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。

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。

图1 顶管偏压受荷示意

2.1 工程简介

表1 土层-结构物理力学参数

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。

图2 管道结构受力示意(单位:k Pa)

2.3 管道承载与破坏形态

图5 偏压作用下管道应变

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

3.1 偏斜角度的影响

图8为不同偏斜角对应的 zui 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zui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8 不同偏斜角对应的zui大拉应力

图9 不同偏斜角度对应的应变集中区域

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。

3.3 顶进荷载的影响

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zu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 1 不同顶进力对应的zui大拉应力

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。