史欽華 上海鐵路局浙江鐵道集團(tuán)公司

手掘式頂管挖掘面穩(wěn)定性分析及計算

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頂管施工是繼盾構(gòu)施工之后而發(fā)展起來的一種地下管道施工方法，它不需要開挖面層，并且能夠穿越公路、鐵道、河川、地面建筑物、地下構(gòu)筑物以及各種地下管線等。頂管施工已隨城市建設(shè)越來越普及，已發(fā)展成為一門非開挖施工技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越寬；目前，機(jī)械式頂管施工已在沿海城市得到普及，但在特定的土質(zhì)條件下，手掘式頂管施工仍是現(xiàn)今管道施工中普遍采用的施工方式。

手掘式；挖掘面；穩(wěn)定；計算

1 概述

手掘式頂管法具有頂管的普遍優(yōu)點：土方開挖少，作業(yè)人員少，建設(shè)公害少，文明施工程度高，不影響交通及其上構(gòu)（建）筑物，不需拆遷，覆土深時節(jié)省投資等，同時具有施工操作簡便，設(shè)備少，施工成本低等特點，而在地下障礙較多且較大的條件下，手掘式頂管法是首選方式，因為這種方法排除障礙的可能性最大、最好。缺點：對不同地質(zhì)條件有很大的局限性；挖掘面土壓不能平衡，容易塌方；勞動強(qiáng)度大，施工進(jìn)度慢。手掘式頂管施工是利用人工或機(jī)械挖土，就必須確保作業(yè)人員在比較安全的條件下進(jìn)行挖土、糾偏、頂進(jìn)及測量作業(yè)。所以如何確保挖掘面的穩(wěn)定是本文探討的課題。

2 挖掘面的穩(wěn)定及其計算

在一般情況下，頂管施工的覆土深度都比較淺，而且往往又是在鐵路、公路、河川、房屋以及各種地下管線下進(jìn)行施工，容易造成事故。穩(wěn)定可以分為挖掘面自身是否穩(wěn)定和覆土層厚度是否足夠這兩方面分別分析。挖掘面的不穩(wěn)定往往是由兩方面造成：其一是由于地下水向挖掘面滲透而產(chǎn)生管涌現(xiàn)象；其二是由于挖掘面上的應(yīng)力被釋放后失去平衡產(chǎn)生剪應(yīng)力，剪應(yīng)力若大于土的抗剪強(qiáng)度，挖掘面就產(chǎn)生坍方。由地下水而產(chǎn)生的挖掘面的不穩(wěn)定現(xiàn)象可以采用降水的措施來加以解決。由于剪應(yīng)力和土的抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系及穩(wěn)定與否就必須通過計算來判斷。

2.1 粘性土挖掘面的穩(wěn)定及其計算

在任意深度h處土的主動土壓應(yīng)力бa是垂直與頂進(jìn)面的，其大小為：

由于粘性土的抗拉強(qiáng)度較低，且很不穩(wěn)定，受拉區(qū)很易出現(xiàn)裂縫，故計算中忽略臨界深度Z以上負(fù)壓力而當(dāng)它是裂縫來考慮。

那么在全高h(yuǎn)斷面的主動土壓Pa應(yīng)為：

要求斷面能自立，則必須是Pa≥0，把Pa=0時的自立高度稱作為h0，則有：

式中：h0-自立高度（m）；C-土的內(nèi)聚力（kPa）；γ-土的容重（kN/m3）；φ-土的內(nèi)摩擦角（°）

由上述計算可以認(rèn)為，當(dāng)工具管的外徑小于h0時，挖掘面就可以保持穩(wěn)定。

2.2 最小覆土深度問題的探討

圖1 橫斷面、縱剖面、立體圖

從工具管的橫斷面出發(fā)來探討工具管上方土體受力情況。不考慮地面動載荷對覆土深度的影響，要使EABF這個斷面上的土穩(wěn)定，就必須使其水平方向的夾緊力大于高度為h的土的重力。這個水平夾緊力就是主動土壓力Pa。

從工具管的縱剖面出發(fā)來探討工具管上方土的受力情況。從工具管的刃口向前挖出去一段長度，該長度為Bs，挖掘面是垂直的。同樣道理，要使ABCD這個斷面上的土穩(wěn)定，也必須使其水平方向的夾緊力大于高度為h的土的重力。

立體圖中ABCDEFGH這土塊是同時受縱向和橫向兩個方面土的主動土壓力所夾緊。我們把該土塊的重力看成是一個假定的土的剪力，當(dāng)然，只有當(dāng)主動土壓力所形成的水平夾緊力大于或等于土塊重力產(chǎn)生的垂直剪力時，工具管上方的土才能保持穩(wěn)定。以上土塊的重量計算是不考慮卸荷拱的作用，若形成卸荷拱，承載拱的承載能力可以負(fù)擔(dān)上覆土層的重量。

我們知道，主動土壓力是隨著覆土深度h的增加而增加，而土塊ABCDEFGH的重力也是隨著覆土深度h的增加而增加。在不考慮卸荷拱的作用時，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一深度h時，這兩個力平衡，于是就有：

結(jié)論是實際覆土深度大于計算值h時，該覆土深度是安全的，反之，則是不安全的。

圖2 挖掘面圖

根據(jù)挖掘面圖（見圖2）中一個大于β的角的斜坡挖掘時，工具管前方的土就不會坍方，就能保持挖掘面的穩(wěn)定。圖中ON-土的自然坡度，OB-土的滑裂面,OM-挖掘面。挖掘面如果不穩(wěn)定，就會產(chǎn)生坍方，OBM土塊就會沿滑裂面OB坍落下來，這時，OB的剪應(yīng)力肯定大于土的抗剪強(qiáng)度。反之，若OB的剪應(yīng)力小于土的抗剪強(qiáng)度，挖掘面就會穩(wěn)定，可以安全進(jìn)行挖掘。在內(nèi)聚力很小時，為保持挖掘面的穩(wěn)定，值就應(yīng)該大一些，亦即挖掘面應(yīng)該傾斜一些。取c=0時，挖掘面與自然坡度的傾斜相一致，即β=90°-φ。

式中：φ-土的內(nèi)摩擦角；α-滑裂角；β-挖掘角

2.3 挖掘面滑移的穩(wěn)定及最小覆土深度的計算

圖3 滑移面圖

滑移面圖見圖3所示，作用在BD橫斷面上的壓力Pv是土塊ABCD的重力與假設(shè)剪切面AB和CD這兩個面土的內(nèi)聚力C值之差。即：Pv=W1-2Ch

在挖掘面前，以工具管外徑為半徑的1/4圓BDE土塊的重力為：

而挖掘面前BDE1/4圓弧形滑裂面BE圓弧上的粘土阻力為：

在粘土中，挖掘面不穩(wěn)定而產(chǎn)生坍方時，土是沿圖示的虛線箭頭的滑裂面向工具管內(nèi)涌土，地面AC則表現(xiàn)為下沉。把BDE1/4圓的土塊以D點為圓心，產(chǎn)生向下轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩M1。

而由內(nèi)聚力產(chǎn)生的阻力力矩M2。

土的阻力力矩與土的重力轉(zhuǎn)矩之比大于等于1.5是安全的。

可以視為安全的。

2.4 既有線卸荷拱作用的考慮

在實際頂進(jìn)中，卸荷拱作用是客觀存在的。一般認(rèn)為覆土深度超過卸荷拱的高度時，即有可能形成卸荷拱。根據(jù)M. M.普洛托雅克諾夫的以建筑物上方形成卸荷拱為基礎(chǔ)的計算方法，利用松散理論，側(cè)壁的坍塌只可能到與垂直線成（45° -φ/2）的傾角，因此卸荷拱的跨度2α=Bc[1+tg(45°-φ/2）]。按拱的極限平衡條件求得：卸荷拱的高度h=α/fkp，按普氏公式這就是處在平穩(wěn)狀態(tài)時卸荷拱的高度；fkp-土層的堅固系數(shù)，fkp= tgφ。當(dāng)覆土深度≥兩倍卸荷拱高度，考慮卸荷拱作用時適宜的。

實際覆土深度5.5m大于計算值h=3.82m，該覆土深度是安全的。

3.3 卸荷拱作用

卸荷拱的跨度2α=Bc[1+tg(45°-φ/2）]=1.80×（1+0.577）= 2.84m，即α=1.42m

土的堅固系數(shù)fkp=tgφ=tg30°=0.577

實際覆土深度5.50m＞2h=4.92m,考慮卸荷拱作用是適宜的。承載拱的承載能力可以負(fù)擔(dān)上覆土層的重量。

3.4 挖掘面滑移穩(wěn)定

圓弧滑裂面土體的重力：

3 工程實例計算分析

甬紹金衢成品油管道下穿鐵路工程（金千線K4+834）為直徑1.50m鋼筋混凝土管道，管頂距軌底5.50m，管道總長60.34m。管道所處土質(zhì)為粘性土，C-土的內(nèi)聚力為11kPa，γ-土的容重為18kN/m3，φ-土的內(nèi)摩擦角為30°，工具管外徑Bc為1.80m。

3.1 挖掘面穩(wěn)定

圓弧滑裂面上的阻力力矩：

所該覆土深度是安全的。

因Bc=1.80＜h0=4.23，所挖掘面就可以保持穩(wěn)定。

3.2 覆土深度h值

4 結(jié)束語

實踐證明：在實際開挖頂進(jìn)施工過程中，挖掘面穩(wěn)定，無坍塌，線路軌道幾何狀態(tài)無變化。所當(dāng)工具管的外徑Bc小于h0時，挖掘面是保持穩(wěn)定的，實際覆土深度大于計算值h時，該覆土深度是安全的。

[1]余彬泉,陳傳燦.頂管施工技術(shù).人民交通出版社.

[2]鐵道部第四勘測設(shè)計院橋隧處.橋涵頂進(jìn)設(shè)計與施工.

[3]劉成宇主編.土力學(xué).中國鐵道出版社.西南交通大學(xué).

責(zé)任編輯：王華

來稿日期：2014-11-25