管幕内顶进箱涵前端网格内壁土压力分布模式

第27卷 第8期 岩 土 工 程 学 报 Vol.27 No.8 2005年 8月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Aug., 2005 管幕内顶进箱涵前端网格内壁土压力分布模式肖世国，朱合华，李向阳，夏才初，刘学增（同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092）摘 要：上海市中环线虹许路北虹路下立交工程是目前世界上在饱和含水软土地层中施工的横截面最大的管幕法工程。

在管幕内顶进大断面箱涵（前端嵌固钢板制网格框架）的施工过程中，随着网格后端土体的开挖，作用于网格内壁各面的土压力发生调整，其特点是在距开挖面不同位置处有不同的大小。

根据力学平衡条件分析，重新达到平衡状态后，作用于内壁顶面与底面的土压力沿网格纵向呈指数函数分布，内壁侧面的土压力则为沿网格长度方向（纵向）的指数分布与沿高度方向（竖向）的线性分布的叠加，直到在网格前端仍保持相应的原始状态为止。

这就为网格尺寸的合理设计打下了重要基础。

最后，用室内试验验证了理论计算方法并给出了实例工程网格内壁土压力的具体分布模式。

关键词：管幕；箱涵；开挖面；网格；土压力中图分类号：TU 47 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2005)08–0908–05作者简介：肖世国(1973–)，男，博士后，从事岩土工程及地下结构工程的研究工作。

Distribution mode of earth pressure on inner plates of steel grids located in the front of a big box culvert surrounded by pipes in a pipe-roof projectXIAO Shi-guo，ZHU He-hua，LI Xiang-yang， XIA Cai-chu，LIU Xue-zeng（Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China）Abstract: Up to now, the subway crossing project through Hongxu Road is a pipe-roof project with the biggest cross-section of box culvert in the world. It is constructed in saturated soft soil stratum under the Beihong Road located in the middle ring-road of Shanghai. During pushing the box culvert in the front of which many steel grids are inverted, earth pressure on inner plates ofa grid will vary with excavation of soil near the back end of the grid. Its general rule is that earth pressure is of different value atvarious distance from cutting surface. According to the mechanical equilibrium conditions, earth pressures on inner top and bottom plate are exponentially distribution along the longitudinal direction of a grid and those on inner side plates are superposition of exponential distribution along the longitudinal direction and linear distribution along the vertical direction of the same grid until reaching their corresponding original status at the fore end of the grid after attaining new mechanical equilibrium status. It is the important basis of rational design of grid sizes. In the end, the theoretical calculation method is proved by the model test. The distribution mode is given in detail by the practical project.Key words: pipe-roof; box culvert; cutting surface; grid; earth pressure0 引 言上海市虹许路－北虹路下立交工程设计采用管幕内顶进箱涵的施工方法，箱涵横断面外包尺寸为34 m×7.85 m，管幕穿越段全长约125 m，箱涵采用钢筋混凝土结构，分8节预制，每节15.5 m。

这样大断面的矩形隧道在国内外少见报道，是我国第一次引进管幕法工艺施工，也是世界上在饱和含水软土地层中施工的横断面最大的管幕法工程[1~3]。

由于本工程是在上海地区含水率很高的淤泥质软粘土中施工，在工程周边地面环境保护要求较高的情况下，采用管幕内顶进箱涵的方法就必须考虑开挖面及其前方土体的稳定性问题，因为这涉及到地面是否沉陷破坏。

国外类似工程中，一般采用注浆预加固的方法来稳定开挖面及其前方土体[1, 2]，但其中会涉及到不便于施工操作的一些问题。

为此在本工程中拟采用在箱涵前端嵌固钢板制的网格框架的方法，随箱涵的顶进，网格楔入土中，在网格后端开挖挤动出的土体，通过网格内壁与土体间的摩阻力来平衡网格前端面的土压力，以此达到在箱涵顶进过程中稳定开挖面（网格后端面）及其前方土体的目的。

可见，该摩阻力大小对开挖面及其前方土体的稳定性十分重要。

由此就必须设计合理的网格尺寸，由此得到作用于网格内壁各面摩阻力的分布模───────基金项目：中国博士后科学基金资助项目（2004035493）；上海市科学技术委员会科研计划重大项目（04dz12004）收稿日期：2004–09–23第8期 肖世国，等．管幕内顶进箱涵前端网格内壁土压力分布模式 909式则至关重要。

为此，本文就该摩阻力的分布模式问题进行讨论，以便为合理设计网格尺寸打下重要基础。

1 基本假定在以一定速度顶进箱涵其前方土体处于非欠挖状态过程中，随着从网格后端挤出的土体的挖除，在使网格内土体达到新力学平衡状态的条件下，则网格内土体的运动会有两种情况：①网格内土体未发生挤动而由网格内未挖土体与网格内壁间的摩阻力可以平衡此时的开挖卸荷量，即此时作用于网格前端面的土压力为静止土压力；②网格内土体发生了向外一定量的挤动而由挤动后网格内未挖土体与网格内壁间的摩阻力可以平衡此时的开挖卸荷量，即此时作用于网格前端面的土压力为主动土压力。

为了便于问题的分析，在这两种情况下，作如下假设：随着从网格后端挤出的土体的挖除，网格内土体达到静力平衡状态后，土体横向间的侧压力系数即为静止土压力系数0k 且保持为常量，不随网格长度方向（纵向）的位置变化，而土体纵向间的侧压力系数在情况一下为静止土压力系数0k ，在情况二下则为主动土压力系数a k ，并且在两种情况下土体纵向间的侧压力系数均不随纵向的位置而变化。

需要说明的是，在情况二时网格内土体横向间侧压力系数仍取为0k 的理由是：因网格侧面为钢板，约束网格内土体的横向移动，于是网格内土体的纵向挤动沿横向呈均匀分布状态，不影响土体的横向静止状态。

另外，不计网格内壁对作用在网格内横截面上的土压力分布形式的影响以简化分析。

图1 箱涵网格位置与结构示意图Fig.1 Location and structure of the rectangular culvert and its grids2 力学分析箱涵前端网格的位置及网格空间结构见图1。

x ，y ，z 坐标轴分别表示竖向、横向与纵向，网格内截面宽度为a ，高度为b ，长度为L ；作用于网格内壁顶面、底面、左右侧面的土压力分别为x σ、D σ、L σ，则由土力学平衡条件[4]可得，沿网格长度方向（z 向）在同一截面处其间（用x σ表示D σ、L σ）关系式为，， )( x 0L x D x k b γσσγσσ+=+= (1) 其中x 为距网格内顶面的高度，γ为网格内土体容重。

当每次开挖操作完成，网格内土体达到静力平衡状态后，对沿网格长度z 方向的微元d z 段范围内的土体视为刚体，进行隔离体受力分析，在情况一的条件下如图2所示。

则由z 向静力平衡条件可知z 向合外力∑Fz =0，即可得z b c bf k z a f b c abk d ])2([2 d ])2(2[d 0x 0x 0x 0+++++=γσγσσ，(2)其中c 0为土体与钢板间的粘聚力；f 为土体与钢板间的摩擦系数，即f = tan φ0，φ0为土体与钢板间的外摩擦角。

应该注意的是，在情况二的条件下，作用于微元d z 段土体的顶面压力同情况一，而根据前述假定可得，作用于微元d z 段土体的侧面压力仍同情况一，所以此时与情况一的区别主要在于作用于土体横截面上的压力，即相应于式（2）中等号左端的部分与情况二有所不同。

由主动极限平衡理论[4]可知，情况二时作用于d z 微段左端面上任一点的压应力为a x a 2)(k c x k −+γσ，而右端面上相应点的压应力则为a x x a 2)(k c x d k −++γσσ，所以二者在横截面上积分后再相减（因为反向）可得：abd k a x σ，此即为情况二的条件下相应于式（2）中等号左端的部分，即相当于式（2）等号左端项用a k 代替0k 的情况。

可见，两种情况下的微分平衡方程除左端的系数项略有不同外，其余各项均相同。

因此，可以将两种情况下的微分平衡方程统一写成一个式子，即：z b c bf k z a f b c abk d ])2([2d ])2(2[d 0x 0x 0x +++++=γσγσσ，(3)其中k 为网格内土体纵向间的侧压力系数，在情况一时为0k ，在情况二时为a k 。