手掘式顶管挖掘面稳定性分析及计算

史钦华 上海铁路局浙江铁道集团公司

手掘式顶管挖掘面稳定性分析及计算

史钦华 上海铁路局浙江铁道集团公司

顶管施工是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管道施工方法，它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等。顶管施工已随城市建设越来越普及，已发展成为一门非开挖施工技术，应用领域也越来越宽；目前，机械式顶管施工已在沿海城市得到普及，但在特定的土质条件下，手掘式顶管施工仍是现今管道施工中普遍采用的施工方式。

手掘式；挖掘面；稳定；计算

1 概述

手掘式顶管法具有顶管的普遍优点：土方开挖少，作业人员少，建设公害少，文明施工程度高，不影响交通及其上构（建）筑物，不需拆迁，覆土深时节省投资等，同时具有施工操作简便，设备少，施工成本低等特点，而在地下障碍较多且较大的条件下，手掘式顶管法是首选方式，因为这种方法排除障碍的可能性最大、最好。缺点：对不同地质条件有很大的局限性；挖掘面土压不能平衡，容易塌方；劳动强度大，施工进度慢。手掘式顶管施工是利用人工或机械挖土，就必须确保作业人员在比较安全的条件下进行挖土、纠偏、顶进及测量作业。所以如何确保挖掘面的稳定是本文探讨的课题。

2 挖掘面的稳定及其计算

在一般情况下，顶管施工的覆土深度都比较浅，而且往往又是在铁路、公路、河川、房屋以及各种地下管线下进行施工，容易造成事故。稳定可以分为挖掘面自身是否稳定和覆土层厚度是否足够这两方面分别分析。挖掘面的不稳定往往是由两方面造成：其一是由于地下水向挖掘面渗透而产生管涌现象；其二是由于挖掘面上的应力被释放后失去平衡产生剪应力，剪应力若大于土的抗剪强度，挖掘面就产生坍方。由地下水而产生的挖掘面的不稳定现象可以采用降水的措施来加以解决。由于剪应力和土的抗剪强度之间的关系及稳定与否就必须通过计算来判断。

2.1 粘性土挖掘面的稳定及其计算

在任意深度h处土的主动土压应力бa是垂直与顶进面的，其大小为：

由于粘性土的抗拉强度较低，且很不稳定，受拉区很易出现裂缝，故计算中忽略临界深度Z以上负压力而当它是裂缝来考虑。

那么在全高h断面的主动土压Pa应为：

要求断面能自立，则必须是Pa≥0，把Pa=0时的自立高度称作为h0，则有：

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

由上述计算可以认为，当工具管的外径小于h0时，挖掘面就可以保持稳定。

2.2 最小覆土深度问题的探讨

图1 横断面、纵剖面、立体图

从工具管的横断面出发来探讨工具管上方土体受力情况。不考虑地面动载荷对覆土深度的影响，要使EABF这个断面上的土稳定，就必须使其水平方向的夹紧力大于高度为h的土的重力。这个水平夹紧力就是主动土压力Pa。

从工具管的纵剖面出发来探讨工具管上方土的受力情况。从工具管的刃口向前挖出去一段长度，该长度为Bs，挖掘面是垂直的。同样道理，要使ABCD这个断面上的土稳定，也必须使其水平方向的夹紧力大于高度为h的土的重力。

立体图中ABCDEFGH这土块是同时受纵向和横向两个方面土的主动土压力所夹紧。我们把该土块的重力看成是一个假定的土的剪力，当然，只有当主动土压力所形成的水平夹紧力大于或等于土块重力产生的垂直剪力时，工具管上方的土才能保持稳定。以上土块的重量计算是不考虑卸荷拱的作用，若形成卸荷拱，承载拱的承载能力可以负担上覆土层的重量。

我们知道，主动土压力是随着覆土深度h的增加而增加，而土块ABCDEFGH的重力也是随着覆土深度h的增加而增加。在不考虑卸荷拱的作用时，当到达某一深度h时，这两个力平衡，于是就有：

结论是实际覆土深度大于计算值h时，该覆土深度是安全的，反之，则是不安全的。

图2 挖掘面图

根据挖掘面图（见图2）中一个大于β的角的斜坡挖掘时，工具管前方的土就不会坍方，就能保持挖掘面的稳定。图中ON-土的自然坡度，OB-土的滑裂面,OM-挖掘面。挖掘面如果不稳定，就会产生坍方，OBM土块就会沿滑裂面OB坍落下来，这时，OB的剪应力肯定大于土的抗剪强度。反之，若OB的剪应力小于土的抗剪强度，挖掘面就会稳定，可以安全进行挖掘。在内聚力很小时，为保持挖掘面的稳定，值就应该大一些，亦即挖掘面应该倾斜一些。取c=0时，挖掘面与自然坡度的倾斜相一致，即β=90°-φ。

式中：φ-土的内摩擦角；α-滑裂角；β-挖掘角

2.3 挖掘面滑移的稳定及最小覆土深度的计算

图3 滑移面图

滑移面图见图3所示，作用在BD横断面上的压力Pv是土块ABCD的重力与假设剪切面AB和CD这两个面土的内聚力C值之差。即：Pv=W1-2Ch

在挖掘面前，以工具管外径为半径的1/4圆BDE土块的重力为：

而挖掘面前BDE1/4圆弧形滑裂面BE圆弧上的粘土阻力为：

在粘土中，挖掘面不稳定而产生坍方时，土是沿图示的虚线箭头的滑裂面向工具管内涌土，地面AC则表现为下沉。把BDE1/4圆的土块以D点为圆心，产生向下转动，产生的转矩M1。

而由内聚力产生的阻力力矩M2。

土的阻力力矩与土的重力转矩之比大于等于1.5是安全的。

可以视为安全的。

2.4 既有线卸荷拱作用的考虑

在实际顶进中，卸荷拱作用是客观存在的。一般认为覆土深度超过卸荷拱的高度时，即有可能形成卸荷拱。根据M. M.普洛托雅克诺夫的以建筑物上方形成卸荷拱为基础的计算方法，利用松散理论，侧壁的坍塌只可能到与垂直线成（45° -φ/2）的倾角，因此卸荷拱的跨度2α=Bc[1+tg(45°-φ/2）]。按拱的极限平衡条件求得：卸荷拱的高度h=α/fkp，按普氏公式这就是处在平稳状态时卸荷拱的高度；fkp-土层的坚固系数，fkp= tgφ。当覆土深度≥两倍卸荷拱高度，考虑卸荷拱作用时适宜的。

实际覆土深度5.5m大于计算值h=3.82m，该覆土深度是安全的。

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

土的坚固系数fkp=tgφ=tg30°=0.577

实际覆土深度5.50m＞2h=4.92m,考虑卸荷拱作用是适宜的。承载拱的承载能力可以负担上覆土层的重量。

3.4 挖掘面滑移稳定

圆弧滑裂面土体的重力：

3 工程实例计算分析

甬绍金衢成品油管道下穿铁路工程（金千线K4+834）为直径1.50m钢筋混凝土管道，管顶距轨底5.50m，管道总长60.34m。管道所处土质为粘性土，C-土的内聚力为11kPa，γ-土的容重为18kN/m3，φ-土的内摩擦角为30°，工具管外径Bc为1.80m。

3.1 挖掘面稳定

圆弧滑裂面上的阻力力矩：

所该覆土深度是安全的。

因Bc=1.80＜h0=4.23，所挖掘面就可以保持稳定。

3.2 覆土深度h值

4 结束语

实践证明：在实际开挖顶进施工过程中，挖掘面稳定，无坍塌，线路轨道几何状态无变化。所当工具管的外径Bc小于h0时，挖掘面是保持稳定的，实际覆土深度大于计算值h时，该覆土深度是安全的。

[1]余彬泉,陈传灿.顶管施工技术.人民交通出版社.

[2]铁道部第四勘测设计院桥隧处.桥涵顶进设计与施工.

[3]刘成宇主编.土力学.中国铁道出版社.西南交通大学.

责任编辑：王华

来稿日期：2014-11-25