顶管工作井后背墙工程设计研究

孙 宽 白东锋

顶管工作井后背墙工程设计研究

孙 宽 白东锋

随着我国经济持续稳定地增长，城市化进程的进一步加快，我国的地下管线的需求量也在逐年增加。加之人们对环境保护意识的增强，顶管技术将在我国地下管线的施工中起到越来越重要的地位和作用。非开挖技术的发展必将向规模化、规范化 、国际化的方向发展。

常规情况下，顶管施工前需先行在工作井和相应的进出洞处进行地基加固，顶管机从始发井吊入，经过始发井到接收井之间的通道掘进，从接收井进洞，最后吊运至地面回收。工作井围护形式根据工程地质条件、水文地质条件、邻近建（构）筑物、地上与地下管线情况，结构受力及施工安全等要求，可以沉井、钢板桩、钢筋混凝土喷锚逆作法、钢木组合支撑法、地下连续墙和型钢水泥土搅拌墙等结构形式。

顶管工作井在施工中需要承受承受顶管向前顶 进的全部水平顶力，后背墙设计尺寸的大小取决于顶管的管径以及后背土体被动土压力，管径越大，被动土压力越小，顶管的水平顶力就越大。准确估算土体所能提供的最大土抗力，就成为合理设计后背墙的关键。

目前而言，由于受到土的种类、土的物理力学性质、地下水、管顶覆土深度、管材和管径、是否形成卸力拱以及故管道流水坡和顶距等因素的影响，土抗力分布形态必然不同，这就造成了不同的设计及分析结果。在实际工程实践中，工作井的设计主要采取的是工程经验，具有一定的盲目性和随意性。因此，如何在综合考虑各个因素的影响下，较为准确地得出接近实际施工中土体抗力就显得尤为重要。

工程背景

江苏徐州市进行地铁工程的建设，为了减少交通围挡以及管线迁改，部分过街出入口的修建采用顶管法施工。以其中一个车站出入口为例，该出入口过街管段处于杂填土层、粉土层、粉质粘土层、粉砂层、黏土层以及石灰岩层。顶管顶覆土约4m，道路南侧绿化带内设置顶管始发工作井，并在车站南侧设置顶管接收井完成顶管机吊出（见图1）。

始发井平面内净尺寸为10m×9m，为地下一层结构，顶覆土约为2m，顶管长为7m，宽为5m，顶管厚度为0.5m，顶管管道为钢筋混凝土管。围护结构采用型钢水泥土搅拌墙，顶管进洞加固区采用1排φ800@650三重管旋喷桩+4排φ800@600三轴搅拌桩；后背加固区采用1排φ800@650三重管旋喷桩+8排φ800@600三轴搅拌桩（见图2、图3）。

图1 工程总体平面图

顶管工作井受力分析

工作井的受力性状分析。因本工程采用矩形工作井井壁作为后备，其后背的土抗力分布图形相对圆形工作井而言较为简单。

陈春来等人假定矩形型钢水泥土搅拌墙工作井承载后背竖向土抗力呈拟正态分布、水平向土抗力呈均匀分布，以此求得后背土体所能承受的最大抗力计算公式。

顶管在施工过程中，工作井井壁与土体之间的土压力介于静止土压力与主动土压力之间。在受到顶力作用后，假设千斤顶的推力均匀的通过后背墙作用在工作井后的土体上，由于后背墙具有很大的刚度，破坏主要由于后座墙后的土体土压力超过被动土压力引起的。因此，工作井受到后座土体反力、井侧壁摩阻力作用。

矩形工作井的受力模型。矩形工作井井前壁主动土压力和井后壁被动土压力主要根据郎金土压力理论进行分析计算，其受力模型分为施工阶段和使用阶段（见图4、图5）。

工作井受力计算。

1）总推力计算F= F1+ F2

式中F为总推力；F1为迎面阻力

F1=peBcH，pe为控制土压力

Bc为管外宽度；H为管外高度

pe= pA+ pw+Δp

pA为掘进所处土层的主动土压力（kPa）

pA一般为150-300 kPa

pw为掘进所处土层的地下水压力（kPa）

pw=γ水H埋深

Δp为给土仓的预加压力（kPa）

Δp一般为20 kPa

式中F2为顶进阻力

F2=BcHfkL

fk为管外壁与土的单位面积平均摩阻力kN/m2

图2 始发井围护平面图

图3 始发井横剖面

图4 施工阶段荷载简图

图5 使用阶段荷载简图

其数值一般通过试验确定

如果采用触变泥浆减阻技术按下表选用

fk为管外壁与土的单位面积平均摩阻力kN/m2

当触变泥浆技术成熟可靠、管外壁能形成和保持稳定、连续的泥浆套时，fk可直接取值3.0-5.0 kN/m2。

L为顶进长度m

结合本工程，相关参数如下：

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

并考虑1.2倍的安全系数F=29284.8kPa

2）顶背后土体计算

一般要求后背土体的承载力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—后背的土抗系数，如果管顶覆土浅，取KX=0.85，如果管顶覆土深，则KX=0.5＊h/H+1。H—后背墙高度(m)，B—后背墙宽度(m)，h—后背墙顶至地面的高度(m)，γ—后背土的容重。KB—被动土压力系数。

结合本工程，相关参数如下：

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

KX= 0.85按管顶覆土浅考虑

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

加固后土体按φ=38°，γ=20kN/m3计算。

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满足要求。

三维模型分析

分析模型的建立

本工程工况较为复杂，受力体系转换多次，先将分析模型分为2种工况，进行分析。一种为施工工况，即工作井顶板为大开洞，且降水降至底板以下1米，受力时不考虑覆土荷载以及水浮力；另一种为工作井正常使用阶段，工作井顶板已完成，覆土回填，抗浮水位采取地下0.5m。（本次分析软件采用SAP200015.1）。

分析区域

表1 不同土层参数

表2 不同土层平均摩阻力

1）取工作井井壁为研究对象。

模拟单元选择

顶底板以及侧墙采用薄壳单元，后背墙后土体采用接地弹簧（只受压不受拉），同时对构件赋予材料属性、以及截面形状的设置。

荷载施加与模拟

1）施工阶段荷载包括：侧墙的土压力、水压力、以及超载侧土压力、顶管顶力。

2）使用阶段荷载包括：顶板覆土压力、顶板水压力、地面超载、侧墙的土压力、水压力、以及超载侧土压力、顶管顶力、水浮力。

分析时采用线性赋值的方法，程序中自动进行每个单元的计算。计算组合分为基本组合和标准组合两种。

计算分析

1）工作井施工期间计算

图6 弯矩图（M22、M11设计值）

2）工作井正常使用期间计算

图7 弯矩图（M22、M11设计值）

结论与建议

本文通过地铁车站出入口顶管模型研究了顶管工作井后背墙在顶管顶力作用下力的传递以及土反力对于结构的影响。初步结论与建议如下：

工作井在施工过程中受力是反复的，与土层分布、土的性质、土体与后背墙的接触情况、后背墙的刚度、以及顶力的位置、范围和大小均有关。

后背墙结构受力按平面应变问题处理，将会大大简化模型的计算，后背墙水平受力以及竖向受力均采用线型分布。

本次研究仅针对个别工程进行分析研究，缺少实测数据，因此需要开展大量现场实测实验，从而对现有理论进行印证，能更好的指导以后工作井的施工和设计。

(作者单位：中交（西安）铁道设计研究院有限公司)