頂管法因環(huán)境影響小、施工周期短、綜合成本低等優(yōu)點被越來越多地應用于市政管線與地下通道建設中。與此同時，其應用過程中存在的問題也日益凸顯，如頂管偏壓受荷問題。實際頂管施工中，受地質條件、施工參數(shù)及外部作用等的影響，管道接頭處會發(fā)生偏轉，接頭端部應力重分布并重新取得平衡，管道受力形式將由軸壓變?yōu)槠珘?。偏壓荷載作用下，管土間的摩擦力增大，有效頂進力的傳遞減小，增加了總體頂進力，且使管道局部應力集中，甚至誘發(fā)管道結構破壞。為此，探索頂管在偏壓荷載作用下的力學響應及其影響因素對于頂管法的應用具有實際意義和參考價值。

作用在頂管機頭上的力系平衡大多是短暫的，頂管往往處于不平衡的外力和力矩作用，機頭會與設計路線產(chǎn)生偏離，施工過程中必須靠實時糾偏使機頭不斷修正。因此，頂管的常態(tài)一般是偏心受荷的。

圖1 頂管偏壓受荷示意

2.1 工程簡介

表1 土層-結構物理力學參數(shù)

隧道圍巖作為結構荷載源，又對管道起到了約束的作用，三維數(shù)值模型中通過地基彈簧來模擬圍巖—管道結構間的相互作用。地基彈簧根據(jù)頂管結構位移特點，設置受壓側徑向彈簧，地基抗力系數(shù)計算公式如下[6]。

式中:E為隧道周圍土層的彈性模量;μ為隧道周圍土層的泊松比;r為隧道開挖半徑。代入?yún)?shù)計算得到k=20.1 MPa/m。根據(jù)規(guī)范[7]可知，當頂管上覆土大于1倍管道外徑且不是淤泥時，管道受到的上覆土壓力可采用Terzaghi松動土壓力理論[8]計算，具體計算如下。

圖2 管道結構受力示意(單位:k Pa)

2.3 管道承載與破壞形態(tài)

圖5 偏壓作用下管道應變

圖7為文獻[9]足尺試驗管道破壞形態(tài)，呈現(xiàn)出的破壞特征與本文數(shù)值分析結果整體較為吻合，說明文中采用的計算模型具備合理性。同時值得注意的是，對角偏壓作用下，現(xiàn)有研究[10]認為管道破壞源于中部拉應力過大所致，且由地層反力引起，該認識合理性值得商榷。

3.頂管偏壓受荷力學特性影響因素

3.1 偏斜角度的影響

圖8為不同偏斜角對應的***大拉應力，進行不同偏斜角度偏壓作用下的一元線性擬合，相關系數(shù)均為0.99。圖8表明，偏壓荷載作用下，管道結構應力與偏斜角度呈同向線性關系。實例頂管單側偏壓荷載作用下產(chǎn)生的***大拉應力大于對角偏壓情況，說明單側偏壓誘發(fā)的結構損傷更大，并隨著偏斜角度的增大越發(fā)的明顯。

圖8 不同偏斜角對應的***大拉應力

圖9 不同偏斜角度對應的應變集中區(qū)域

以0.2°偏斜角100 tonf千斤頂頂進力作用為基礎模型(圖3)，改變管節(jié)幾何尺寸，以研究管節(jié)偏壓作用下力學響應對幾何尺寸的敏感性。管道空間幾何尺寸的影響主要是軸向和徑向長度，兩個方向相互影響相互制約。可定義不同直徑/長度(徑長比)來描述管道尺寸的影響，取1.1～1.5倍基礎模型管道徑長比進行分析。

3.3 頂進荷載的影響

從圖11來看，兩種偏壓形式作用下，管道應力水平相近且隨頂進力的增大線性增大，頂進力對管道應力影響顯著，設計***大頂進力400 tonf對應的拉應力為98.9 MPa。圖12為管道應力分布云圖，可見，隨著管道端面接觸應力的增大，兩種偏壓情況下管道影響范圍較基礎模型明顯更大，但集中在接觸面周圍一定范圍內(nèi)，遵循了圣維南原理。同時發(fā)現(xiàn)，800 tonf頂進力作用下，兩種偏壓作用區(qū)域形成及擴展趨勢不同。單側偏壓作用下，管道沿軸向擴展為主，橫向不明顯，而在對角偏壓作用下，橫向發(fā)展擴散趨勢大于軸向，這與前述偏壓作用下管道破壞特征吻合。

圖1 1 不同頂進力對應的***大拉應力

圖1 2 管道應力云圖(局部)

4.頂管偏壓控制技術措施

目前，頂管頂進主要遵循“勤”量測和糾偏的原則，用被動糾偏措施，本文基于研究成果，提出頂管施工前主動的預防措施如下:

(1)做好頂管沿線穿越的地質勘測，分析開挖面通過不同地層的比率，對不同土層條件，選取對應的頂進施工技術參數(shù)。

(2)根據(jù)不同功能需求，設定頂管管道直徑，并基于管道徑長比對結構受力特性的影響特征，采用相對合理的頂管幅寬。

(3)合理計算頂管頂進阻力，避免出現(xiàn)由于頂進力過大，在出現(xiàn)管道偏壓作用時，放大管道結構的接觸應力，誘發(fā)破壞。

5.結論

(1)由于接頭處偏斜角度的存在，在頂進力的作用下，頂管管道軸向偏心起拱，接頭處呈現(xiàn)出單側擠壓、對側張開，導致管道接觸面應力集中、應變局部化。

(2)單側偏壓作用主要表現(xiàn)為軸向的壓剪效應，對角偏壓作用則呈現(xiàn)出對角的拉剪效應。偏壓作用下，管道接頭處局部先開裂或破碎，后逐漸向中部發(fā)展的漸進破壞過程，當中部拉應力超過極限強度時發(fā)生整體破壞。

(3)管道結構拉應力與偏斜角度呈同向線性關系，管道徑長1*3*1+19-10/29+7-3比較小時，單側偏壓作用誘發(fā)的結構損傷更大，并隨著偏斜角度的增大越發(fā)的明顯。當管道徑長比超過1.3時，對角偏壓效應逐漸增強并較單側偏壓效應明顯。

(4)單側偏壓受尺寸影響很小，究其原因為管道幾何尺寸的變化未改變單側偏壓承載特性。對角偏壓受管道幾何尺寸的影響則較為顯著，因為管道尺寸的變化影響了空間抵抗錯動剪切的能力，改變了剪切趨勢及拉應力。

(5)管道應力隨頂進力的增大而線性增大，頂進力對管道應力影響較為明顯，管道應力集中的區(qū)域在管道接觸面周邊一定范圍內(nèi)。兩種偏壓受力變形路徑的發(fā)展規(guī)律不同，單側偏壓時管道沿軸向發(fā)展為主，橫向相對不明顯，而在對角偏壓作用下，橫向擴散趨勢大于軸向。