基于FLAC 3D的頂管施工誘發地表沉降作用機理研究

劉余欣，易飛，徐裕華，樊莉

（1.南昌大學第一附屬醫院，江西 南昌 330006；2.江西工業貿易職業技術學院，江西 南昌 330038）

1 引言

頂管施工憑借其無需開挖、對周邊環境影響小等優點，在城市地下工程中被廣泛應用，尤其是在交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下構筑物和管線復雜的市區。但頂管施工時易擾動其周圍的土層，引起地表的沉降，嚴重時將導致地面建筑物的變形開裂[1，2]。頂管施工造成地表沉降的因素眾多，除了施工工藝、土層特性等因素，頂管的半徑大小也是影響地表沉降的一個重要因素。根據國內外學者提出的相關概念及經驗公式可知[3，4]：管徑越小，引起的地表最大沉降量越小；管徑越大，引起的地表沉降量越大。

近幾年來，南昌市的建設量不斷增加，市政、地鐵等地下工程相繼開工，頂管施工被廣泛應用于地下工程的建設中。在此背景下，研究頂管施工在不同管徑條件下的地表沉降規律是極為有必要的，可以為南昌市的類似工程參考。

圖1 頂管施工實景圖

2 頂管施工引起地面沉降的因素分析

頂管施工導致地面沉降的根本原因是其對周圍土體的擾動產生的地層損失。頂管施工對土體產生的擾動會改變土體自身的孔隙水壓力與土壓力，同時引起地下水位的變化，最終導致地表的沉降。根據已有的相關研究，頂管施工過程中地層損失出現的主要因素有以下幾點[5-7]。

2.1 頂管管節外圍存在的環形空隙

為減小頂進過程中的摩擦力，后續管節的直徑一般要比工具管小2～5cm，故工具管頂進后管道外圍與土體之間存在空隙，如果泥漿不能夠及時填充，管節周圍土體會由于應力釋放作用而填充空隙，最終引起地層損失。

2.2 頂管過程中工具管的糾偏

頂管施工過程中常需要使用工具管對頂進的方向進行糾偏。一方面，糾偏過程中，預偏轉方向一側的土體會在工具管的擠壓作用下產生變形，嚴重時會出現較大位移；另一方面，預偏轉方向另一側的土體會和管節間產生空隙，管節周圍土體可能在重力等作用下填滿空隙，最終造成地層的損失。

2.3 工具管進出工作井

工具管進出工作井洞口時，若洞口空隙封堵不及時往往也會產生較大的地層損失引起較大的地層損失。

2.4 管節的回彈

頂管施工過程中有時需要對管節進行更換，此時主千斤頂系統會進行卸荷，管節會在卸荷的作用下產生回彈，嚴重時會造成開挖面土體的坍塌，進而引起地層損失。

3 研究方案

根據頂管施工技術及驗收規范中關于頂管直徑的相關規定及參考國內典型工程的頂管直徑大小，本文數值模擬計算方案選取圓形頂管的直徑分別為1m、1.5m和2m。為了避免其它因素不統一對地表沉降產生的影響，本文的頂管埋深統一選取為地下8m，管線施工全長統一設為50m，頂進速度一致，頂管管道的材質統一設為鋼筋混凝土，穿越的地層均為硬粘土層，表層土均為軟粘土。

圖2 計算方案示意圖

4 數值模擬計算

4.1 數值模型的建立

結合南昌市的典型地層特性，建立不同管徑下頂管施工的三維有限元模型。為了避免邊界效應對模型計算產生的影響，將模型X方向的長度設置為40m，Y方向的長度設置為50m，Z方向的長度設置為40m。使用8節點六面體等參單元對模型網格進行劃分，按照距離頂管管節的遠近，將相應的土體網格由疏到密進行劃分，最終的模型網格劃分圖如圖3所示。

圖3 模型網格劃分圖

4.2 材料的參數及其本構模型

南昌地區不同區域的粘土分布較為廣泛，其表層一般為軟粘土，地下深層廣泛分布有硬粘土。本文通過一系列室內土工試驗并參考南昌市地鐵1、2、3號線的相關勘察報告，最終確定了頂管施工中各個材料力學參數的數值，如上表所示。

土體的應力應變關系和屈服準則在低應力條件下應分別符合理想彈塑性模型和摩爾庫倫屈服準則。具體到本次數值模擬計算利用到的材料，硬粘土、軟粘土及注漿材料的本構模型均為彈塑性模型，屈服準則為摩爾庫倫屈服準則。在土體荷載的作用下混凝土材料的應變隨應力成正比增加，基本處于彈性階段，故管節的本構模型為線彈性本構模型。

4.3 數值計算中頂管施工的實現方法

頂管施工在實際工程中是一個連續漸進的過程。在數值模擬中為了方便對頂管的施工過程進行模擬，通常將其簡化成非連續的分步頂進過程。通過將頂進結束后模型的區域設置為空模型和改變材料的相關參數來體現土體的開挖和管節的頂進。在數值模擬前，應預先在模型中設置土體的開挖單元、管節單元和注漿體單元。本次模擬以每次頂進5m為基礎，管道頂進5m時，將開挖結束后的土體網格單元設置為空模型，同時將該段范圍內管節及注漿體的材料參數進行修改以模擬管節和注漿體。循環以上操作，直至50m的開挖全部完成。

材料物理力學參數表

4.4 模擬結果分析

利用FLAC3D軟件對以上建立的模型進行計算，獲得頂管施工結束后不同頂管管徑條件下土體的豎向位移，從平行于Y方向的地表取40個監測點，從40個監測點中讀取地表的沉降數值并將其繪制成沉降曲線圖，如圖4所示。

由圖4可知，頂管施工完成后地表面的沉降呈漏斗形，且距離管道中心越近，土體的沉降越大，最大沉降出現在管道的正上方。當管徑為1.0m時，地表土體最大沉降為0.35m；當管徑為1.5m時，地表土體最大沉降為0.57m；當管徑為2.0m時，地表土體最大沉降為0.8m。由以上可知，管徑每增加0.5m，地表最大沉降增加約40%～60%。從圖中還可以看出，頂管管徑在施工過程中主要影響地表最大沉降量，而對地表的整個沉降范圍影響相對較小。隨著管徑的增加，地表沉降范圍逐漸變大，大約是距管道軸線2～5倍管徑的區域沉降量超過2mm。

圖4 頂管頂進結束后地表沉降量

5 結論

本文首先對頂管施工引起地面沉降的因素進行分析，然后以南昌市典型工程為背景，建立三維有限元模型對不同管徑條件下頂管施工引起地面沉降的過程進行數值模擬，得到的結論主要如下：

①地表沉降橫向受影響區域為距管道軸線左右2～5倍的管徑范圍內，地表最大沉降出現在管道軸線正上方；

②頂管管徑越大，頂管施工引起的地表沉降越大，對地表的影響范圍越大，反之越小。頂管管徑在施工過程中主要影響地表最大沉降量，而對地表的沉降范圍影響相對較小。