黄建华 叶剑波
摘要：随着顶管断面尺寸的不断增大，顶管工程对顶推力的需求也在逐步增大。由于滨海软土具有承载力低且压缩性高的特点，因此传统后座墙式的反力结构无法提供安全稳定的顶推反力，其已经不适用于该类地区的顶管工程。为此针对滨海软土地区的顶管工程创新性地提出了一种新型反力结构——重力锚固基础。采用三维有限元分析软件对顶管施工过程中的重力锚固基础进行模拟，研究重力锚固基础的力学特性。结果表明：顶推反力将会造成基础底板的局部应力集中与非均匀变形；
重力锚固基础利用基础底板、凸榫、锚杆和复合地基的组合结构有效抵消了顶推反力，控制了基础底板的位移与变形；
重力锚固基础会因基础底板的向上翘曲变形而损失摩擦力，需使用锚杆控制翘曲变形。相关成果对新型重力锚固基础的设计有重要参考价值。
关 键 词：顶管工程；
重力锚固基础；
滨海软土；
数值分析
中图法分类号：
TU94 文献标志码：
A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.020
0 引 言
顶管技术与传统的明挖工艺相比较，具有开挖面积小、能较好控制地表变形、施工进度快、对交通干扰较小、无需降地下水等优势［1-3］。位于滨海软土地区的福州市白马路、工业路交叉路口顶管工程采用大断面矩形顶管技术进行通道建设，两条并行通道截面长度约47.25 m，大矩形顶管尺寸为9.02 m×9.26 m，小矩形顶管尺寸为9.02 m×6.26 m，顶管断面较大，对顶推力的需求较高。然而在滨海软土地区，土质的低承载力与高压缩性使得大断面顶管的顶推力远超过传统后背墙的土体允许顶力，在施工的过程中极易产生工程事故［4-8］，因此，传统后座墙的工作模式已经不适用于滨海软土地基。针对上述工程情况，采用“自重力+锚固力”的原理设计了重力锚固基础，即基础底板、复合地基（高压旋喷桩满堂加固）、锚杆和钢牛腿的组合共同工作，可以解决滨海软土地区大断面矩形顶管施工过程中传统反力装置刚度不足的问题。
国内外对顶管相关的研究较为成熟。李辉等［9］提出了考虑摩擦力、开挖面附加应力、土体损失三者共同作用下矩形顶管的地层位移计算方法。邓长茂等［10］研究了顶推力的大小和土体的损失程度对地表变形的影响。Amir Khademian等［11］研究了各种开挖情况中沉降估算模型的不确定性。顶管技术的成熟理论使顶管施工方法广泛应用于各种地下工程。商治［12］研究发现经过高压旋喷桩加固后，地基的连续性、完整性和稳定性都获得了提升。冒千如等［13］研究发现高压旋喷桩技术在软土地基的加固效果良好。刘媛等［14］研究发现锚杆在抗滑移、抗倾覆方面效果卓越。陈峥等［15］研究发现锚杆对提高围岩稳定性有显著的帮助。旋喷桩满堂加固的复合地基与锚杆在提升重力式锚式基础的稳定性方面尤为重要。
为了分析重力锚固基础的力学特性，本文建立了重力锚固基础的数值模型，对顶管施工的不同阶段进行模拟分析。研究了重力锚固基础对顶推反力的抵消方式及倾覆力矩和偏心力矩的控制，得出重力锚固基础在顶管施工过程中的工作原理，并对重力锚固基础在顶管顶进过程中产生的隐患提出解决方法，为后续类似顶管工程提供经验与借鉴。
1 工程概况
本文中的顶管工程位于福州市一交叉路口，该路口车流量较大，且附近管线迁动困难，综合考虑城市环境保护、交通管制、工期等因素，采用大断面矩形顶管技术进行通道建设（见图1）。顶管通道为两条并行通道，采用两通道分别顶进的方法进行施工，在完成大矩形顶管的顶进后进行小矩形顶管的顶进，两条并行通道截面长度约47.25 m，大矩形顶管尺寸为9.02 m×9.26 m，小矩形顶管尺寸为9.02 m×6.26 m，使用多刀盘土压平衡矩形顶管机进行掘进。
顶管的断面为大矩形断面，顶进时所需总顶力较大，且附近土层多为中砂与淤泥，传统顶推反力装置设置较难。为解决顶管施工过程中顶力过大、始发井场地小等问题，使用重力锚固基础作为反力装置来提供顶推力。
1.1 工程地质情况
由现场勘探资料可知，重力式锚固基础附近区域的土层主要分为：① 中砂（含薄层淤泥）（Qal+pl4），浅灰、灰色砂土，多为中密状态，饱和，主要成分为石英砂，层厚0.80～2.10 m。② 淤泥质粉质黏土（Qm4），深灰色淤泥，流塑-软塑状态，较为饱和，主要由黏、粉粒组成，含有机质及腐植质，层厚2.60～19.80 m。
工程区域内地表水主要来自临近的白马河，勘测期间水深约为1.0～1.5 m。淤泥质粉质黏土透水性差，土层赋存的地下水较为集中于中砂层中。
1.2 重力锚固基础
重力锚固基础主要由基础底板、钢牛腿、复合地基和锚杆4个部分组成，如图2所示。
基础底板尺寸为58 m（顶进轴线方向）×19.64 m，厚为1.2 m。地基加固采用高压旋喷桩满堂加固，加固后土体强度为6～10 MPa，加固厚度为6 m。钢牛腿通过高强螺栓固定在基础底板之上，千斤顶则由钢牛腿提供支撑力，产生顶推力来顶进顶管的箱涵。基础底板下方设置了9个与底板一体化的凸榫，且采用锚杆与高压旋喷桩满堂加固的复合地基连接，如图2所示。
施工期间，重力锚固基础会承受来自顶推装置的顶推反力。顶推反力在基础底板上的分布并不均匀，由此产生的偏心力矩将会造成基础底板的翘曲变形与转动。锚杆产生的锚固力会与摩擦力、被动土压力一同限制底板的位移与变形。
锚杆与钢牛腿的分布如图3所示。为方便分析，按图3边界位置所示，将基础底板四边分为上边界、下边界、左边界和右边界；
锚杆按布置图分为5排9列共有45根。凸榫与锚杆的编号一致，共有9个，每一个凸榫上布有5根锚杆。钢牛腿每次顶进仅有一列，以靠近左邊界的一列为起始位置，每顶进一定距离就把钢牛腿向右边界方向前移6 m，再次固定使用，依此类推再进行6次顶管箱涵的顶推。大矩形顶管工况与小矩形顶管工况的钢牛腿布设位置沿基础底板长中轴线对称。
2 三维有限元模型
2.1 模型边界条件
运用ABAQUS有限元分析软件对重力锚固基础进行数值模拟。模型各部件的最终尺寸如下：基础底板长56.45 m，宽19.64 m，厚1.20 m；
凸榫长1.00 m，宽19.64 m，厚0.50 m；
旋喷桩满堂加固的复合地基深为6 m；
钢牛腿上底为0.60 m，下底为1.20 m，高0.55 m，厚0.70 m；
锚杆长5 m，直径为32 mm。整体模型尺寸取61.00 m×21.00 m×7.75 m。数值模型如图4所示。
模型边界条件如下：复合地基上表面设置为自由边界，下表面设置XYZ 3个方向位移约束，左右边界设置了X方向位移约束，前后边界设置了Y方向位移约束。
2.2 模型计算参数确定
基础底板采用C40混凝土，结构单元属性设置为弹性模型；
钢牛腿采用Q345b钢材，结构单元属性设置为弹性模型；
锚杆采用HRB400钢材，结构单元类型为桁架。复合地基的土体本构模型选择硬化土本构模型，该模型综合了摩尔-库伦模型与邓肯-张模型的优点，既考虑了土体弹性阶段的非线性变化，也能反映塑性阶段的剪切硬化与体积硬化［16］。
基础底板下方主要为中砂与淤泥质粉质黏土。结合地质勘探报告与数值模拟的相关经验，复合地基的模型参数如表1所列。表2给出了基础底板、锚杆与钢牛腿的模型参数。
通过施加在钢牛腿对应面上的压力模拟顶管顶进过程中产生的顶推反力。在钢牛腿前方基础底板工作区域上施加压力来模拟顶管箱涵对基础底板的压力。
3 结果分析
3.1 结构的变形与应力分析
为比较不同施工进度下基础底板的变形与应力变化情况，现将不同分析步下的基础底板总位移与应力值数据整理为图5与图6。D1～D9位置如图3标注所示，D1～D3分布在大矩形顶管半区，D4～D6分布在中轴线，D7～D9分布在小矩形顶管半区。分析步1～7为大矩形顶管的施工分析步，分析步8～14为小矩形顶管的施工分析步。
由图5～6可知，基础底板的最大总位移与最大应力值皆出现在分析步7的D3点，此时作用于基础底板的顶推反力最大，且箱涵已经基本顶进完成，无箱涵压力限制基础底板的翘曲变形，为顶管施工的最不利工况。
分析步1～7中最大总位移与最大应力值皆出现在大矩形顶管半区的D1～D3，分析步8～14各步的最大总位移与最大应力值则出现在小矩形顶管半区的D7～D9。由此可知，大小矩形顶管施工所造成的影响主要集中在各自工作的半区；
分析步1～7的变化曲线高于分析步8～14的变化曲线，且二者变化规律基本相同。综上所述，为了更加详细地分析重力锚固基础的力学特性，后续的数据分析皆使用大矩形顶管工况的模拟数据。
3.1.1 基础底板的变形与应力分析
重力锚固基础在工作中需维持整体结构的稳定。将重力锚固基础的工况主要分为前中后3个主要阶段，分析其变形特征。
在顶管工程中，两条通道的箱涵并非同时顶进，而是一侧箱涵顶进结束后，再顶进另一侧箱涵。这就造成了顶推反力在基础底板上的分布不均匀，因此产生的偏心力矩与倾覆力矩将会造成基础底板的翘曲变形与转动。将基础底板分为两个部分，有钢牛腿的半区为工作区，无钢牛腿的半区为非工作区。
图7为基础底板的总位移云图。由图可知，基础底板变形主要集中在工作区，非工作区基本无变形；
基础底板变形都集中在钢牛腿区域附近，第一阶段变形最大值出现在3号凸榫处，值为2.91 mm；
第二、第三两个阶段变形最大值皆出现在刚牛腿基面的右下方，最大值为9.86，17.90 mm。
图8为基础底板工作区与非工作区中轴线上各点的竖向位移图。工作区中轴线翘曲变形最大值分别为2.21，8.10 mm与16.20 mm；
箱涵压力促使基础底板与复合地基接触更紧密，其分布的区域竖向位移值为-0.08 mm。
为比较不同阶段下基础底板的顶推方向位移，现将不同阶段的基础底板上下边界位移数据整理为图9。由基础底板侧边位移数据可知，偏心力矩使基础底板出现了下边界负方向、上边界正方向的转动（左边界往右边界为正方向），且下边界移动幅度大。基础底板转动主要发生在钢牛腿的附近，3个阶段的最大侧边位移皆出现在钢牛腿基面。第一阶段与第二阶段转动幅度较小，第三阶段转动幅度较大。
为分析应力在基础底板上的分布规律，选取工作区与非工作区的中轴线上的应力值数据整理为图10。由图可知：基础底板应力主要集中在工作区，非工作区应力较小；
3个阶段的应力最大值都出现在钢牛腿基面处，最大值分别为3.19，4.01，6.11 MPa；
隨着顶推反力的不断增大，基础底板的应力最大值也不断增加，应力分布较为集中。
通过上述数据分析可知，基础底板在3个阶段都发生了翘曲变形与转动。按照作用在底板上的方向可将其分为两类：竖直方向的倾覆力矩与水平向的偏心力矩。3个阶段基础底板的最大翘曲变形都出现在钢牛腿的前方，翘曲变形的主要原因是作用在钢牛腿处的倾覆力矩使底板产生了竖向的位移。而水平向偏心力矩则会使基础底板发生转动，钢牛腿附近区域转动幅度最大。基础底板应力主要集中在工作区的钢牛腿基面处，最大值为6.11 MPa。
3.1.2 复合地基的变形与应力分析
基础底板的结构刚度远大于旋喷桩满堂加固的复合地基，所以基础底板的挤压对复合地基的影响巨大。3个阶段工作区的位移绝对值都远大于非工作区的位移，这使得基础底板对复合地基的挤压主要集中在工作区。
图11给出了顶管施工过程中复合地基的位移云图。从图中位移分布可以看出，复合地基的形变主要集中在与基础底板工作区对应的区域。3个阶段位移最大值分别为0.25，0.27，0.46 mm，位移方向与基础底板工作区位移方向相同。
相比于第三阶段，第一阶段与第二阶段复合地基的形变幅度较小但扰动范围更大，主要原因是基础底板较小的翘曲变形幅度与箱涵压力的限制，使得基础底板与复合地基接触较为紧密，顶推反力可以较为均匀地传递到复合地基中去。而第三阶段顶力较大，基础底板局部变形大，且无箱涵压力限制钢牛腿后方的翘曲变形，顶推反力会较集中地作用在7号、8号和9号凸榫挤压的复合地基处。
图12为不同凸榫处复合地基的应力值数据。复合地基应力主要集中在工作区一侧，非工作区基本无应力分布；
3个阶段复合地基应力最大值都出现在钢牛腿基面后方最近的凸榫处，最大值分别为1.03，1.41，2.15 MPa；
复合地基的应力来自凸榫的挤压，其分布规律与地基位移分布规律基本一致。整个顶管顶进过程中，复合地基的应力最大值为2.15 MPa，小于土体加固后强度，复合地基整体较为安全。
3.2 受力规律分析
3.2.1 顶推反力的抵消方式
重力锚固基础抵消顶推反力主要通过钢牛腿、基础底板与复合地基三者的组合来实现。锚固在基础底板上的钢牛腿承受来自千斤顶的顶推反力，然后将其传递给底板，最后由复合地基来抵消反力。以顶推反力最大的第三阶段为研究对象，以左边界为起始选取工作区中轴线上的10个点，分别提取相应位置处基础底板背面的剪应力大小与翘曲变形距离。
剪应力的变化规律如图13所示。由图可知，在翘曲变形距离为正值时（距左边界距离为45，51，57 m），剪应力为0，此时基础底板与复合地基之间并无紧密接触，无法产生摩擦力。翘曲变形距离在距左边界距离为39 m处开始转为负值，值为-0.1 mm，剪应力出现；
在距左边界距离为27 m处底板竖向位移距离开始稳定为-0.4 mm，剪应力也稳定在10.5 kPa。在基础底板竖向位移距离不为正值的区域，基础底板与复合地基会产生摩擦力去抵消顶推反力。摩擦力的损失主要集中在钢牛腿区域附近。
基础底板的翘曲变形会导致摩擦力的损失，因此控制基础底板的翘曲变形十分关键。在相同工况中，越大的顶推反力会造成更严重的基础底板翘曲变形，损失的摩擦力也就越多，这使得重力锚固基础设计时需要使用较为保守的安全系数。基础底板变形模拟值与实测值曲线较为拟合，出现偏差的原因可能是实际工程中刚牛腿与底板中的预设钢筋相连接，基础底板受力较为均匀，变形较小，曲线平缓。为减少损失的摩擦力，可向锚杆施加预应力，使基础底板与复合地基接触更密切，进一步控制底板的翘曲变形。
以边界位移最大的第三阶段为研究对象。顶管施工第三阶段9个凸榫位移与复合地基应力值关系如图14所示。由图可知，复合地基的应力值与基础底板凸榫的位移呈正相关，复合地基的最大应力值处与基础底板凸榫的最大位移处重合，应力最大值为2.153 MPa，位移最大值为0.46 mm。基础底板凸榫处的位移增大，复合地基应力值随之增大，变化趋势基本重合。
基础底板发生位移时，复合地基将产生被动土压力限制位移。基础底板工作区沿顶推反力方向的位移最大，挤压复合地基的程度最剧烈，这部分复合地基提供了充足的被动土压力去平衡未被摩擦力抵消的剩余顶推反力。
综上所述，重力锚固基础主要通过两部分来抵消顶推力：① 基础底板与复合地基之间产生的摩檫力，② 底板凸榫挤压复合地基产生的被动土压力。土体的加固对于复合地基来说至关重要，不仅要为底板提供足够的竖向承载力，还要承受来自基础底板的水平向反力。
3.2.2 倾覆力矩与偏心力矩的控制
不均匀的顶推反力造成的倾覆力矩与偏心力矩使得基础底板发生翘曲变形与转动，倾覆力矩造成基础底板的翘曲变形，水平向偏心力矩则造成基础底板的转动。上述复合地基应力值与基础底板位移的关系可证明用被动土压力限制基础底板的转动是有效的，复合地基产生的被动土压力抵抗了基础底板的挤压。
以翘曲变形幅度最大的第三阶段为研究对象。锚杆按照图3的标注进行编号。由图15可知，锚杆轴力最大值出现在第1排第9列，值为632.1 kN。由第三阶段基础底板变形特征可知，随距左边界的距离不断增加，基础底板的翘曲变形逐渐变大。每一排锚杆的轴力随基础底板翘曲变形的增大而逐步增大，锚杆的轴力大小与基础底板翘曲变形程度呈正相关。在基础底板发生翘曲变形时，锚杆发挥了限制位移的作用。
综上所述，重力锚固基础主要通过两部分来控制倾覆力矩与偏心力矩的影响：① 使用锚杆加固基础底板与复合地基的连接，利用锚杆的轴力来控制基础底板的翘曲变形。② 利用凸榫挤压复合地基产生的被动土压力限制基础底板的转动。
4 结 论
本文分析了重力锚固基础的变形特征与力学特性，主要得到以下結论：
（1） 重力锚固基础在顶管施工的前两个阶段形变较小，顶推反力传递较为均匀，结构稳定；
第三阶段的重力锚固基础形变幅度最大，顶推反力传递较为集中，需注意结构的失稳。
（2） 倾覆力矩会造成基础底板的翘曲变形，水平向偏心力矩则造成基础底板的转动，重力锚固基础利用锚杆的轴力与复合地基的被动土压力有效控制了变形，基础底板最大位移值为17.90 mm，最大应力值为6.11 MPa，基础底板整体稳定。
（3） 重力锚固基础使用基础底板、凸榫和复合地基的组合抵消了顶推反力，复合地基提供的摩擦力与被动土压力尤为重要，复合地基最大应力值为2.15 MPa，小于土体加固后强度，复合地基未出现剪切破坏。
（4） 重力锚固基础会因翘曲变形过大而损失摩擦力，须使用锚杆控制翘曲变形，设计时需要使用较为保守的安全系数。后续优化设计中可使用预应力锚杆或抗拔桩等措施进一步控制变形。
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（编辑：郑 毅）
Mechanical properties of gravity anchored foundation for large rectangular pipe jacking
HUANG Jianhua1，2，YE Jianbo1
（1.College of Civil Engineering，Fujian University of Technology，Fuzhou 350118，China；
2 Fujian Province Key Laboratory of Underground Engineering，Fujian University of Technology，Fuzhou 350118，China）
Abstract：
With the increasing of pipe jacking section size，the demand for jacking force is also increasing in pipe jacking projects.Since the coastal soft soil is characterized by low bearing capacity and high compressibility，the traditional backseat wall can not provide sufficient push-back force in coastal soft soil area and not suitable for the pipe jacking projects in this area.Therefore，aiming at the pipe jacking projects of coastal soft soil area，a new type of reaction structure，gravity anchorage foundation was proposed.A three dimensional finite element analysis was used to simulate the gravity anchored foundation in the construction stage of pipe jacking，so the mechanical properties of the gravity anchored foundation was obtained.The results show that push-back force can cause local stress concentration and non-uniform deformation of the foundation slab.Gravity anchored foundation uses the combined structure of foundation plate，dowel，anchor and composite foundation to effectively offset the push-back force and control the displacement and deformation of foundation plate.Gravity anchored foundation would lose friction due to upward bending deformation of foundation plate，and anchored bars were used to control the bending deformation.The results can provide reference for the design of the novel gravity anchorage foundation.
Key words：
pipe jacking project；
gravity anchorage foundation；
coastal soft soil；
numerical analysis
收稿日期：2022-03-28
基金项目：国家自然科学基金项目（51678153）；
福建省自然科学基金项目（2021J011064）；
校产学合作开发基金项目（GY-Z17145）
作者简介：黄建华，男，教授，博士，研究方向为特殊土力学、冻结围护结构、地下结构与围护工程等。E-mail：huangjh@fjut.edu.cn
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