頂管法因環(huán)境影響小、施工周期短、綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越多地應(yīng)用于市政管線與地下通道建設(shè)中。與此同時(shí)，其應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題也日益凸顯，如頂管偏壓受荷問(wèn)題。實(shí)際頂管施工中，受地質(zhì)條件、施工參數(shù)及外部作用等的影響，管道接頭處會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，接頭端部應(yīng)力重分布并重新取得平衡，管道受力形式將由軸壓變?yōu)槠珘骸Ｆ珘汉奢d作用下，管土間的摩擦力增大，有效頂進(jìn)力的傳遞減小，增加了總體頂進(jìn)力，且使管道局部應(yīng)力集中，甚至誘發(fā)管道結(jié)構(gòu)破壞。為此，探索頂管在偏壓荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)及其影響因素對(duì)于頂管法的應(yīng)用具有實(shí)際意義和參考價(jià)值。

作用在頂管機(jī)頭上的力系平衡大多是短暫的，頂管往往處于不平衡的外力和力矩作用，機(jī)頭會(huì)與設(shè)計(jì)路線產(chǎn)生偏離，施工過(guò)程中必須靠實(shí)時(shí)糾偏使機(jī)頭不斷修正。因此，頂管的常態(tài)一般是偏心受荷的。

圖1 頂管偏壓受荷示意

2.1 工程簡(jiǎn)介

表1 土層-結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

隧道圍巖作為結(jié)構(gòu)荷載源，又對(duì)管道起到了約束的作用，三維數(shù)值模型中通過(guò)地基彈簧來(lái)模擬圍巖—管道結(jié)構(gòu)間的相互作用。地基彈簧根據(jù)頂管結(jié)構(gòu)位移特點(diǎn)，設(shè)置受壓側(cè)徑向彈簧，地基抗力系數(shù)計(jì)算公式如下[6]。

式中:E為隧道周圍土層的彈性模量;μ為隧道周圍土層的泊松比;r為隧道開挖半徑。代入?yún)?shù)計(jì)算得到k=20.1 MPa/m。根據(jù)規(guī)范[7]可知，當(dāng)頂管上覆土大于1倍管道外徑且不是淤泥時(shí)，管道受到的上覆土壓力可采用Terzaghi松動(dòng)土壓力理論[8]計(jì)算，具體計(jì)算如下。

圖2 管道結(jié)構(gòu)受力示意(單位:k Pa)

2.3 管道承載與破壞形態(tài)

圖5 偏壓作用下管道應(yīng)變

圖7為文獻(xiàn)[9]足尺試驗(yàn)管道破壞形態(tài)，呈現(xiàn)出的破壞特征與本文數(shù)值分析結(jié)果整體較為吻合，說(shuō)明文中采用的計(jì)算模型具備合理性。同時(shí)值得注意的是，對(duì)角偏壓作用下，現(xiàn)有研究[10]認(rèn)為管道破壞源于中部拉應(yīng)力過(guò)大所致，且由地層反力引起，該認(rèn)識(shí)合理性值得商榷。

3.頂管偏壓受荷力學(xué)特性影響因素

3.1 偏斜角度的影響

圖8為不同偏斜角對(duì)應(yīng)的***大拉應(yīng)力，進(jìn)行不同偏斜角度偏壓作用下的一元線性擬合，相關(guān)系數(shù)均為0.99。圖8表明，偏壓荷載作用下，管道結(jié)構(gòu)應(yīng)力與偏斜角度呈同向線性關(guān)系。實(shí)例頂管單側(cè)偏壓荷載作用下產(chǎn)生的***大拉應(yīng)力大于對(duì)角偏壓情況，說(shuō)明單側(cè)偏壓誘發(fā)的結(jié)構(gòu)損傷更大，并隨著偏斜角度的增大越發(fā)的明顯。

圖8 不同偏斜角對(duì)應(yīng)的***大拉應(yīng)力

圖9 不同偏斜角度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變集中區(qū)域

以0.2°偏斜角100 tonf千斤頂頂進(jìn)力作用為基礎(chǔ)模型(圖3)，改變管節(jié)幾何尺寸，以研究管節(jié)偏壓作用下力學(xué)響應(yīng)對(duì)幾何尺寸的敏感性。管道空間幾何尺寸的影響主要是軸向和徑向長(zhǎng)度，兩個(gè)方向相互影響相互制約。可定義不同直徑/長(zhǎng)度(徑長(zhǎng)比)來(lái)描述管道尺寸的影響，取1.1～1.5倍基礎(chǔ)模型管道徑長(zhǎng)比進(jìn)行分析。

3.3 頂進(jìn)荷載的影響

從圖11來(lái)看，兩種偏壓形式作用下，管道應(yīng)力水平相近且隨頂進(jìn)力的增大線性增大，頂進(jìn)力對(duì)管道應(yīng)力影響顯著，設(shè)計(jì)***大頂進(jìn)力400 tonf對(duì)應(yīng)的拉應(yīng)力為98.9 MPa。圖12為管道應(yīng)力分布云圖，可見(jiàn)，隨著管道端面接觸應(yīng)力的增大，兩種偏壓情況下管道影響范圍較基礎(chǔ)模型明顯更大，但集中在接觸面周圍一定范圍內(nèi)，遵循了圣維南原理。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，800 tonf頂進(jìn)力作用下，兩種偏壓作用區(qū)域形成及擴(kuò)展趨勢(shì)不同。單側(cè)偏壓作用下，管道沿軸向擴(kuò)展為主，橫向不明顯，而在對(duì)角偏壓作用下，橫向發(fā)展擴(kuò)散趨勢(shì)大于軸向，這與前述偏壓作用下管道破壞特征吻合。

圖1 1 不同頂進(jìn)力對(duì)應(yīng)的***大拉應(yīng)力

圖1 2 管道應(yīng)力云圖(局部)

4.頂管偏壓控制技術(shù)措施

目前，頂管頂進(jìn)主要遵循“勤”量測(cè)和糾偏的原則，用被動(dòng)糾偏措施，本文基于研究成果，提出頂管施工前主動(dòng)的預(yù)防措施如下:

(1)做好頂管沿線穿越的地質(zhì)勘測(cè)，分析開挖面通過(guò)不同地層的比率，對(duì)不同土層條件，選取對(duì)應(yīng)的頂進(jìn)施工技術(shù)參數(shù)。

(2)根據(jù)不同功能需求，設(shè)定頂管管道直徑，并基于管道徑長(zhǎng)比對(duì)結(jié)構(gòu)受力特性的影響特征，采用相對(duì)合理的頂管幅寬。

(3)合理計(jì)算頂管頂進(jìn)阻力，避免出現(xiàn)由于頂進(jìn)力過(guò)大，在出現(xiàn)管道偏壓作用時(shí)，放大管道結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力，誘發(fā)破壞。

5.結(jié)論

(1)由于接頭處偏斜角度的存在，在頂進(jìn)力的作用下，頂管管道軸向偏心起拱，接頭處呈現(xiàn)出單側(cè)擠壓、對(duì)側(cè)張開，導(dǎo)致管道接觸面應(yīng)力集中、應(yīng)變局部化。

(2)單側(cè)偏壓作用主要表現(xiàn)為軸向的壓剪效應(yīng)，對(duì)角偏壓作用則呈現(xiàn)出對(duì)角的拉剪效應(yīng)。偏壓作用下，管道接頭處局部先開裂或破碎，后逐漸向中部發(fā)展的漸進(jìn)破壞過(guò)程，當(dāng)中部拉應(yīng)力超過(guò)極限強(qiáng)度時(shí)發(fā)生整體破壞。

(3)管道結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力與偏斜角度呈同向線性關(guān)系，管道徑長(zhǎng)1*3*1+19-10/29+7-3比較小時(shí)，單側(cè)偏壓作用誘發(fā)的結(jié)構(gòu)損傷更大，并隨著偏斜角度的增大越發(fā)的明顯。當(dāng)管道徑長(zhǎng)比超過(guò)1.3時(shí)，對(duì)角偏壓效應(yīng)逐漸增強(qiáng)并較單側(cè)偏壓效應(yīng)明顯。

(4)單側(cè)偏壓受尺寸影響很小，究其原因?yàn)楣艿缼缀纬叽绲淖兓锤淖儐蝹?cè)偏壓承載特性。對(duì)角偏壓受管道幾何尺寸的影響則較為顯著，因?yàn)楣艿莱叽绲淖兓绊懥丝臻g抵抗錯(cuò)動(dòng)剪切的能力，改變了剪切趨勢(shì)及拉應(yīng)力。

(5)管道應(yīng)力隨頂進(jìn)力的增大而線性增大，頂進(jìn)力對(duì)管道應(yīng)力影響較為明顯，管道應(yīng)力集中的區(qū)域在管道接觸面周邊一定范圍內(nèi)。兩種偏壓受力變形路徑的發(fā)展規(guī)律不同，單側(cè)偏壓時(shí)管道沿軸向發(fā)展為主，橫向相對(duì)不明顯，而在對(duì)角偏壓作用下，橫向擴(kuò)散趨勢(shì)大于軸向。