顶管作为一种非开挖技术已被广泛应用[1]。近年来，大直径钢顶管施工是继盾构施工之后发展起来的一种地下管道施工方法，它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等，其最大的优越性在于其采用不开槽的暗挖方式，从而避免了作业面对地上建筑物或构筑物的直接影响。因此，在市政和引水管道、沿江沿海大型发电厂循环水的取(排)水管道工程中得到了广泛的应用。 对于大直径钢顶管施工过程中管道受力机制与计算模式；顶管施工地区土体的岩土参数如何确定及修正；顶管施工究竟会引起多大的土体变形；大直径钢顶管的壁厚是否能够优化等，这些问题是非开挖工程界非常关心的问题。我国有关顶管施工的规范只有中国非开挖技术协会行业标准《顶管施工技术及验收规范(试行)》[2]，而其设计则只能根据《给水排水工程管道结构设计规范(GB50332-2002)》[3]、《给水排水工程埋地钢管管道结构设计规范(CECS 141-2002)》[4]等设计规范。直到 2008 年 10 月，中国工程建设协会发布了《给水排水工程顶管技术规程(CECS 246-2008)》[5]，才有了针对顶管设计的指导性规程。 顶管周围的土体都是原状土，作用在顶管上的垂直土压力和侧向水平土压力应当同埋地管有所不同。而根据现有可参考的规范标准进行设计，对于大直径的钢顶管工程，往往计算壁厚很大，很不经济。实际上开槽埋地管道与顶管掘进管道周边土体受力与变形都存在本质的区别，顶管掘进管道周边土体受力更有利于管道受力与安全，不加区分地借用埋地钢管管道结构设计规范来设计钢顶管工程就会造成不必要的浪费，尤其对于大直径钢顶管工程，由此浪费可能是惊人的。因此研究适合于大直径钢顶管设计计算理论是迫切需要解决的工程问题。 本课题就是结合大直径钢顶管工程特点，系统研究涉及大直径钢顶管工程中大直径钢顶管与土体共同作用理论；大直径钢顶管合理壁厚讨论、设计方法等关键技术问题，对于丰富顶管工程理论、优化设计方法、节省钢顶管工程投资，不仅有一定的学术价值，而且也具有很高的工程实用价值。
1.1 国内外研究现状和存在的问题 (1)国内外研究现状 a)基本计算理论 1933 年，美国的 M.G..Spangler 在题为《The supporting strength of rigid pipe culverts》一文中，阐述了刚性管道的承载力问题，但没有考虑埋设条件。他所提出的计算模型，被许多国家用作刚性管道设计计算的理论依据。1955 年，前苏联学者尼古拉推导出地下钢管的临界压力公式。1957 年，另一位前苏联学者克列恩在其著作《地下管设计》中，假定管体为绝对刚性圆管支承在弹性地基上，按一般结构力学的弹性中心法，在假定的荷载(如垂直土压力，侧向土压力，自重荷载等)的作用下，计算管道内力，然后将这些内力叠加，按许用应力法校验管道的强度。他们的理论被应用于前苏联 1958 年的《地下钢管的设计技术条件和规范》中，我国沿用了这个规范，并一直将其作为我国管道工程实践的理论基础[6]。 在 50-60 年代我国也开展了管道结构方面的研究，北京市市政设计院结合工程实践经验，通过引用国外成果并结合国内研究成果，编制了埋地管道结构设计计算规程，但该规程没有考虑管道与地基土的相互作用。 1984 年，以北京、上海等市政院为主编单位编制的《给水排水工程结构设计规范》(GBJ69-84)正式出版。该规范在钢管道的设计中采用的是容许应力法。同年，上海市政工程设计院和多家设计院共同编写的《给水排水工程结构设计手册》[7]出版。该手册依据(GBJ69-84)规范，对钢管的内力分析，截面设计以及构造要求等进行了规定，给出设计实例和大量表格，可供设计查用，这为钢管道结构设计提供了有效的工具。 b)变形性状研究 Verruijt 和 Booker[8]假定土体是线弹性材料，认为隧道变形机理主要是隧道表面的均匀径向位移和隧道椭圆化，采用半弹性平面假定方法，得到了地层垂直沉降和地层水平位移的解析解，但是该公式计算得到沉降槽宽度和土体水平位移要明显大于实测值。 N.Loganathan 和 H.G.Poulos[9]利用Lee etal[10]提出的g=Gp+U3D+W(等效地层损失参数)，采用椭圆形土体移动平面，对 Verruijt 和 Booker[2]提出的计算地层沉降的方法进行了改进，提出了预测地层垂直沉降和水平移动的解析解。但是仍然存在一些缺点如在软粘土中的等效土体损失参数 g 的取值带有一定的经验性、计算值会大于实测值、没有考虑土质条件和施工工艺。 GW.E.Milligan 和 P.Norris[11]研究了顶管施工中的管土相互作用。现场测试包括顶管施工过程中管道顶进的轨迹、接头处的顶进偏角、管土接触应力、顶力记录等。对测试结果进行了分析，研究了偏斜和时间对顶管施工的影响。对管土接触面的摩擦作用进行了分析，并进行了室内模拟试验。 英国牛津大学在国际顶管协会、自来水公司和 EPSRC 组织的资助下从 1986 年开始对顶管施工作了一系列的研究。包括室内模型试验、施工现场监测、混凝土顶进管道的有限元模拟、混凝土管道测试、润滑材料和土壤改良剂的研究、对土壤改良剂和润滑方法的现场试验等。Ripley，K.J.[12]Norris，P.[13]Zhou， jianQing[14]Marshall，M.A[15]等人结合这个课题做了博士论文。 Bobet[16]提出了饱和土体中浅埋隧道土体变形的二维解析预测方法。该方法假定与隧道轴线垂直的横截面为平面应变条件，土体为多孔弹性材料、衬砌(管道)是弹性的。采用该方法可以求得连续体内任一点的短期或长期的应力和变形。
第二章 大直径钢顶管受力分析
大直径钢顶管的设计计算首先需要选择一个合适的计算模型，其次确定管道结构上的作用。本章对三种管土相互作用模型、以及计算管道上作用的不同方法进行对比，为后文对已有规范、规程的修正提供依据。
2.1 管道上作用效应模型 在顶管施工过程中，管周土体会受到一定程度的扰动，这会对土体的应力状态和顶管所承受的载荷产生影响，原来作用在受扰动土体上的载荷有一部分要由顶入的管节来承担。因此，基于管土全接触假设[37]——管道周围均与土体接触并被土体加载。 查阅国内外的相关资料，对于柔性管，主要有以下 3 种计算模式：(1)原苏联的耶梅里杨诺夫计算模式(以下简称“耶式”模式)；(2)美国的 M. G. Spangler 计算模式(以下简称“斯式”模式)；(3)自由变形法(盾构法隧道计算模式)。下文将对这三种方法进行详细的阐述[38]。
第三章 大直径钢顶管管道结构规范设计法...........17 3.1、 基本设计规定 ...............17 3.2、承载能力极限状态计算................20 3.3 工程实例计算 ...............24 3.4 参数敏感性分析............29 3.5 本章小结 .............30 第四章 大直径钢顶管有限元数值模拟.................32 4.1 土体本构关系选择................32 4.2 有限元计算参数的确定..........36 4.3 有限元模型简介................39 4.4 有限元分析结果................41 4.5 力学机理分析 ................47 4.6 壁厚敏感性分析...............49 4.7 土体参数敏感性分析...............50 4.8 本章小结 ......................51 第五章 大直径钢顶管管壁厚度确定方法...................52 5.1 工程中土变形模量取值................52 5.2 大直径钢顶管数值模拟数据应用................54 5.3 系数 Λ 与压缩模量 ES 以及系数 Κ 与回弹模量 EU 转化..........56 5.4 参数修正 .................57 5.5 本章小结 ................58
第六章 结论与展望
本文主要研究内容和成果如下： 运用有限元计算软件，模拟工程状况，采用变参数模拟，研究管壁周围土体压力特征及管腔变形规律，结合理论分析提出管壁设计等关键设计问题的优化理论。 总结了大直径钢顶管中管土相互作用的三种模式，详细分析了顶管周围各种土荷载，并对其中的不同的上覆土压力理论计算模式进行了比较，结果表明土柱法计算值是最大的，采用普氏法公式计算只适应于覆土较深的情况，而太沙基和马斯顿法则具有更广的适用性。 阐述了本文所要运用的土的本构模型的类型，原理，采用的参数如何选取。其中详细说明了修正剑桥模型中的摩擦常数 M、压缩指数?、回弹指数k、先期固结压力 c0p和初始孔隙比 inie的取值。摩擦常数 M 通过公式计算其值为 0.91，压缩指数?通过作图法得到其值为 0.092，本文 ? /? 的取值定为 20，所以k 的值为 0.0046，先期固结压力 c0p和初始孔隙比 inie通过计算，其值分别为 180kPa 和 1.066。 运用规范法，对工程实例进行了计算，通过多次试算，确定了钢顶管的最小厚度，并对影响钢顶管的参数进行了敏感性分析，结果表明：在其他条件不变下，土的变形模量每增加 1MPa，钢顶管管壁厚度减小 1~2mm；管径每增加 0.7m，管壁厚度增加约 10mm；随着覆土深度的增加，壁厚变大，但变化幅度不大，这是由于第二章说明的土的卸荷效应发挥作用；覆土深度在 6~8m 以及 10m 前段部分，土的变形模量每增加 1MPa，管壁厚度减少 3~5mm，但在覆土深度在 10m 后段部分出现了突变，这是由于规范不同判断准则不同组合发挥作用。 现行规范设计方法对埋地钢管设计是适用的，对深埋大直径钢顶管的设计偏于保守； 深埋大直径钢顶管中，管道呈现竖向压缩，横向拉伸的变形规律。土体侧向压缩、竖向卸荷回弹，采用应力路径分析方法验证了这一规律； 钢管壁厚、压缩指数对管道最大应力影响显著，对最大应变影响一般； 随着压缩指数 λ 值的减小，λ 对综合变形模量 Et 的影响越来越小，即 λ 对应的压缩模量对 Et 的影响越来越小，同时 Et 的值越来越大，说明回弹模量的作用越来越大，因此，在大直径钢顶管设计中，回弹模量的影响不可忽视；
参考文献： [1]马保松.顶管和微型隧道技术[M].北京：人民交通出版社，2005:66-67. [2]中国非开挖技术协会.顶管施工技术及验收规范(试行)[Z].北京:人民交通出版社,2007 [3] GB50332-2002,给水排水工程管道结构设计规范[S]. [4] CECS 141-2002,给水排水工程埋地钢管管道结构设计规范[S]. [5] CECS 246-2008,给水排水工程顶管技术规程[S]. [6]陆壮志.基于钢管与土接触共同工作的埋地钢管的力学分析[D].南京：东南大学，2006:1-2. [7]上海市政设计研究院等.给水排水工程结构设计手册[M].中国建筑工业出版社.1984 [8]A.Verruijt,J.R.Booker. Surface settlement due to deformation of a tunnel in an elastic half-plane.[J].Geotechniques,1996,46(4):753-756 [9] N.Loganathan, H.G.Poulos. Analytical Prediction for http://www.dxlws.com/bylwfw/ Tunneling-Induced Ground Movement in Clays.[J]Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,1998(9):846-856 [10]Lee,K.M,Rowe.R.K,Lo.K.Y, Subsidence owing to tunneling.l: Estimating the gap Parameter.[J]CanadianGeotechnical Journal,1992,29:929-940,
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