有限元滲流分析法在頂管穿堤施工質(zhì)量控制中的應(yīng)用

張 慶 姜 鵬

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

頂管施工技術(shù)屬于非開挖工程的一種，不需要進(jìn)行明挖，補(bǔ)水管道就能穿越公路、地面建筑物等，近年來，在城市市政工程建設(shè)中應(yīng)用比較廣泛，但其施工不可避免地會對頂管周圍的土體產(chǎn)生擾動，同時會改變管道周圍的滲流場，嚴(yán)重時會引起滲透破壞，頂管施工在鉆孔過程中，受擾動周圍土層被水泥漿充填，可通過分析施工期間管道周邊被泥漿充填土層的水力坡降與其臨界水力坡降的關(guān)系判斷施工期間是否會發(fā)生滲透破壞，本文依據(jù)南昌一級補(bǔ)水管道穿贛江南大道段工程，建立等尺度三維有限元模型，分析頂管施工期間的滲流場，判斷是否發(fā)生滲透破壞，可為類似工程提供指導(dǎo)性建議，確保工程施工質(zhì)量。

1 工程概況

一級補(bǔ)水干管穿贛江南大道，頂管段樁號為SG0+168.369～SG0+250.377，管道近似垂直穿過贛江南大道，頂管段補(bǔ)水管道采用2根DN1200K9級球墨鑄鐵管頂管，長度約70m，管軸中心高程20.40m，管道埋深4.3m，管頂與贛江南大道埋深最深的雨污管道凈距1.0m。穿贛江南大道頂管段包括工作井、頂管管道、接收井等，頂管穿越地層主要為人工填土。

2 頂管施工設(shè)計方案

頂管施工會對管道周圍的土體產(chǎn)生擾動，可能引起贛江南大道地面的沉降變形并導(dǎo)致贛江大堤沿頂管段管道周圍形成滲漏通道，根據(jù)本工程的地質(zhì)條件及地下水位埋深，選擇有平衡功能的頂管機(jī)進(jìn)行施工。為減小頂進(jìn)阻力，在間隔一根管節(jié)的同一截面上設(shè)3個灌漿孔，頂進(jìn)過程中加強(qiáng)同步注漿，泥漿采用膨潤土觸變泥漿，在管道周邊盡量形成連續(xù)的環(huán)形泥漿套。管道注漿孔布置示意見圖1，觸變泥漿技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 管道注漿孔布置示意圖

表1 膨潤土觸變泥漿技術(shù)參數(shù)

完成頂進(jìn)后通過采用灌注純水泥漿置換觸變泥漿的措施加固管道周邊土體，防止管道周圍滲漏通道的產(chǎn)生，為確保頂進(jìn)效果，直線頂管水平軸線允許偏差為130mm，采用經(jīng)緯儀或掛中線用尺控制頂進(jìn)方向；直線頂管內(nèi)底高程允許偏差為60mm，采用水準(zhǔn)儀或水平儀控制頂進(jìn)高程。在施工過程中，管道偏差測量每500mm不宜少于1次，在管道糾偏階段不宜少于2次，以確保頂管機(jī)頭在進(jìn)入穿越段之前處于準(zhǔn)確的姿態(tài)。頂進(jìn)結(jié)束后，立即用純水泥漿置換泥漿，灌漿壓力根據(jù)灌漿工藝及地質(zhì)條件確定，宜為0.05～0.1MPa，完成泥漿置換后，采用不銹鋼材質(zhì)的絲堵物質(zhì)封堵灌漿孔。

本文在此基礎(chǔ)上分析施工期間是否會形成滲漏通道，發(fā)生滲透破壞。

3 三維有限元滲流分析原理

三維有限元滲流計算滿足水力學(xué)的連續(xù)性條件，水頭函數(shù)需滿足式(1)及初始邊界件：

(1)

式中：Kx、Ky、Kz為x、y、z向的滲透系數(shù)。

水頭邊界條件：

-h|Γ1=h(x,y,z)

(2)

流量邊界條件：

(3)

求解上述問題的有限元方程可寫成：

[K]{h}={F}

(4)

式中：[K]為滲透矩陣；{F}為邊界已知流量矩陣。[k]、{F}通過計算各單元的[K]e、{F}e后組裝而成。

4 滲流穩(wěn)定計算分析

4.1 水文地質(zhì)資料

贛江南大道為贛江左岸大堤，防洪標(biāo)準(zhǔn)近期100年一遇，為堤路結(jié)合形式，堤身為素填土，本次勘察期間，擬建場地未見明顯的地表水系，擬建場地距贛江東側(cè)約300m，贛江是本省第一大河流，就其水量而言，是長江水系的第二大支流，總長約827km，流域面積8.3萬km2，水量充沛。

土層主要物理力學(xué)參數(shù)見表2。

4.2 計算工況

為驗算頂管施工期間，堤身是否會發(fā)生滲流破壞，計算時選取最不利工況，上游水位采用施工期的最大設(shè)計洪水位24.29m，下游基坑內(nèi)無水，上下游水頭差為8.296m。

4.3 三維有限元模型建立

建立三維有限元模型對本工程進(jìn)行等尺度模擬，模擬補(bǔ)水管道段長70m，工作井以上部分為1∶1自然放坡。上游水位24.29m，下游水位高程與工作井底高程一致，模型底部為固定邊界，上游施加位置水頭邊界條件，為重點(diǎn)分析補(bǔ)水管附近土體的滲流場，模型建立時在補(bǔ)水管外側(cè)建立3cm厚的薄壁單元來模擬施工期的觸變水泥漿，建立的整體有限元模型見圖2。

圖2 補(bǔ)水管道穿贛江南大道三維滲流場模擬模型圖

4.4 計算結(jié)果分析

4.4.1 頂管施工前

為進(jìn)行對比分析，首先對頂管施工前的滲流場進(jìn)行分析，頂管施工前在施工期設(shè)計洪水位工況下滲流場流速分布見圖3，擬進(jìn)行頂管施工部位土體流速分布見圖4。

圖3 頂管施工前施工期設(shè)計洪水位工況下流速矢量圖

從圖3整個滲流場分析，工程最大流速發(fā)生在下游工作井基坑，最大流速為5.703×10-8m/s，根據(jù)達(dá)西定律，已知素填土的滲透系數(shù)K=3×10-5cm/s，可以反推施工前基坑最大滲透坡降為J=0.19，地質(zhì)提供土層允許滲透坡降[J]=0.32，J<[J]，可以判斷工程在頂管施工前、開挖工作井、遭遇施工期設(shè)計洪水位時基坑內(nèi)不會發(fā)生滲透破壞。

圖4 頂管施工前施工期設(shè)計水位工況下擬穿管位置流速矢量圖

根據(jù)圖4取出的擬穿管部位模擬單元的滲流場分析結(jié)果，堤防擬穿管位置最大流速為3.802×10-8m/s，小于滲流場最大流速，該位置不是最危險部位，反推最大滲透坡降為J=0.13 ，J<[J]=0.32，擬穿管附近土體施工前不會發(fā)生滲透破壞。

4.4.2 頂管施工期間

頂管施工期間在施工期設(shè)計洪水位工況下三維滲流場流速分布見圖5，頂管外側(cè)觸變水泥漿薄層單元土體流速分布見圖6。

圖5 頂管施工期間設(shè)計洪水位工況下整體流速矢量圖

圖6 頂管施工期間設(shè)計洪水位工況下水泥漿薄層流速矢量圖

從圖5整個滲流場分析，最大流速仍發(fā)生在工作井基坑，最大流速為5.622×10-8m/s，根據(jù)達(dá)西定律反推最大滲透坡降為J=0.19，J<[J]=0.32，整體不會發(fā)生滲透破壞，其中水泥漿附近最大流速為4.168×10-8m/s，反推最大滲透坡降為J=0.14。

但是考慮到頂管施工期間對頂管附近防洪堤土體的擾動影響，土體參數(shù)會有所降低，從工程偏安全角度考慮，需將原狀土的允許滲透坡降進(jìn)行適當(dāng)折減，結(jié)合已有研究成果，擾動土體滲透系數(shù)乘以0.6的折減系數(shù)是可行的，素填土滲透系數(shù)經(jīng)折減后[J]′=0.192，仍大于水泥漿附近土層的滲透坡降0.14，可初步判斷頂管施工不會引起原有防洪堤的滲透破壞。

此外通過對比分析頂管施工前后滲流場的計算結(jié)果，頂管穿防洪堤施工對堤防的三維滲流場影響不大，流速矢量圖計算結(jié)果基本一致，頂管施工期間，由于水泥漿層的影響，基坑處最大流速由5.703×10-8m/s降低至5.622×10-8m/s，水泥漿層最大流速由3.802×10-8m/s增加至4.168×10-8m/s，變化不大，可見該工程頂管施工對原有堤防的三維滲流場影響較小。

5 結(jié) 論

a.本文通過對南昌一級補(bǔ)水泵站穿贛江南大道段工程的三維滲流場進(jìn)行有限元分析，對比分析頂管施工對三維滲流場的影響，根據(jù)計算結(jié)果求出頂管施工期間的滲透坡降，參考已有研究成果，對允許水力坡降進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼蹨p，通過計算分析，可以確定在施工期設(shè)計洪水位工況下，頂管施工對土體的擾動不會引起防洪堤的滲透破壞，為現(xiàn)場頂管施工提供了技術(shù)支撐，控制了該工程施工期間的工程質(zhì)量。

b.頂管施工對周圍土體的擾動程度目前無法準(zhǔn)確計算，本文僅根據(jù)已有成果對原狀土的允許滲透坡降進(jìn)行了折減，施工中仍需對施工影響范圍內(nèi)的防洪堤加強(qiáng)觀測和監(jiān)測等技術(shù)措施，進(jìn)而將頂管施工對管道外土體的擾動減到最小，同時應(yīng)做好封閉措施，防止水泥漿外漏，頂管施工完成后及時用純水泥漿進(jìn)行置換，避免形成滲漏通道，影響到防洪堤的安全。

c.本文結(jié)合實際工程研究了頂管施工期間滲流場的情況，可以判斷頂管施工是否會引起滲透破壞，但本文并沒有對贛江大道的地基沉降進(jìn)行分析，這需要在今后的工作中，加強(qiáng)研究，找到一種合適的方式對頂管穿堤方案引起的地表沉降量進(jìn)行計算，為工程提供技術(shù)支撐。

d.該工程已實施完畢，并經(jīng)歷了汛期的考驗，項目的成功為類似工程提供了借鑒。