引言

顶管法因环境影响小、施工周期短、综合成本低等优点被越来越多地应用于市政管线与地下通道建设中。与此同时，其应用过程中存在的问题也日益凸显，如顶管偏压受荷问题。实际顶管施工中，受地质条件、施工参数及外部作用等的影响，管道接头处会发生偏转，接头端部应力重分布并重新取得平衡，管道受力形式将由轴压变为偏压。偏压荷载作用下，管土间的摩擦力增大，有效顶进力的传递减小，增加了总体顶进力，且使管道局部应力集中，甚至诱发管道结构破坏。为此，探索顶管在偏压荷载作用下的力学响应及其影响因素对于顶管法的应用具有实际意义和参考价值。

1.顶管受偏压作用简析

作用在顶管机头上的力系平衡大多是短暂的，顶管往往处于不平衡的外力和力矩作用，机头会与设计路线产生偏离，施工过程中必须靠实时纠偏使机头不断修正。因此，顶管的常态一般是偏心受荷的。

顶管推进过程中，若受偏压荷载作用，顶管会出现如图1所示的受力状态，具体表现为管道单侧偏压和对角偏压;根据顶管偏压承载特点，顶管偏压作用模式包括单侧、对角偏压作用。单侧或对角偏压作用下，管道一侧围岩存在局部挤压效应，而对侧由于应力释放形成空隙。对于空隙侧，围岩对管道起到了约束抵抗的作用，在挤压侧，管道通过有限传力面传递顶进力。

2.偏压荷载作用下顶管施工模拟

2.1 工程简介

广州某污水管道工程隧道长约313 m，采用顶管技术施工，管道为钢筋混凝土，管道直径为800mm，壁厚80 mm，承口凹槽处壁厚65 mm，幅宽2m，管顶上覆土层厚约5 m，该项目设计最大顶进力为400 tonf。由现场勘察与管道结构设计资料可知，场地土层、结构物理力学参数如表1所示，场地的稳定地下水位埋深约1 m。基于变形协调，参考文献[5]的思路，计算钢筋混凝土强度参数。

2.2 计算模型的建立

隧道围岩作为结构荷载源，又对管道起到了约束的作用，三维数值模型中通过地基弹簧来模拟围岩—管道结构间的相互作用。地基弹簧根据顶管结构位移特点，设置受压侧径向弹簧，地基抗力系数计算公式如下[6]。

式中:E为隧道周围土层的弹性模量;μ为隧道周围土层的泊松比;r为隧道开挖半径。代入参数计算得到k=20.1 MPa/m。根据规范[7]可知，当顶管上覆土大于1倍管道外径且不是淤泥时，管道受到的上覆土压力可采用Terzaghi松动土压力理论[8]计算，具体计算如下。

松动半宽为:

松动高度为:

式中:D为管片外径，m;φ为土体的内摩擦角，(°);k0为侧向土压力系数k0=1-sinφ;γ为土层的重度，k N/m3;H为上覆土厚度，m;p0为地面超载，k Pa，取20 k Pa。代入场地土层参数，计算得到B1=1.62 m,h0=2 m，由此计算管道受到的水土压力如图2所示。

图2 管道结构受力示意(单位:k Pa)

图3为三维计算模型，模型中管道采用三维实体单元模拟，用弹塑性本构模型。管段间软木衬垫由弱化的弹性薄层单元模拟，重度取4.5 k N/m3，弹性模量取5 MPa，满足管道间传递荷载且补偿端面的不平整度。考虑泥浆套后，土体与顶管表面摩阻力为3 k Pa。基于顶管管道在单侧与对角偏压作用时的受力特点，在管节与围岩挤压侧设置弹簧表征围岩对结构的抗力作用，弹簧远离管节侧设虚拟的位移边界条件。千斤顶正面顶进力简化为作用于环缝垫板上的压力荷载。偏转角度通过设置管道1、3偏转角度来实现。

2.3 管道承载与破坏形态

开展100 tonf顶进力、偏转角度0.2°对应的单侧和对角偏压作用时管道2受力变形计算分析，以揭示顶管管道在偏压荷载作用下的受力特征与破坏形态。图4 5为偏压荷载作用下管道2应力应变云图。可见，因偏斜角度的存在，在顶进力的作用下，管道轴向偏心起拱，接头端面出现单侧挤压、对侧张开现象，引起管道连接处应力集中，应变局部化。单侧和对角偏压作用下管道最大应力为23.3 MPa，最大应变为7×10-4，均超出了混凝土抗拉强度与极限弹性应变，管道局部出现裂隙。

图4 偏压作用下管道Mises应力

图6为管道偏压作用下的力学状态，结合前述应力与应变结果表明，在偏压荷载作用下，管道局部区域开裂，然而未形成贯通的裂隙和整体破坏。由图5 6不难判断，单侧偏压作用效应主要表现为轴向的压剪效应，对角偏压作用效应则为对角的拉剪效应;当偏压荷载达到一定值后，管道表现为偏压作用下接头处局部先开裂甚至破碎，后逐渐向中部发展的渐进破坏过程，当中部拉应力超过极限强度时发生整体破坏。

图7为文献[9]足尺试验管道破坏形态，呈现出的破坏特征与本文数值分析结果整体较为吻合，说明文中采用的计算模型具备合理性。同时值得注意的是，对角偏压作用下，现有研究[10]认为管道破坏源于中部拉应力过大所致，且由地层反力引起，该认识合理性值得商榷。

3.顶管偏压受荷力学特性影响因素

顶管在偏压荷载作用下的力学响应特征受诸多因素的影响，主要包括地质条件、管道尺寸、管道材料、偏斜角度(施工控制、外部作用等抽象概括)及顶进荷载等。考虑到特定工程地质条件和管道材料相对固定，故本文重点考察偏斜角、顶进荷载及管道尺寸对顶管偏压作用下力学特性的影响。以前述模型为基础，保证其他参数不变，改变单个参数以分析其影响程度。

3.1 偏斜角度的影响

偏斜角度决定了管道传力面的大小，显著影响着管道的应力值。顶管施工过程中管道接头转角大多介于0～0.3°之间，通常不超过0.5°，当施工控制较差或者地质情况差异大的时候，转角可能会超过1.0°，故计算0.2°、0.4°、0.6°、0.8°及1.0°偏斜角对应的管道力学特征。

图8为不同偏斜角对应的最大拉应力，进行不同偏斜角度偏压作用下的一元线性拟合，相关系数均为0.99。图8表明，偏压荷载作用下，管道结构应力与偏斜角度呈同向线性关系。实例顶管单侧偏压荷载作用下产生的最大拉应力大于对角偏压情况，说明单侧偏压诱发的结构损伤更大，并随着偏斜角度的增大越发的明显。

图9为不同偏斜角度对应的应变局部化分布云图。从图可知，偏压荷载作用下应变集中程度随着偏斜角度的增加逐渐加剧，而传递荷载接触的面积则减小，由此产生的接触应力增大，符合一般的认识。应变局部化区域随偏斜角度的增大，分布特征经历近梯形分布→马鞍形分布→椭圆形分布的演化过程，偏压预防措施设计时可根据设计偏斜角度对应的影响敏感区特征布置。

3.2 管节尺寸的影响

以0.2°偏斜角100 tonf千斤顶顶进力作用为基础模型(图3)，改变管节几何尺寸，以研究管节偏压作用下力学响应对几何尺寸的敏感性。管道空间几何尺寸的影响主要是轴向和径向长度，两个方向相互影响相互制约。可定义不同直径/长度(径长比)来描述管道尺寸的影响，取1.1～1.5倍基础模型管道径长比进行分析。

图10为不同管道尺寸对应的最大拉应力。由图显示，单侧偏压应力受尺寸影响很小，应力水平无明显变化，究其原因是管道几何尺寸的变化并未明显改变结构压剪承载特性。相比之下，管道几何尺寸的变化给对角偏压造成的影响更明显，应力值最大增加25.3%，主要是因为管道径长比的增大，弱化了管道空间抵抗对角错动剪切的能力，使剪切趋势增强，从而增大了管道应力。结合图8结果发现，管道径长比≤1.3时，单侧偏压作用引起的结构损伤大于对角偏压，当管道径长比>1.3时，对角偏压效应逐渐增强并较单侧偏压效应明显。

图1 0 不同管道尺寸对应的最大拉应力

3.3 顶进荷载的影响

为了更好地考察千斤顶推进力对管道受力变形的影响，取0.2°偏斜角100 tonf顶进力为基础模型，通过改变顶进力来分析管道力学行为的受影响情况。基于设计顶进力400 tonf，以±100 tonf为梯度，取100～800 tonf顶进力进行计算，得到如图11所示不同顶进力对应的管道应力。

从图11来看，两种偏压形式作用下，管道应力水平相近且随顶进力的增大线性增大，顶进力对管道应力影响显著，设计最大顶进力400 tonf对应的拉应力为98.9 MPa。图12为管道应力分布云图，可见，随着管道端面接触应力的增大，两种偏压情况下管道影响范围较基础模型明显更大，但集中在接触面周围一定范围内，遵循了圣维南原理。同时发现，800 tonf顶进力作用下，两种偏压作用区域形成及扩展趋势不同。单侧偏压作用下，管道沿轴向扩展为主，横向不明显，而在对角偏压作用下，横向发展扩散趋势大于轴向，这与前述偏压作用下管道破坏特征吻合。

图1 2 管道应力云图(局部)

4.顶管偏压控制技术措施

目前，顶管顶进主要遵循“勤”量测和纠偏的原则，用被动纠偏措施，本文基于研究成果，提出顶管施工前主动的预防措施如下:

(1)做好顶管沿线穿越的地质勘测，分析开挖面通过不同地层的比率，对不同土层条件，选取对应的顶进施工技术参数。

(2)根据不同功能需求，设定顶管管道直径，并基于管道径长比对结构受力特性的影响特征，采用相对合理的顶管幅宽。

(3)合理计算顶管顶进阻力，避免出现由于顶进力过大，在出现管道偏压作用时，放大管道结构的接触应力，诱发破坏。

5.结论

(1)由于接头处偏斜角度的存在，在顶进力的作用下，顶管管道轴向偏心起拱，接头处呈现出单侧挤压、对侧张开，导致管道接触面应力集中、应变局部化。

(2)单侧偏压作用主要表现为轴向的压剪效应，对角偏压作用则呈现出对角的拉剪效应。偏压作用下，管道接头处局部先开裂或破碎，后逐渐向中部发展的渐进破坏过程，当中部拉应力超过极限强度时发生整体破坏。

(3)管道结构拉应力与偏斜角度呈同向线性关系，管道径长1*3*1+19-10/29+7-3比较小时，单侧偏压作用诱发的结构损伤更大，并随着偏斜角度的增大越发的明显。当管道径长比超过1.3时，对角偏压效应逐渐增强并较单侧偏压效应明显。

(4)单侧偏压受尺寸影响很小，究其原因为管道几何尺寸的变化未改变单侧偏压承载特性。对角偏压受管道几何尺寸的影响则较为显著，因为管道尺寸的变化影响了空间抵抗错动剪切的能力，改变了剪切趋势及拉应力。

(5)管道应力随顶进力的增大而线性增大，顶进力对管道应力影响较为明显，管道应力集中的区域在管道接触面周边一定范围内。两种偏压受力变形路径的发展规律不同，单侧偏压时管道沿轴向发展为主，横向相对不明显，而在对角偏压作用下，横向扩散趋势大于轴向。