矩形頂管頂推力對上部地表位移影響規(guī)律研究

張建安

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

矩形頂管頂推力對上部地表位移影響規(guī)律研究

張建安

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

矩形頂管憑借空間利用率高、覆土淺等特點(diǎn)在市政工程項(xiàng)目中應(yīng)用得越來越多，但類似的工程案例與研究卻有限。以某過街通道項(xiàng)目為研究對象，采用Midas/GTS軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析矩形頂管施工過程中對上部地表位移的影響。研究發(fā)現(xiàn)頂推力為1.0P（P為開挖面中心處土體豎向壓力）時(shí)矩形頂管對掘進(jìn)面前方土體影響范圍相對最小，為1.0D（D為管片長邊尺寸），開挖斷面橫向影響范圍為±3.5D。同時(shí)探討了頂管上部地表沿頂進(jìn)方向水平位移的變化機(jī)理。

矩形頂管；數(shù)值模擬；影響范圍

0 引言

近年來隨著城市地下空間的開發(fā)，頂管施工越來越多的應(yīng)用到各類市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，其中矩形頂管對比傳統(tǒng)的圓形頂管有空間利用率高、覆土淺等優(yōu)點(diǎn)，因此在過街通道、地鐵出入口等項(xiàng)目中得到越來越多的應(yīng)用[3]。

目前對于矩形頂管施工引起的土體變形計(jì)算方法主要有：經(jīng)驗(yàn)法、解析法、隨機(jī)介質(zhì)理論、數(shù)值模擬計(jì)算等。其中郭亮[1]結(jié)合鄭州中州大道工程探討了頂管施工中的土體沉降規(guī)律。溫鎖林[2]根據(jù)上海軌道交通2號線東延伸段工程金科路站4號出入口地下聯(lián)通道工程分析了矩形頂管施工對環(huán)境的影響。龐臣軍等[4]結(jié)合包頭市阿爾丁大街(內(nèi)蒙古科技大學(xué))地下通道建設(shè)工程，采用數(shù)值模擬研究分析矩形頂管施工影響范圍。王日東[5]利用理論推導(dǎo)對矩形頂管推進(jìn)引起的三維土體變形提供了簡單的理論計(jì)算方法。林曉慶[6]采用FLAC-3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析了矩形頂管施工引起的土體及鄰近地下管線變形和應(yīng)力分布特點(diǎn)。

本文以某過街通道項(xiàng)目（以下簡稱本工程）為例，采用Midas/GTS軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬方法，結(jié)合其他研究人員的結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，分析矩形頂管施工頂推力等對上部地表位移的影響，為今后類似工程設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 工程概況

本工程于下穿道路南側(cè)設(shè)置始發(fā)井，平面投影尺寸為9.4 m×9.2 m；北側(cè)設(shè)置接收井，平面尺寸為5.5 m×8.6 m。頂進(jìn)段全長44.9 m，矩形管片每節(jié)長1.5 m，共30節(jié)，管片斷面凈尺寸為5.5 m× 3.3 m（寬×高），壁厚500 mm，頂面覆土厚度為4.85 m。通道及管片示意圖見圖1、圖2。

工程范圍內(nèi)土層分布自上而下依次為：1-1層雜填土，土質(zhì)松軟；2-2層粉土，中壓縮性，工程地質(zhì)特性較差；2-4層粉砂，中等壓縮性，工程地質(zhì)特性一般；3層粉質(zhì)黏土，工程地質(zhì)特性較好，5層中風(fēng)化巖，工程地質(zhì)特性好。各土層相應(yīng)物理參數(shù)詳見表1，新建頂管通道主要在粉土及粉砂層內(nèi)頂進(jìn)施工。

圖1 通道平面位置示意圖

圖2 頂推管節(jié)斷面圖（單位：mm)

表1 土層及注漿材料物理參數(shù)

2 三維數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算假設(shè)

參考其他研究人員對頂管施工的數(shù)值模擬研究工作[5-7],文中對計(jì)算模型做如下的假定:（1）土體為均質(zhì)、各向同性、理想彈塑性體；（2）不考慮管道接頭的影響，將其為各向同性的線彈性體；

（3）頂管正面推進(jìn)力為矩形均布荷載，地層損失沿管道軸向均勻分布；

（4）頂管推進(jìn)過程中不考慮土體時(shí)間效應(yīng)，只考慮頂進(jìn)空間位置的變化。

2.2 計(jì)算模型

分析采用Midas/GTS有限元分析軟件，綜合考慮本項(xiàng)目的范圍，考慮三維模型尺寸為122 m（沿通道長度）×70 m（寬度）×29.7 m（深度），如圖3所示。始發(fā)井、接收井結(jié)構(gòu)、頂管管片材料參數(shù)等詳見表2。

圖3 分析模型示意圖

表2 結(jié)構(gòu)材料物理力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算工況

本次分析僅模擬頂管頂進(jìn)施工過程，始發(fā)井及接收井在頂進(jìn)前已施工完成。模擬分析時(shí)，通過激活、鈍化不同區(qū)域單元模擬矩形頂管頂進(jìn)過程，每頂進(jìn)一節(jié)管片為一步施工工況。通過修改管片外一層單元參數(shù)來模擬管片外注漿。由于共頂進(jìn)30節(jié)管節(jié)故本工程可分為30個(gè)推進(jìn)步，結(jié)合初始階段和最后機(jī)頭進(jìn)入接收井的施工，可將本工程分為32個(gè)施工工況。施工工況示意如圖4所示。

圖4 施工工況示意圖

3 結(jié)果分析

3.1 地面沉降分析

頂管施工引起土體位移的主要因素有以下幾種：（1）土體損失；（2）正面附加頂推力；（3）頂管機(jī)頭、管片與土體間的摩擦力。其中正面頂推力對穩(wěn)定頂進(jìn)面，減小地面沉降變形尤為重要。根據(jù)土力學(xué)基本理論，開挖面土體的側(cè)壓力可取K0γh（K0為土體側(cè)壓力系數(shù)，一般可取0.5～0.7）。

選取正面頂推力為頂管中心深度土體側(cè)向力0.7P（kPa），頂進(jìn)22.5 m時(shí)（工況16，機(jī)頭行至地面道路中心線處）沿頂進(jìn)軸線方向地表沉降曲線如圖5所示，根據(jù)曲線分析可知，地表沉降最大值約11.2 mm。頂進(jìn)面前方約10 m，即約1.5D（D為管片長邊尺寸）時(shí)地表土體受到擾動開始沉降，頂進(jìn)面后方7.5 m（約1.2D）之后土體沉降基本達(dá)到穩(wěn)定的最大值，可見土體在頂進(jìn)面前后2.7D范圍之內(nèi)完成大部分沉降變形，后續(xù)隨著頂進(jìn)機(jī)頭的遠(yuǎn)離，土體的沉降幾乎不再有所變化，該影響范圍較其他研究人員的結(jié)論[4，6]（約3D）相似。

圖5 頂推力為0.7P時(shí)頂進(jìn)至22.5 m處地表沉降曲線

為分析機(jī)頭正面頂推力對沉降的影響，分別計(jì)算頂推力為0.5P、0.7P、1.0P、1.5P、2.0P時(shí)機(jī)頭頂進(jìn)至22.5 m處的頂管中心線上方地表沉降，如圖6所示，頂進(jìn)面后方土體沉降變形及沉降范圍基本相似，但機(jī)頭前方土體變形則有一定差異，放大該區(qū)域如圖7所示。

圖6 不同頂推力時(shí)頂進(jìn)至22.5 m處地面沉降曲線

圖7 不同頂推力時(shí)頂進(jìn)至22.5 m處機(jī)頭前方地面沉降曲線

由圖7可知，在本工程中，當(dāng)機(jī)頭頂推力大于1.0P時(shí)，頂進(jìn)面前方地表由于土體被擠壓發(fā)生隆起，2.0P時(shí)隆起最大值約1.0 mm；當(dāng)機(jī)頭頂推力小于1.0P時(shí)，頂進(jìn)面前方土體發(fā)生較大范圍沉降，當(dāng)選取頂推力為1.0P時(shí)，前方土體雖然也會發(fā)生沉降，但其沉降的范圍僅為1.0D，較其他頂推力情況（1.5D～3.5D）為最小。因此對于本工程，為盡量減小頂推施工對前方土體的影響范圍，選取頂推力為1.0P是合理的。

不同頂推力情況下，頂進(jìn)面地表橫向沉降曲線如圖8所示。由圖可知，不同的頂推力作用下，地面橫向曲線的沉降最大值有所不同，但橫向影響范圍幾乎一致，約為3.5D，這與其他研究人員的研究結(jié)果[6]相近似。

圖8 不同頂推力時(shí)頂進(jìn)至22.5 m處地面道路橫向沉降曲線

3.2 地表水平變形分析

現(xiàn)階段的研究更多地關(guān)注頂管施工對地表沉降的影響，對于地表的水平位移研究有限。當(dāng)選用適當(dāng)?shù)捻斖屏r(shí)，地表會隨著頂管施工的推進(jìn)而發(fā)生沿頂進(jìn)方向的水平位移，如圖9所示。由圖可知，頂管上部地表會由于頂管施工發(fā)生沿頂進(jìn)方向的位移，變形曲線也近似于正態(tài)分布曲線，影響范圍與地面沉降槽范圍幾乎相同，約為3.5D。

圖9 頂進(jìn)不同距離時(shí)22.5 m斷面處地表沿頂進(jìn)方向水平位移

提取22.5 m斷面頂管中心軸上方地表點(diǎn)的位移隨頂進(jìn)過程的變化曲線如圖10所示。可發(fā)現(xiàn)當(dāng)頂管機(jī)頭靠近該點(diǎn)正下方時(shí)，地表位移會發(fā)生與頂進(jìn)相反的回縮。究其原因，當(dāng)機(jī)頭還未到達(dá)地表該點(diǎn)正下方時(shí)，該點(diǎn)的水平位移主要因逐漸靠近的機(jī)頭頂進(jìn)面的頂推力造成，而當(dāng)機(jī)頭到達(dá)并通過該點(diǎn)正下方時(shí)，由于切削土體以及土層損失的作用，地表發(fā)生向機(jī)頭開挖面沉陷的位移，造成地表沉降的同時(shí)，發(fā)生與頂進(jìn)方向相反的水平位移，待機(jī)頭通過后管片開始在后座千斤頂?shù)淖饔孟峦七M(jìn)，雖然有注漿等減阻措施，但地表土體仍然會受到管片的摩擦作用而產(chǎn)生沿頂進(jìn)方向的水平位移。因此減小管片與土體之間的摩擦阻力是減小地表水平位移的重要措施。

圖10 22.5 m斷面處地表中心點(diǎn)沿頂進(jìn)方向水平位移

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬分析，研究矩形頂管施工對上部地表位移的影響，可得結(jié)論如下：

（1）矩形頂管施工時(shí)不同的頂推力作用下導(dǎo)致地表的沉降范圍大大不同。針對本工程而言當(dāng)選取頂推力為頂進(jìn)面中心處土體自重壓力的一倍時(shí)，對機(jī)頭前方土體的影響范圍最小，約1.0D（D為管片長邊尺寸）。

（2）就本工程而言矩形頂管上部地表的沉降槽及地表水平位移影響范圍約為±3.5D。

（3）造成頂管上部地表沿頂進(jìn)方向的水平位移的主要因素可能有機(jī)頭頂進(jìn)面頂推力的作用以及后續(xù)管片推進(jìn)過程中對土體的摩擦帶動作用，其中后者的影響更大。因此選用適當(dāng)?shù)淖{措施減小管片與土體間的摩擦是控制地表水平位移變形的重要措施。

[1]郭亮.大斷面矩形頂管施工中的土體沉降規(guī)律分析[J].建筑施工,2014,36(6):731-732.

[2]溫鎖林.大斷面矩形頂管施工對環(huán)境影響研究[J].中國市政工程,2011（5）：37-39.

[3]彭立敏，王哲，葉藝超，等.矩形頂管技術(shù)發(fā)展與研究現(xiàn)狀[J].隧道建設(shè),2015，35(1):1-8.

[4]龐臣軍，鮑先凱.矩形頂管施工的數(shù)值模擬研究[J].施工技術(shù), 2013(42):410-412.

[5]王日東.矩形頂管施工引起的土體變形計(jì)算方法研究[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014，32(5):711-722.

[6]林曉慶.矩形頂管施工對鄰近地下管線的影響分析[D].廣州:廣州大學(xué),2012.

[7]楊朝帥.大斷面矩形頂管隧道施工土體穩(wěn)定性分析[J].低溫建筑技術(shù),2016(4)：131-134.

U412.37+3.1

A

1009-7716（2017）08-0266-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.084

2017-04-10

張建安（1987-），男，江蘇揚(yáng)州人，碩士，工程師，主要從事地下工程的設(shè)計(jì)和研究。