地下水对顶管结构内力计算的影响分析

苑藜 王志进 沙浣铃

合肥市市政设计研究总院有限公司 230041

引言

近年来，随着城市化进程的高速推进，地面建、构筑物鳞次栉比，地下管线及构筑物错综复杂，城市道路及隧道交通繁忙。采用传统的开槽法在老城区敷设新的市政给水、排水地下管线已经难以实施。为减少工程建设对道路交通和市民正常生活的干扰，降低工程建设对城市环境卫生的影响，并避免重复建设，采用非开挖顶管技术已成为老城区市政给水、排水工程建设的最佳选择。

现行国家标准［1］明确规定，顶管结构设计时应考虑地下水的影响。目前，国内一些参考文献在顶管结构设计时，针对地下水的影响，一般采用如下两种不同的简化：（1）不考虑地下水影响，顶管结构内力计算时地下水位高程均取至管底及以下［2］；（2）考虑地下水影响，但当地下水位高程位于管顶和管道中心之间时，其管道自重、管道侧向土压力以及管腔土荷载标准值计算式不够全面［3］。

实际工程中，当采用机械顶管工艺穿越一般土层时，管道周边始终存在地下水。此时，设计人员在验算顶管“施工期间”工况时，如果将地下水位取至管底及其以下，这与实际情况不符；与此同时，顶管使用期间，一般也存在地下水，顶管结构设计时也不应忽略其影响。除此之外，作

用在顶管上且受地下水影响的荷载有：管道自重、管顶竖向土压力、管腔土荷载、管道侧向土压力、管道外水压力。目前，国内暂无相关文献全面介绍不同地下水高程时，作用在顶管上相关荷载标准值的计算式。

1 不同地下水位高程时顶管荷载标准值计算式

依据现行国家标准［1］，表1～表5给出不同地下水位高程时管道自重、管顶竖向土压力、管腔土荷载、管道侧向土压力、管道外水压力标准值的计算式。

表5 不同地下水位高程时管外水压标准值计算式［1］Tab.5 Calculation formula of standard value of external water pressure of pipe under different altitude of groundwater

续表

表3 不同地下水位高程时管顶土竖向压力标准值计算式［1］Tab.3 Calculation formula of standard value of vertical soil pressure on the pipe top under different altitude of groundwater

表4 不同地下水位高程时管道侧向土压力计算式［1］Tab.4 Calculation formula of the lateral soil pressure of the pipe under different altitude of groundwater

续表

2 作用在顶管上的荷载相关系数及组合工况

依据现行国家标准［1，4，5］，作用在顶管上的荷载作用种类、分项系数和准永久系数数值见表6。管道结构重要性系数取1.0。

表6 作用在顶管上的荷载分项系数和准永久系数值［1，4，5］Tab.6 Partial coefficient and quasi-permanent coefficient of load acting on pipe jacking

3 地下水位高程对顶管内力计算的影响分析

工程案例：某顶管工程（图1），管道内径为3500mm钢筋混凝土管，壁厚320mm，管顶覆土14m，管道工作内压标准值0.15MPa（设计内压标准值0.225MPa）。土质条件：内摩擦角φ=12°，黏聚力C=20kN／m2，重力密度17.5kN／m3，土层均质且厚度为30m。作用在顶管上部的荷载计算简图见图2。

图1 顶管工程案例示意Fig.1 Schematic diagram of pipe jacking case

图2 顶管荷载计算简图Fig.2 load calculation diagram

3.1 对顶管A截面（管内底）内力计算的影响

由图3、4知：（1）当地下水位高程为0m（地面）～-14.0m（管顶标高）时：A截面（管底内侧）弯矩准永久值（绝对值）和设计值（绝对值）均逐渐增大；轴向压力准永久值（绝对值）小幅增大后又小幅减小，轴向压力设计值（绝对值）小幅增大（轴向拉力设计值的绝对值小幅减小）。

图3 地下水位高程对A截面（管底内侧）弯矩设计值和准永久值影响Fig.3 Influence on design value and quasi-permanent value of bending moment of section A（pipe bottom）of groundwater

（2）当地下水位高程为-14.0m（管顶标高）～-16.07m（管中心标高）时：A截面弯矩准永久值（绝对值）逐渐减小，弯矩设计值（绝对值）先小幅增大后又逐渐减小；轴向压力准永久值（绝对值）先小幅增大后小幅减小，轴向压力设计值（绝对值）先小幅增大后小幅减小（轴向拉力设计值的绝对值先小幅减小后小幅增大）。

（3）当地下水位高程为-16.07m（管中心标高）～-18.14m（管底标高）时：A截面弯矩设计值（绝对值）和准永久值（绝对值）先小幅增大然后不变；轴向压力准永久值（绝对值）先小幅增大然后不变，轴向压力设计值（绝对值）先小幅增大然后不变（轴向拉力设计值的绝对值先小幅减小然后不变）。

此外，由于管道内水压力在管道内力计算时仅引起轴向力的改变，因此，工况二与工况三中管道所有截面处弯矩设计值（准永久值）一样。

3.2 对顶管B截面（管顶）内力计算的影响

由图5、图6知：

图5 地下水高程对B截面（管顶内侧）弯矩设计值和准永久值影响Fig.5 Influence on design value and quasi-permanent value of bending moment of section B（pipe top）of groundwater

图6 地下水高程对B截面（管顶内侧）轴力设计值和准永久值影响Fig.6 Influence on design value and quasi-permanent value of axial force of section B（pipe top）of groundwater

（1）当地下水位高程为0m（地面）～-14.0m（管顶标高）时：B截面（管底内侧）弯矩准永久值（绝对值）和设计值（绝对值）均逐渐增大；轴向压力准永久值（绝对值）和设计值（绝对值）逐渐减小（轴向拉力设计值的绝对值逐渐增大）。

（2）当地下水位高程为-14.0m（管顶标高）～-16.07m（管中心标高）时：B截面弯矩准永久值（绝对值）和设计值（绝对值）逐渐减小；轴向压力准永久值（绝对值）和设计值（绝对值）逐渐减小（轴向拉力设计值的绝对值逐渐增大）。

（3）当地下水位高程为-16.07m（管中心标高）～-18.14m（管底标高）时：B截面弯矩设计值（绝对值）和准永久值（绝对值）先小幅增大然后不变；轴向压力准永久值（绝对值）和设计值（绝对值）先小幅减小然后不变（轴向拉力设计值的绝对值先小幅增大然后不变）。

3.3 对顶管C截面（管侧）内力计算的影响

由图7、图8知：

图7 地下水高程对C截面（管外侧）弯矩设计值和准永久值（绝对值）影响Fig.7 Influence on design value and quasi-permanent value of bending moment of section C（tube side）of groundwater

图8 地下水高程对C截面（管外侧）轴力设计值和准永久值影响Fig.8 Influence on design value and quasi-permanent value of axial force of section C（tube side）of groundwater

（1）当地下水位高程为0m（地面）～-14.0m（管顶标高）时：C截面弯矩准永久值（绝对值）和设计值（绝对值）均逐渐增大；轴力压力准永久值（绝对值）逐渐减小，轴力压力设计值（绝对值）逐渐增大（轴向拉力设计值的绝对值逐渐减小）。

图4 地下水高程对A截面（管底内侧）轴力设计值和准永久值影响Fig.4 Influence on design value and quasi-permanent value of axial force of section A（pipe bottom）of groundwater

（2）当地下水位高程为-14.0m（管顶标高）～-16.07m（管中心标高）时：C截面弯矩准永久值（绝对值）和设计值（绝对值）逐渐减小。轴力压力准永久值（绝对值）逐渐减小；轴向压力设计值（绝对值）先小幅增大后又小幅减小（轴向拉力设计值的绝对值先小幅减小后小幅增大）。

（3）当地下水位高程为-16.07m（管中心标高）～-18.14m（管底标高）时：C截面弯矩准永久值（绝对值）和设计值（绝对值）先小幅增大然后不变。轴向压力准永久值（绝对值）和设计值（绝对值）先小幅增大然后不变（轴向拉力设计值的绝对值先小幅减小然后不变）。

4 结论

通过上文计算分析可知：随着地下水位的降低，顶管结构内力计算时的弯矩准永久值和设计值具有一定规律性。

（1）当地下水位高程为0m（地面）～-14.0m（管顶标高）时，随着地下水位的降低，弯矩准永久值（绝对值）和设计值（绝对值）均逐渐增大，基本达到峰值；

（2）当地下水位高程为-14.0m（管顶标高）～-16.07m（管中心标高）时，随着地下水位的降低，弯矩准永久值（绝对值）和设计值（绝对值）一般逐渐减小（即使有一定波动，但总体呈逐渐减小趋势）；

（3）当地下水位高程为-16.07m（管中心标高）～-18.14m（管底标高）时，随着地下水位的降低，弯矩准永久值（绝对值）和设计值（绝对值）先小幅增大然后不变，但数值均小于峰值。

因此，顶管结构设计时，当地下水位高程取至管底及其以下，其弯矩准永久值和设计值均小于不同地下水位高程计算出的峰值，但误差率往往小于5%，这在一般工程中属于可接受的安全允许误差范围之内。但对于大型、重要、承压型的钢筋混凝土顶管管道，其结构设计时应全面考虑工程施工、试验和运营期间实际地下水位高程对顶管管道自重、管顶竖向土压力、管腔土荷载、管道侧向土压力和管道外水压力标准值的影响，从而准确计算管道各截面内力值，确保管道结构设计的安全性和可靠性。