管幕法顶进箱涵的顶进力计算与分析
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摘要：天津市南水北调中线一期工程，穿越京沪高速公路箱涵工程采用管幕法进行顶进施工。在顶进设计中采用两种方法对顶进力进行计算分析，最终确定顶进力及后背梁系统的设计方案。
关键词：管幕法；顶进箱涵；顶进力
Abstract: the first phase of the middle route of south-to-north water transfer project in tianjin, the beijing-shanghai expressway across the highway engineering pipe curtain method is used for jacking box culvert construction. In the roof into the design adopts two methods of calculation and analysis of jacking force, eventually determine the jacking force and back beam system design scheme.
Key words: pipe curtain method; Into the box culvert jacking; In jacking force
中图分类号：U412.36+6文章标识码：A
一、工程概况
1.1工程总体布置情况
天津市南水北调中线一期工程中TJ5-2标段为穿越京沪高速公路的箱涵工程。京沪高速公路是国家重点建设项目，国家高速公路路网中的G1高速公路，京沪高速还是天津港南通道项目的重要组成部分，于2006年建成通车，日均交通流量为10000辆以上。
天津市南水北调中线一期工程的输水箱涵穿越京沪高速公路段的全长为200m。天津京沪高速公路为双向八车道，全宽42.5m。路基高程9.44m，填土高4.64m。天然地面高程4.5m～4.8m，箱涵顶设计高程为1.15m。设计荷载公路-I级。
图1 穿越京沪高速公路箱涵断面图
天津市南水北调中线一期工程穿越京沪高速公路的箱涵为有压箱涵。箱涵为整体浇筑的钢筋混凝土矩形涵洞，箱涵设计流量45m3/s，过水截面为3孔4.4m×4.4m。涵内顶高程0.452m，涵内底高程-3.940m。箱涵顶板厚度为700mm，底板厚度为800mm，侧墙厚度为700mm，中墙厚度为500mm。
图2 穿越京沪高速公路箱涵立面布置图
本工程全长200m，分为三段：即路基段74m、进口段59.5m，出口段66.5m。其中路基段采用管幕结合顶进法进行施工。
路基段共分为四节，由西向东布置为18m+18m+19m+19m；进、出口段采用敞口明挖法进行施工，各分段为20m。路基段箱涵分为4节预制顶进，预制顶进的工作坑布置在京沪高速公路的西侧，基坑支护采用钻孔灌注桩和水泥搅拌桩的组合形式。
1.2工程地址及水文资料
涵址处地质为第四系全新统冲沉积土，地表下1.0m左右为人工堆积层，再下2.5m左右为上段砂壤土冲积层，高程在1.5m～-0.5m间为淤泥质粘土；-0.5m～-3.5m为中段湖沼积层，为粘土层；-3.5m～-9.5m为中段冲积层，为壤土；-9.5m～-15.5m为下段冲积层，属壤土。涵址处土壤的工程力学性质较差，存在地基土体变形量相对较大问题；环境水对混凝土有强腐蚀作用，但渗透系数很弱。
测量时地下水位1.4m。液化层较浅，箱体施工时挖除，所以本工程可不考虑液化问题。根据地质报告的水质报告，本段工程存在SO强腐蚀性。
1.3设计标准
京沪高速公路设计荷载为公路－Ｉ级，高速公路20年工后沉降量不大于100mm。
箱涵安全等级为I级。允许最大裂缝宽度：长期效应()为0.10mm，短期效应()为0.15mm。
二、顶进推力计算
本工程内四节顶进箱涵除第一节箱涵设置刃角外，其余三节均在箱涵底板处设置中继间。中继间设镐窝两处，每处镐窝长度3.5m，可设置500t千斤顶7台，可提供顶力70000KN。
顶进箱涵的顶力一般按照箱涵顶进规程及验收规范中所规定的计算公式进行计算（如本文2.1节计算）。但因本工程为管幕法结合顶进，管幕结构在顶进前已完成施工并开始承担顶部剩余土体的自重和箱涵两侧的土压力。故顶进施工及验收规程不适用于管幕法结合顶进工艺，本工程参考北虹路地道工程总结的计算方法进行计算。经工程实践验证，最终最大顶力比计算顶力大30%，分析原因在于顶进洞口处横梁变形过大，造成管幕沉降而影响最大顶力。
2.1按照顶进施工及验收规程计算
顶进施工中，在千斤顶顶力推动下，需克服顶部荷载和箱体自重产生于基底的反力而作用的摩阻力和两侧土压产生于侧墙的摩阻力，克服刃角前端切土阻力。
Pmax=K[N1*f1+(N1+N2)*f2+2*E*f2+R*A]
式中P：最大顶力
K：安全系数，取1.2
N1：涵顶荷载
f1：涵顶面与顶上荷载的摩擦系数
N2：结构自重
f2：箱涵底板与基底土的摩擦系数
E：结构侧面土压力
f3：侧面摩擦系数
R：钢刃角正面阻力
A：钢刃角正面积
对于本工程初步计算最大反力如下：
Pmax=K[N1*f1+(N1+N2)*f2+2*E*f2+R*A]
=1.2*（10830+21127.39+27252+7600）
=80171.27kn
由最大顶力计算需配置千斤顶台数为：
N=P/nT=80171.2/（0.7*5000）=22.9台
式中n：千斤顶效率系数
T：千斤顶有效顶力
需设置23台500t千斤顶
按照顶进规程中计算值未考虑管幕在箱体顶进中承担的作用，使管幕顶部的土体作为荷载直接作用到箱体顶部，底板的摩阻力偏大，故该公式对管幕法顶进施工不适用。
2.2北虹路地道顶推力计算公式
上海市中环线虹许路-北虹路地道工程在穿越西郊宾馆时，首次引用了管幕法结合箱涵推进的施工工艺。
该工程对箱体的推进阻力建立了专项课题，课题成果认为：箱涵推进时需克服箱体与周边摩阻力和开挖面的迎面阻力。
推进阻力：F=μ（F1+F2+F3）
其中：F1：箱涵制作滑板阻力
F2：刃角顶进时迎面阻力
F3：管幕内摩阻力
μ：计算系数，取1.2
2.2.1 箱涵制作滑板阻力的计算
首节箱涵长度为19m，含刃角4m。滑板设置油隔离层，起动时摩阻系数N0=0.6，箱涵自重为18050kn。
F1=G0*N0=18050*0.6=10830kn
G0：箱涵自重
N0：起动摩阻系数
2.2.2刃角顶进时迎面阻力
本工程箱涵刃角出设置钢刃角，依靠刃角的切口对正面土体的剪切破坏实现推进。随着刃角的深入，迎土面积扩大，推进的迎面阻力随之增大。由于箱涵内部由小型挖土机进行开挖，对刃角内土的摩阻力忽略。
F2=R*A
其中：R：刃角处的土抗力，对淤泥质粘土，取R=200kPa
A：最大正面积
F2=200*38=7600kn
2.2.3管幕内摩阻力的计算
管幕内在箱体外壁与土体之间设置触变泥浆作为降低摩阻力的助滑剂。其具有在静止状态是胶凝状，在动应力作用下成流动状的特点。在箱体外壁预留喷注触变泥浆孔，并在顶进过程中保持注浆量和注浆压力，使箱体外壁均有触变泥浆包裹。箱涵顶进时，外壁与周边土体的阻力转化为泥浆的粘剪力，与滑动门的面积有关，而与压力无关。
F3=K*S
其中：K：为触变泥浆在胶凝体或流体时的粘剪力，根据北虹路的实际顶进力计算，胶凝状时K=20.35kn/m2，流动状态时K=12.61kn/m2。
S：箱体外面积
F3=20.35*813.2=16548.62kn
2.2.4设计顶力计算
F=1.2*（10830+7600+16548.62）
=41974.34kn
本工程实际顶进中，在第三节箱体入土前最大顶力小于40000kn，未启用中继间。随着入土深度加大，最终最大顶力在55000kn。
结论：
（1）上述两种方法计算顶力相差47.6%，本工程顶进中最大顶力在55000kn。按照北虹路地道顶进计算公式比较接近实际情况，与计算最大顶力超出30%。实际影响阻力的因素很多，如洞口止水效果、触变泥浆效果、管幕的受力情况等。
（2）在箱体推进中，箱体推进的起始顶力较运动中的顶力大，其影响因素主要在于滑板的吸附力和静摩擦力，降低起动顶力的关键在于选择合适的隔离层。
（3）本工程中，进入管幕后触变泥浆形成的隔离是成功顶进的关键，保持泥浆护套的完整和有效性，可有效降低箱体的推进摩阻力，其具体措施有及时补浆、洞口设置橡胶止水带密闭、设置压浆检测系统等。
（4）随着箱体逐渐深入管幕作用范围，管幕上部的荷载会逐步传递至箱体顶面而增加顶进推力。所以管幕体系的受力状态也是影响顶进推力的关键，管幕的设计中需要注意进出洞口处的有效支撑的设计。管幕进出洞口处的横梁刚度需足够强大，以控制管幕在顶进过程中的变形。各管幕钢管间的锁止装置能够有效使钢管之间传递剪力，使管幕整体受力。由于管幕锁止装置需设置在钢管外侧，使管幕顶进期间容易从进洞位置造成漏浆，施工中应注意采取必要的封闭进洞口措施。
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