广东工业大学511400
摘要：顶力是泥水平衡矩形顶管施工最重要的关键参数。顶力的计算结果直接影响到工作井的设计、千斤顶吨位、中继间的布置、顶管管节设计强度以及千斤顶设备的选择等。因此，准确的预估泥水平衡矩形顶管施工中的顶力是最重要的基础性工作[6]。
目前，国内外学者对圆形顶管的顶力研究较多，但是对泥水平衡矩形顶管顶力研究相对缺乏，泥水平衡矩形顶管顶力的计算研究还相对不成熟[1][2]。泥水平衡矩形顶管顶力计算仍参照圆形顶管的计算方法。在泥水平衡矩形顶管的工程实践中，顶力计算多采用经验公式、规范公式为依据，其计算结果精度无法保证。泥水平衡矩形顶管顶力计算理论仍不够完善。随着泥水平衡顶管的应用越来越广泛，为此，对泥水平衡矩形顶管顶力进行深入的研究迫在眉睫。
1泥水平衡矩形顶管施工顶推力的组成及影响因素
1.1顶管顶力的组成
泥水平衡矩形顶管顶管需要借助千斤顶顶力克服顶进过程中的各种阻力，顶管顶进过程中分别在顶管的垂直以及水平方向承受荷载。在管道垂直方向上主要有管节自重、垂直土压力、水平土压力、交通载荷以及临时附加载荷等[4]。在管道轴线方向主要有千斤顶顶力、最前端的正面阻力以及管土之间的摩擦阻力。因此，泥水平衡顶管顶力由工作面的迎面阻力和管土之间的摩擦阻力组成。在长距离顶管施工中，管土之间的摩擦阻力是顶力的主要组成部分。
—泥水平衡矩形顶管顶力，（KN）；
—泥水平衡矩形顶管工作面所受的迎面阻力，（KN）；
—泥水平衡矩形顶管管土之间的摩擦阻力（KN）；
1.2矩形顶管顶力大小的影响因素
影响泥水平衡矩形顶管施工中顶力的大小因素多而且复杂，主要有以下几方面[5]：
1）土层性状
能够影响泥水平衡矩形顶力的土层参数主要包括土的重度、粘聚力、内摩擦角、含砂量及地下水位高度等，顶管所受的围岩压力与土的重度、粘聚力、内摩擦角有关。土的含砂量主要影响管土之间的摩擦系数。地下水位高度则影响土的有效重度。
2）顶管尺寸
矩形顶管管节的尺寸决定了顶管顶掘过程中受到迎面阻力的大小，在埋深一定的情况下，摩阻力的大小与管节尺寸、顶进长度及管节摩擦系数成正比关系。
3）管节的埋深
对于埋深很浅或者地层土质不良致使卸荷拱不能形成的地层而言，管节的埋深越大，土层作用在管节上的土压力会越大，顶管管节在顶进过程中管土之间的摩擦阻力也会随埋深增大而增大。而对于深埋或土质较好能够形成卸荷拱容易的情况下，顶管的埋深对泥水平衡矩形顶管顶力的影响不大。
4）管节材质
不同材质的摩擦系数不同，为减少管土之间摩擦系数。有些管节在生产出厂时，会在管节外壁涂上一层石蜡来增加润滑，从而减小摩擦力。
5）注浆
在没有管壁注浆的情况下，管壁和岩土之间的摩擦为干摩擦，即“固-固”摩擦，在管土之间注入触变泥浆，避免管与土层的直接接触，可以认为管壁和岩土之间的摩擦为湿摩擦，即“固-液”摩擦，对减小顶进阻力非常有效，注浆的效果直接影响管土之间摩擦阻力的大小。据实测注浆后顶力一般可减小至注浆前的10%~20%[7]。
6）施工因素
①不可避免的停工
当发生不可避免停工，经扰动的土层会坍落在管节管壁上将顶管抱实。同时，触变泥浆中水分也会离析出来，造成管土之间摩擦系数增加。在重新启动时泥水平衡矩形顶管顶力会有大幅度增加。
②顶管姿态调整
在顶管顶进过程中管线不可避免地会偏离设计路线，矩形顶管可能会出现管节侧转的现象。当出现偏差，顶管机将要进行姿态调整，调整方式为改变管节所受千斤顶的不对称压力，因此，矩形顶管施工发生姿态调整也会加大顶推力。
③顶管顶进顶进速度
在顶管施工过程中，一般情况下，顶推力的大小与顶进速度成正比。
2基于普氏理论计算泥水平衡矩形摩擦阻力
2.1普氏法理论
普氏压力拱理论又称自然平衡理论[4]。普氏理论认为隧道开挖后破坏了地层原有的静力平衡状态，隧道围岩失去平衡，一部分土体塌落到一定程度后将不再塌落，围岩进入一个新的平衡状态，新的平衡状态将会形成一个近似拱形的界面，称之为的卸荷拱。
图2-1—普氏法理论围岩破坏示意图
因为实际上岩石是具有凝聚力的，所以，应该用增大内摩擦因数来补偿这一原因，该内摩擦因数称为岩石的坚固系数，用fk表示。
对于松散的材料而言：.
2.2普氏法理论计算矩形顶管围岩压力
普氏认为洞室开挖后破坏了地层原有的静力平衡状态，围岩失去平衡后有一部分开始塌落，当塌落到一定程度后围岩进入一个新的平衡状态，在顶管隧道上方形成一个抛物线状平衡拱，只有拱以下的土体作用于隧道上，即隧道上的土压力与埋深无关。
普氏法理论的适应条件是土体必须是坚硬系数≥0．6的稳定土，且顶管覆土厚度H≥2h0（卸荷拱高）。不能形成卸荷拱的松软土层或者理深太浅的顶管隧道不宜采用普氏法计算。
2.2.1基于普氏法理论的顶管受力分析
洞室开挖后，顶管隧道两侧的土体处于极限平衡状态，主动滑切线与铅垂线的交角度为。压力拱的跨度通过两侧的主动滑切线的界限来确定。因此，土体的扰动宽度度b为：
3矩形顶管工作面迎面面阻力
3.1迎面阻力分析
泥水平衡矩形顶管工作面迎面阻力是顶力的重要组成部分。泥水平衡矩形顶管在施工过程中，当顶管管节的尺寸、顶管顶掘机的类型、地层参数、埋设深度确定之后，顶管管节的掌子面迎面阻力往往可以认为是一个定值。
目前，计算泥水平衡矩形顶管迎面阻力的公式主要有理论公式和经验公式。虽然现有计算泥水平衡矩形顶管迎面阻力的公式较多。但是，各计算的公式适用条件不明确，公式中参数取值有很大盲目性[8]。各公式计算迎面阻力的结果离散值较大。
3.2矩形顶管工作面迎面阻力计算
矩形顶管管节的埋深为H，计算模型如图所示。
图3-1—矩形顶管的迎面阻力计算模型
矩形顶管工作面的迎面阻力与工作面的土压力以及地下水位的影响有关。当土层为砂性土，宜采用“水土分算”方法进行计算。而对于粘性土应采用“水土合算”方法进行计算。根据工作面正前方土体所处的状态，我们将土压力分为三种情况进行计算。
1）若工作面发生超挖情况，则顶进开挖面不能保持稳定，容易产生坍塌。土压力按主动土压力计算。为了保证安全，一般不会出现主动土压力情况。
2、若工作面发生欠挖情况，则矩形顶管工作面前部土体向两侧及前方挤压，前方土体产生隆起，土压力按被动土压力计算。
3、当土体处于弹性平衡状态，土压力应按静止土压力计算；
根据以往工程经验，在顶管实际施工过程中，为保证安全，防止出现开挖面不稳定而造成坍塌。矩形顶管迎面阻力一般大于静止土压力。这就是为何在实际施工过程中。前方土体一般会有轻微的隆起。综上，矩形顶管迎面阻力应按被动土压力计算。：
4、砂性土
参考文献：
[1]O'Reilly，M.P.，Rogers，C.D.F..Pipejackingforces[C].InProceed.International.Conference.OnFoundationsandTunnels87，Edinburgh，1987.
[2]王承德.顶管施工中管壁摩阻力理论公式的商榷[J].特种结构，1999（03）：22-25.
[3]张鹏，马保松，曾聪，谈力昕.基于管土接触特性的顶进力计算模型分析[J].岩土工程学报，2017，39（02）：244-249.
[4]熊翦.矩形顶管关键受力分析[D].中国地质大学（北京），2013.
[5]傅德明，张冠军.我国矩形掘进机隧道施工技术发展与应用[J].上海建设科技，2008（02）：4-5+27.
[6]王绵坤.顶管施工中力学效应问题研究[D].广州大学，2007.
[7]魏纲.顶管工程土与结构性状的理论研究[J].岩石力学与工程学报，2006（07）：1512.
[8]魏纲.顶管工程土与结构的性状及理论研究[D].浙江大学，2005.