 0 范围内的土压力来承担。如图2 1 3 所示。设c r o 为管底部的土反力，以为土反力沿管径向分量。当管节顶进时，此径向分量即为引起摩擦力的法向正压力。法向总压力设为| ，摩阻力为正 f1、 铲o o c o s 2 0 , c r o 删W 妇I2 j c r , R d O = 岛弓户( 2 2 3 )第二章超浅层项管承受的各种荷载计算，P ，”、+、 j 嘉、夕。南舻毒一、。i。” 口。r r lf T r r i l _ Ioi ii ；铂* d 赫 - - - _ q ；_ _ “| 一照|圈2 1 3 由目重引起的土俸j 去向压力不慈图正2 p l - N I = ( 焘+ 扣唧。【2 ) 如图2 1 2 所示，管周受到管顶、管侧土压力以及管底的反力作用。在分析管侧土压力时，假设其为一个线性荷载以使计算简便。管顶土压产生法向压力，由此引起的摩阻力为Q I 。 o ：m ，7：兰：兰：! ：鱼墨(2242c rQ 1 = ，f ，R d 0 = 型! 竽垒苎( 2 2 4 )管侧土压力产生法向压力，并由此引起的摩阻力为Q 2 。Q 2 ；z h 2R d 0 al - 4R d 0 ：石1 - q 2 R( 2 2 5 )Q 2 = I 盯，= 石2、“。7管底反力产生法向压力，从而引起的摩阻力为Q 3 。a ：，2 下盯，R d 0 ：坐：! ：塑Q 3 = 川2 q= 型竽丛 0_由管周土压力引起的总摩阻力，2 = 三声曩砘t + 耐+ 2 q ：)0 ) 曲线顶进时管侧土体抗力所产生的摩阻力掣坠，幽图2 1 4 由管侧土体抗力引起的摩阻力计算简图( 2 二弘)T b ；土第二章超浅层顶管承受的各种荷载计算姗2 “所示管肭侧土体抗力为q = 箍一筹管躺侧土体抗力为= 鲁一暑，上述两个上体抗力表达式中前一部分都远大于后一部分，假设吒* 2 以，故作用点的位置可近似接上I 割历不选取六= ，( 2 ：r 1 1 3 詈兰盯。c o s2 p R d 口+ 2 2 1 1 3 詈 盯：s2 口R d 日= ；f 吾+ 孚 ( 2 吒+ 一如小尺= t 4 2 6 只咖占一。s s s 尺，c 2 2 s ，综合以上分析计算，可得到管节顶进中的摩阻力为：f = | I 七| t 七| l整理得0 8 5 4 3 a W 1 2 + i r 1 2 R ( q l + 鼋：+ 2 鼋2 ) + 1 4 2 6 u 1 P s i n 8 厂2 上l 甬0 两5 8 6 9 i R 一( 2 2 9 )。+ 上式即为曲线顶管项进中管节所受到的摩阻力公式。各个因子的含义见前，只为第n 节管向前的顶推力。2 2 4 3 曲线顶管顶进中顶推力的推导在推导的曲线顶管摩阻力公式中可以看到表达式中含有未知量只，为了消去此未知量，重新取第n 节管进行分析。如图3 - 7 所示，对第n 节管，其在第n l 节管的反力、摩阻力f 、第n + 1 节管向前的顶推力和土体抗力的作用下平衡。在水平方向，有以下关系式成立：只- I + ，= 气= 只s 艿将f 的表达式代入，得到；( 1 + 0 8 5 6 # t t 孵+ o 8 5 劬t R ) c , m 6 - 1 4 2 6 a - 1 - 如司只一o s 5 4 3 # 形“一具镪吲十2 q 2 )，整理上式，得到： P 一= ( c m 6 - 1 A 2 6 1 z t “ , s i n S _ 一p 竺尘鬈掣。，上式反映了对管线中的某个管节，在受到前一节管子的反力、后一节管子的顶推力以及摩阻力时的关系。第二章超浅层顶管承受的各种荷载计算设曲线线路中共顶进了s 节管节，则第1 节管受到的反力为1 - 具管前端土体的贯入阻力。其伊百T 桔下背计霄 只一双+ D l 2 ) ( 1 一妇t 钐- 加1 1 t 4 ( 2 - 3 1 )式中，土体重度；l r 考虑土拱效应的覆土埋深；D l 管道外径；妒土体内摩擦角对第1 节，则有下式成立： 忍。鲰拶一篙甓警以一08543pW可Iz+丽2P蕊lz-R_(qt+q；+2qz)式中，昂为第1 节管受到的工具管反力，为已知，毋为第2 节管对它的推动力于是可解出只。同理，对于第i - - - 2 节管到第撤s - - 1 节管，都有下式成立： ：鲰艿一静竺竺善等竽型眨s 2 ，由上式依次可解出只 i - - - 2 到n 一1 ) 。对第s 节管，由于其刚顶入管线中，管周的摩阻力不包含由管侧土体抗力引起的摩阻力一项，故其受到的摩阻力为五+ 厶，则有下式成立： = 五+ ，2 + 只于是推出曲线管路中顶入8 节管节时所需要的总顶推力只。当顶进管路中顶入了_ 节曲线管段，后r 节管段位于直线段，则对第s + r 节管段有下式成立：只+ ，= ，U + ，2 ) + 只式中，只为第一l 节管受到的第s 节管的反力，为己知，可计算出主压千斤顶的总顶力只+ ，第三章超浅层顶管施工引起的土体扰动第三章超浅层顶管施工引起的土体扰动3 1 超浅层顶管土层的应力状态3 1 1 顶进扰动前土层的应力状态在未经扰动的土层中，每一个单体单元都承受着垂直力，直，同时又有一个同等大小的反作用力P 直与之反相抵消。与垂直力PI 和PI 同时存在的有两个水平分力P 早和P + ，其大小与P 直和PI 之间存在一个既定的、取决于土壤性质的比率因此p 童= p 直。= A F ，日p 平= p 平= A x p x = A A F x ，X 日( 3 1 )式中：F _ 土体单元的面积；，= 土体容重； l - 覆盖土高度；力= 静止土压力系数。对于超浅层顶管，管体为一个空心圆柱体。在圆柱体的圆周上，对每一个土体单元也有两个力P 直和p 平在起作用，其中p 平= A 。p 直。每一个p 直，有一个大小相等的反作用力p I 由圆柱体内部与之平衡，每一个p 平，也有一个p 早。与之平衡。所有这些成对的应力P 直和p 直以及脚和p 平都是平衡的。圆柱体便也处在与其周围土层互相平衡的状态下【2 8 1 ( 图3 1 、图3 2 ) 。图3 1 作用在个水平圆柱体上的土压力图3 2 圆柱体承托着其上的土体第三章超浅层顶管施工引起的土体扰动如果在一个无限短的时间内将的圆柱体取出而不加以任何填充，与此同时不扰动周围的士层。这时两旁的土层借助剪力来支承管顶部土体重量。剪应力将与作用在土层中的垂直应力p 直叠加在一起，使垂直应力增大起来。在直接靠近取走土体处垂直应力最大随着距离加大，剪应力逐渐降低，垂直应力的升高量也以同样尺度降低下来( 图3 3 ) 垂直应力的曲线相应于一个指数函数，其绝对高度和弯曲形状取决于取出的圆柱体的直径、覆盖土体的高度、土壤的性质，而且特别是取决于土壤的抗剪强度和时间。辗想藏面图3 3圆柱体取出之后水平截面上的土压力集中情况土层的沉降，使得被取出的圆柱体接近处的剪应力减弱，同时并使这一剪应力从原有的通路上向两侧移动，使垂直应力曲线愈来愈平缓，同时也使应力峰值愈来愈低。由于沉降过程总是随着时间的推移不断地发展，而沉降的速度则决定于土壤的性质，所以，随着土层的变化和时间的推移，垂直应力的曲线便逐渐趋于低平( 图3 4 ) 。， ，、么ot；： p 鱼p 刍 一1 p 直；7p 直 。奄_图3 4 士压力的集中度相随时间推移而逐渐衰退假想截面第三章超浅层顶管施工引起的土体扰动由于垂直应力在抽出的圆柱体两侧有所增高，因此毗邻的二E 层在很大程度上受到压缩，致使抽走圆柱体时呈现圆形的截面变成了近似于椭圆的形状( 图3 5 ) 图3 5圆柱体空腔在土压力下的变形图3 6圆柱体抽去后垂直截面上的土压力集中状况由于取出圆柱体而升高起来的垂直应力p 直和p 直。，导致水平应力p 年也以同样比率增大( 图3 6 ) 。因此便形成了一个新的平衡状态，取出圆柱体后所产生的空腔，只要其内表面不再破裂，便得以借助土层的协同支承作用一直保持下去。因此，未扰动的土层是一个平衡状态，当取走圆柱形土体，置入顶管管体而不扰动土层时，管体周围土层在荷载作用下发生变形，引起地面沉降，部分荷载通过由此引起的剪力将传递给相邻的土层，另一部分荷载由顶管管体承受。项管管体和周围土层将共同构成一个超静定组合系统。3 1 = 2 顶进扰动后土层中的应力状态取走圆柱体土体而完全不扰动周围土层是不可能的，其总要或多或少地松土层，直接靠近圆柱体的地方擦松得最厉害，随着与圆柱体之间距离的加大，擦松程度逐渐减轻，直至等于零并且置入顶管管体时，周围的土层受到扰动也是不可避免的。取走圆柱形土体时和置入顶管管体时的两次扰动合在一起，共同对土层的应力状态和顶管管体的荷载产生影响。在取走圆柱形土体之前，先从土层中抽出一定体积的土壤，其引起的应力变化如下图( 图3 7 ) 由于抽出土壤而引起的松动，使土层承受应力的能力降低了在松动区中，p 直= ，H 减小到p 直= f x ，x 日式中：f 是一个缩减系数。第三章超浅层顶管施工引起的土体扰动，：二二、 j 豸慕I Il 。I ”“抽出土壤造成松动 、s 辜耄毋) 直T 丁T 丁T T ，p 童一一1 埴IiL fiIp 直图3 7由于土层松动而造成土压力在水平截面上的变化一假想截面3 8 ) 可哪珉碍万孕s 碍砥甲x 鼹碍疋积野啊砥可w w 秣芍7 印野喁砭冈强野瞩碍x w 秣霹张可w 诮砥可喂秣芍冈矿，：Z ：、 ，j _ ；? ? j ，一i 壬t ! E 痔j 、L 抽出土壤造成松动oS S ￥：? i 础三衄蛊假想截面图3 8土层松动和移走一个圆柱体之后土压力在水平截面上集中的状态松动区的岩土荷载，需要通过剪应力的作用由相邻的土层来承受，使得松动区又再次被压实( 图3 9 ) 。拱顶土体对两侧土体挤压，土体变形，拱顶下沉，加上地面荷载的作用加速了地面的沉降。因此，对于顶管经过扰动的土层：原来作用在取走的圆柱形土体上的荷载( 岩土自重、地面荷载) 总有一部分要由置入的顶管管体来承受，另一部分则由周围的土层所承受。顶管管体与松动的土层仍将共同构成一个超静定整体系统；荷载在顶管管体上和周围松动土层内的分布，取决于土层的应力、土层的松动程度，第三章超浅层顶管施工引起的土体扰动；! ；i ；： ；ii ! ；： 溯丁么