黃土地區頂管施工土體沉降規律研究

汪建中

（安徽省高等級公路工程監理有限公司，安徽 合肥 230601）

0 引言

頂管施工過程中不可避免地會引起地層變形和地面沉降。當地層變形和地面沉降達到一定的程度，就可能威脅臨近既有建筑和地下管網的安全。因此，預測和控制地層變形和地面沉降，是頂管施工需要考慮的主要問題[1－3]。

本文基于西安地區某頂管工程，頂管埋深為6m。模型管道的直徑為3 000mm。頂管施工過程中，要穿附近城市道路，因此，頂管頂進過程中，為了保證不影響城市道路交通運行，需要研究頂管施工過程對周圍環境所產生的影響。本文通過數值模擬，分析頂管頂進過程對周圍土體穩定性的影響[4]。

1 數值模擬方法

1.1 基本假定

由于現場開挖地質的復雜性，施工過程中的不確定性影響因素較多。因此，本文頂管開挖過程的模擬作以下假定：

a）土體為均勻的各向同性體；

b）采用位移貫入法來實現頂管的頂進過程；

c）由于頂管機頭的剛度遠大于土體剛度，不考慮開挖過程中頂管機頭的變形過程；

d）在頂管的推進過程中不考慮土體的時間效應，僅僅考慮頂進的空間效應。

1.2 模擬過程的實現

1.2.1 初始應力的模擬實現

由于頂管埋深較淺，初始應力場可視為重力場。為了避免初始應力變形對開挖后圍巖變形的影響，首先通過對頂管開挖前的初始應力狀態進行模擬，提取該狀態時的各積分點應力，然后在頂管開挖前進行應力反加，消除頂管開挖后初始應力對周圍土體的變形影響，從而實現初始地應力的模擬。

1.2.2 應力損失的模擬實現

頂管開挖過程中，支護不及時所致圍巖的初始應力損失，通過對管道開挖面的土體參數弱化來實現[5]。

1.2.3 開挖及支護的模擬實現

通過ABAQUS中的關鍵字*remove及*add來實現管道的開挖支護。

2 模型建立及參數選取

有限元模型如圖1所示。開挖步驟以開挖50cm，頂進30cm的工況進行開挖。對現場頂管施工進行模擬分析。

圖1 模型網格劃分及尺寸圖

本次計算采用Mohr－Coulomb等面積圓屈服準則，其表達式為：

式中，I1、J2分別為應力張量的第一不變量和應力偏張量的第二不變量，其中：

式中，α、k是與巖土材料內摩擦角φ和粘聚力c有關的常數，α、k滿足下列表達式：

Mohr－Coulomb等面積圓屈服準則是與Mohr－Coulomb破壞準則準確匹配的巖土材料塑性屈服準則，應用Mohr－Coulomb等面積圓屈服準則可取得較為精確的結果。模型的參數按照現場勘測結果及相關規范進行選取，如表1所示。

表1 圍巖及襯砌的物理力學參數

3 數值結果分析

3.1 拱頂沉降結果分析

圖2給出了不同頂管前進距離，圍巖z方向位移變化云圖。由圖2知，頂管前方20cm圍巖拱頂、拱底z方向位移最大。隨著開挖距離的增大，未施作頂管部位土體的拱頂、拱底變形范圍不斷擴大，一直延伸到地表，導致地表沉降的發生。

圖2 圍巖z方向位移

在施工過程中，頂管要及時頂進，以減小開挖面土體的應力釋放，控制地表沉降。

圖3給出了頂管頂進16m時，距洞口不同距離L處拱頂z方向位移變化趨勢。由圖3可知，L小于2m時，z方向位移值較小；L大于2m時，隨L值的不斷增大，拱頂位移值逐漸趨于平穩，峰值位移約為9mm。

圖3 拱頂z方向位移-距洞口距離變化

圖4給出了距洞口2m的斷面的拱頂位置z方向位移隨著開挖步驟的變化趨勢。通過圖4可以看到，當開挖到該斷面時拱頂的z方向位移瞬間增大，達到近8mm左右，然后隨著開挖步驟的進行，該點的拱頂z方向位移變化不大，并逐漸趨于穩定。

圖4 拱頂z方向沉降-隧道開挖步驟的變化曲線

3.2 地表沉降結果分析

圖5給出了隧洞地表沉降的分析點的具體位置。

圖5 隧洞地表點位置

圖6給出了距離開挖洞口9m處的一個斷面，分析在x方向上頂管開挖對地表沉降的影響結果。通過圖6可以看到，在開挖隧洞的正上方地表沉降最大，約4mm。地表沉降位移由隧洞中心向兩邊逐漸減小。

圖6 沿x方向的距離-地表z方向的沉降曲線

圖7給出了頂管施工完成后，管道上方地表沉降峰值沿管道軸向變化趨勢。由圖7可知，隨L不斷增加，地表沉降呈上升趨勢。頂管施工中后期，應加強地表沉降監測，保障頂管施工安全。

圖8給出了L為9m處斷面上不同深度土體的沉降位移。通過圖8可以看到，隨深度的增加，z方向的沉降值越大。也就是越靠近頂管，土體z方向位移越大。

圖8 地表埋深-地表z方向的沉降曲線

圖9給出了L為9m處斷面A、B、C、D四點地表沉降隨開挖步的變化情況。由圖9可知，A點沉降值最大，且隨開挖步的增加逐漸趨于穩定；D點沉降值最小，開挖步的增加對其沉降值影響不大，說明地表沉降測點離管道中線越近，沉降值越大；C點沉降值較小，因此可以初步判斷，頂管施工時其對地表沉降的橫向影響范圍約為距管道中心線6m的距離，因此距中心線兩側總的影響距離為12m。

圖9 地表z方向沉降-隧道開挖步驟的變化曲線

頂管施作后，地表沉降在較小范圍內就趨于穩定。頂管施作前后對管道軸線方向地表沉降的影響范圍約為8m。

4 結語

通過對頂管施工后管道拱頂的變化趨勢分析可知，在頂管施工中，拱頂沉降隨著距洞口距離的增大變化不大，而且拱頂沉降受開挖步驟的影響較小，說明管道頂進及時，可以有效地控制頂管過程中的拱頂位移。通過對距管道某斷面不同距離范圍內地表沉降的影響分析，得到了開挖面對地表的影響范圍約為8m×12m，從而對管道安全施工提供一定指導和幫助。

[1]馮海寧，龔曉南，徐日慶.頂管施工環境影響的有限元計算分析[J].巖石力學與工程學報，2004，23（7）：1158-1162.

[2]施成華，彭立敏，劉寶琛.盾構法施工隧道縱向地層移動與變形預計[J].巖土工程學報，2003，25（5）：585-589.

[3]楊曉杰，鄧飛皇，聶雯，等.地鐵隧道近距穿越施工對樁基承載力的影響研究[J].巖石力學與工程學報，2006，25（6）：1290-1295.

[4]黃宏偉，胡昕.頂管施工力學效應的數值模擬分析[J].巖石力學與工程學報，2003，22（3）：400-406.

[5]張黎明，鄭穎人，王在泉，等.有限元強度折減法在公路隧道中的應用探討[J].巖土力學，2007，28（1）：97-106.