某頂管施工錢塘江大堤地表沉降監測與有限元分析

田獻東　張開偉　許沿　王擁文

摘 要：結合杭州七格污水處理廠三期尾水排江管道工程穿越錢塘江大堤實體工程，實測管道穿越大堤前后的地表沉降數據，分析地表沉降變化特征以及沉降觀測斷面情況。結合頂管設計參數，采用二維有限元方法建立計算模型，分析地基土體的變形規律以及改變管道周邊孔隙充填泥漿強度后地表沉降的變化量。

關鍵詞：杭州七格污水； 錢塘江大堤； 二維有限元； 移動變形規律； 充填泥漿

中圖分類號：TU478 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2013）08-179-001

一、前言

頂管施工以其不需開挖、對周圍環境影響較小等優點而在城市管線的建設和改造中得到推廣和應用。在埋深較大、位于交通干線附近和周圍環境對位移、地下水狀況等有嚴格限制的地段，采用頂管法施工較為安全和經濟[1]。

頂管施工引起的土體變形機理國內外許多學者已進行了不同程度的分析研究。R.B.Peck（1969）[2]提出地面沉降槽擬正態分布，得出橫向地面沉降估算公式。

魏綱[2]等根據現場實測數據以及應用理論分析法，系統的研究了頂管施工地表沉降計算公式、考慮水平平行頂管相互擾動的地表沉降計算方法。

二、工程概況

1.工程設計及施工概況

杭州市七格污水處理廠三期排江工程穿堤頂管施工的管道共有兩根，一根為排江主管，另一根為應急排放管。采用C50鋼筋砼預制F型管，管道內徑為2.4m，外徑為2.88m，厚度為240mm，節長2.5m；排江管應急排放管管道的中軸線起點標高均為-11.0m，排江管道管中軸線的終點標高為-24.50m，應急排放管管中軸線終點標高為-22.55m。排江管道和應急排放管為2.95%的向下坡度直線頂管。

2.監測點布置情況

頂管穿越段海塘地表沉降點按4排布置，內坡腳、堤頂內口側、擋浪墻頂以及外江坡腳各設1排，每排埋設11個沉降觀測點。

三、地表沉降監測成果分析

頂管穿越錢塘江大堤期間進行了全過程的實時跟蹤監測，選取兩管中心上方地表沉降測點繪制時間-沉降關系曲線，如圖1所示。

對頂管施工引起地表沉降的計算，目前工程實踐中普遍采用的是Peck提出的地表沉降橫向分布估算公式。本工程錢塘江大堤地表3個特征斷面的實測情況顯示：地表測點累計沉降量較小，累計沉降最大值為36.3mm。累計沉降量從管道中心線向兩側逐漸減小，基本呈正態分布。根據沉降分布曲線，受頂管機掘進施工影響，管道中西線兩側20m范圍內測點累計沉降量相對較大。

四、有限元計算成果分析

為模擬管節與開挖面之間的孔隙對地表沉降的影響，建立計算模型時，將孔隙部分土體強度弱化，如圖2所示。模型計算時，如果不考慮孔隙對地表沉降的影響，兩管道中心線上方地表沉降量為14mm，小于現場實測值。將孔隙部分土體強度弱化70%后，兩管道中心線上方地表沉降量為32.5mm，接近現場實測值，所以弱化孔隙土體強度進行有限元計算更合理。

五、結論

（1）管道穿越地表測點正下方土層時，地表沉降速率最大，機頭通過后，地表沉降速率逐漸減小。橫斷面測點累計沉降量從管道中心線向兩側逐漸減小，基本呈正態分布，管道中西線兩側20m范圍內測點累計沉降量相對較大。

（2）建立有限元計算模型時，為模擬實際工況使計算值更接近現場實測值，需將管道與開挖面之間的孔隙土體強度進行弱化處理，本文模型將孔隙土體強度弱化70%后，計算值與現場實測值相吻合。

參考文獻：

[1]楊林德.軟土工程施工技術與環境保護[M]北京：人民交通出版社，2000

[2]魏綱，陳春來，余劍英.頂管施工引起的土體垂直變形計算方法研究[J]巖土力學，2007，28（3）：619-623