頂管施工對直立式邊坡穩(wěn)定的影響

馬煜佳，郭夢圓，郭林林

(1. 中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230；2. 水利部珠江水利委員會技術(shù)中心， 廣東 廣州 510611)

1 概述

頂管施工作為一種非開挖式的施工方法，由于具有可穿越障礙物、對地面交通影響小、建筑公害少、施工工期短等特點而被廣泛應(yīng)用于目前市政、水利工程的管道鋪設(shè)之中[1]。但當(dāng)頂管穿越河堤、公路、橋梁等建筑物下方時，一方面由于開挖頂進(jìn)過程中不可避免的會對土體產(chǎn)生擾動；另一方面由于超挖及糾偏導(dǎo)致了土體損失，因此，施工可能會造成地面沉降，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等不利影響[2]。目前，國內(nèi)大量研究工作主要集中在頂管施工引起的土體沉降變形方面。如鄧根等基于廣州某地鐵工程實測資料，提出了用于預(yù)測隧道開挖引起的地表沉降的修正Peck公式[3]。陳小丹等通過MIDAS GTS軟件，探究了污水頂管對供水渠沉降的影響[4]。曹宇春等通過ABAQUS軟件，探究了不同摩阻力及支護(hù)壓力對地面沉降的影響[5]。廖建三等通過ANSYS軟件，研究了頂管材料及直徑的差異對地面沉降的影響[6]。王曉凡等通過FLAC3D軟件，模擬了頂管施工頂進(jìn)過程中不同位置土體的位移變化規(guī)律[7]。

當(dāng)頂管穿越堤壩時，其造成的土體損失與擾動會改變土體的應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致土體內(nèi)部某一面的剪應(yīng)力增加或土體本身抗剪強(qiáng)度的減小，使得土體從高處向低處滑動的趨勢變得更加明顯[8]。因此，為確保整個堤防的安全，有必要對頂管穿越對堤壩邊坡穩(wěn)定的影響進(jìn)行研究。

本文以廣州市白云區(qū)某凈水廠污水管道的頂管施工為例，采用有限元分析方法，探究頂管施工對邊坡穩(wěn)定的影響，為今后類似工程施工提供參考。

2 工程背景

2.1 工程概況

廣州市白云區(qū)某凈水廠配套主干管網(wǎng)工程采用泥水平衡式頂管施工法，排污管管底設(shè)計標(biāo)高約為-2.15～0.56 m，埋深約為6.35～10.40 m，管軸線距堤前沿為5～6 m。頂管機(jī)外徑為1 860 mm，管材采用鋼筋混凝土管，管道內(nèi)徑為1 500 mm，壁厚為150 mm，單節(jié)管長為2 m，接口采用柔性接頭F型鋼承口。頂管從現(xiàn)有河堤下部穿過，堤防等級為4級，設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。工程斷面及各部分尺寸見圖1。

2.2 工程地質(zhì)情況

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和鉆孔揭露，場區(qū)內(nèi)主要土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

圖1 工程典型斷面示意(單位：m)

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

由于本文重點分析施工完成后的邊坡穩(wěn)定情況，因此，采用ABAQUS軟件建立二維平面應(yīng)變模型。土層深度為17.4 m，寬度方向為60 m，采用Mohr-Coulomb彈塑性模型。管道彈性模量為35 GPa，泊松比為0.18，容重為25 kN/m3；管道與土體之間的注漿層彈性模量為0.3 MPa，泊松比為0.48，容重為20 kN/m3；擋墻彈性模量為4.9 MPa，泊松比為0.21，容重為22 kN/m3；樁土結(jié)合部分采用復(fù)合地基抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，其中素填土層c、φ值分別為10.5 kPa、8.4°，淤泥質(zhì)粘土層c、φ值分別為11.6 kPa、8.1°。模型的邊界條件：上表面為自由面，用以模擬地面，左右兩側(cè)邊界限制水平位移；下表面限制水平及豎向位移。采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法，模型中間網(wǎng)格較為密集，邊緣網(wǎng)格較為稀疏，模型網(wǎng)格劃分示意如圖2～4。

圖2 模型整體網(wǎng)格

圖3 管道及注漿層

圖4 擋墻及下部基礎(chǔ)

3.2 研究方法

1) 采用生死單元法模擬土體開挖

最初將需要開挖的土體單元處于“生”的狀態(tài)參與地應(yīng)力平衡，而后將其“殺死”并將注漿層及管道單元激活用以參與后續(xù)計算。

2) 通過注漿層模擬地層損失

目前，對于土體損失的模擬主要有兩種方式：① 通過邊界單元模擬地層損失，即在邊界單元上用指定平移的方式模擬地層損失引起的土體移動；② 通過調(diào)整注漿層的厚度模擬地層損失，本文采用后者。工程中一般認(rèn)為土體損失量Vloss=πR2η，其中R為開挖半徑，η為土體損失率[9]。韓煊等通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得到η的范圍總體在0.22%～6.9%之間[10]；魏綱等整理了國內(nèi)27個工程實例，得到η的分布范圍主要在0.773%～7.712%之間[11]。在本文依據(jù)經(jīng)驗取2.5%，由此得出土體損失約為5 cm。

3) 使用強(qiáng)度折減法得到安全系數(shù)

有限元強(qiáng)度折減法在計算邊坡穩(wěn)定時運(yùn)用的極為普遍，其基本原理為在保持外荷載不變的情況下，通過折減系數(shù)的變化，降低土體的c、φ值，最終使土體達(dá)到屈服破壞，此時的折減系數(shù)即為傳統(tǒng)意義上的安全系數(shù)[12]。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 施工前后邊坡穩(wěn)定變化

分別建立施工前、后對比模型，對施工前模型進(jìn)行地應(yīng)力平衡、強(qiáng)度折減；對施工后模型進(jìn)行地應(yīng)力平衡、施工開挖、強(qiáng)度折減。從圖5中可以看出，開挖后地面沉降的模擬值與實測值的沉降規(guī)律相同，說明用本文研究中采用的建模方式是相對合理的。相比較而言，地表沉降實測值總是大于模擬值，其原因可能為施工現(xiàn)場車輛等臨時荷載對沉降的影響。

圖5 沿頂管橫斷面地表沉降模擬值與實測值比較

圖6為在ABAQUS強(qiáng)度折減分析中得到的Fs～U1曲線(Fs為安全系數(shù)，U1為水平位移)。從圖6中可以看出，2條曲線均存在明顯的拐點，即在某一時刻，土體出現(xiàn)塑性貫通區(qū)，導(dǎo)致位移迅速增加。開挖前、后拐點位置對應(yīng)的Fs值分別為1.49和1.41，說明頂管施工會導(dǎo)致安全系數(shù)系數(shù)的下降，對邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

圖6 開挖前后有限元模型的Fs～U1曲線

為進(jìn)一步探討不同因素對邊坡穩(wěn)定的影響，本文在后續(xù)研究中采用單一土層參數(shù)進(jìn)行影響因素分析。地下土層是復(fù)雜不均勻的，若變化管道位置，可使其處于不同的土層中，因此，在進(jìn)行影響因素討論時，為了便于變量控制，消除因土體變化導(dǎo)致的結(jié)果差異，將土體簡化為1層，采用表1中淤泥質(zhì)粘土的參數(shù)進(jìn)行建模計算。

4.2 土體損失對邊坡穩(wěn)定的影響

控制管道尺寸不變，土體損失率分別取2%、4%、6%、8%、10%、12%進(jìn)行對比分析，變化趨勢如圖7所示。從圖7中可知，安全系數(shù)隨著土體損失率的增大而減小，當(dāng)土體損失在4%～8%區(qū)間內(nèi)時曲線斜率較大，說明此時安全系數(shù)降低的較快。曲線中安全系數(shù)最小值較初始值降低約7.3%。

圖7 安全系數(shù)隨土體損失的變化

4.3 管徑對邊坡穩(wěn)定的影響

控制土體損失率不變，管道直徑分別取1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m建模計算，得到管徑對邊坡穩(wěn)定的影響如圖8所示。隨著直徑的增加，安全系數(shù)逐漸降低且有減小速度加快的趨勢。管徑為4 m時的安全系數(shù)相較于管徑為1 m時的安全系數(shù)降低約6.9%。

圖8 安全系數(shù)隨管道直徑的變化

4.4 管道埋深對邊坡穩(wěn)定的影響

管道埋深分別取2 m、3.5 m、5 m、6.5 m、8 m、9.5 m、11 m進(jìn)行建模分析，埋深不同導(dǎo)致的邊坡穩(wěn)定變化如圖9所示。隨著管道埋深的增加，安全系數(shù)首先緩慢減小，在深度為4～6 m的位置附近時減小速度加快，達(dá)到最小值后又逐漸增大到原始值附近，總體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。從圖10中可知：管道附近的滑弧深度為5 m左右，由此可知在滑弧附近開挖管道對邊坡穩(wěn)定的影響較大，安全系數(shù)降低約11.4%。當(dāng)埋深較小或較大時，對邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生的影響較小。

圖9 安全系數(shù)隨管道埋深的變化

圖10 有限元強(qiáng)度折減法土體位移示意

4.5 管道水平位置對邊坡穩(wěn)定的影響

管道距前沿的水平距離分別取4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m進(jìn)行建模分析，得到如圖11所示的曲線。從圖11中可知：安全系數(shù)隨著水平距離的增大而增大，即越遠(yuǎn)離滑弧區(qū)域頂管開挖造成的影響越小，距前沿4 m處較14 m處安全系數(shù)降低約10.7%。

圖11 安全系數(shù)隨管道水平位置的變化

5 結(jié)語

國內(nèi)諸多學(xué)者對頂管施工影響的論述，主要集中在土體沉降規(guī)律方面，本文采用有限元軟件ABAQUS建模,分析其對邊坡穩(wěn)定的影響，并通過變量控制探討不同因素的影響規(guī)律。通過研究得出以下結(jié)論：

當(dāng)土體損失率小于4%或大于8%時，安全系數(shù)降低的較為緩慢，而當(dāng)損失率處于4%～8%之間時，安全系數(shù)降低較快，因此，施工中應(yīng)盡量將損失率控制在4%以內(nèi)。

隨著管徑的增大，安全系數(shù)降低的速度加快，說明管徑越大對邊坡穩(wěn)定造成的不利影響越明顯，因此，相較于小直徑管，當(dāng)采用大直徑管道時更應(yīng)關(guān)注邊坡穩(wěn)定情況。

通過變化管道的水平位置和埋深，發(fā)現(xiàn)當(dāng)管道處于滑弧面附近時，對邊坡穩(wěn)定的影響較大，安全系數(shù)降低達(dá)到10%以上，距離滑弧面越遠(yuǎn)，則影響越小。因此，設(shè)計管道時應(yīng)使其盡量避開滑動剪切面。