深層平行雙頂管對海堤沉降的影響分析

顧 威，曹 坤，鄒 恒，王弘元

［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］

0 引 言

我國東南沿海為臺風(fēng)常登陸地區(qū)，海堤受損情況屢有發(fā)生，一旦海堤損毀往往會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。穿越海堤堤身進(jìn)行排海管頂管施工會擾動(dòng)周圍土層，使地層原始應(yīng)力發(fā)生改變和土體平衡狀態(tài)遭到破壞，對海堤的地表沉降、整體穩(wěn)定、滲流等都將產(chǎn)生不利影響。頂管穿堤施工必須采取措施，嚴(yán)格控制施工過程對于堤身各方面的不利影響。本文結(jié)合工程實(shí)例，通過經(jīng)驗(yàn)公式方法及數(shù)值模擬方法對頂管施工影響海堤的地表沉降進(jìn)行研究分析，為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

浙江海鹽某污水處理廠工程規(guī)模20 萬m3/d，尾水排放以鋪設(shè)管道形式就近排放入杭州灣，排放管采用頂管施工，管材采用DN1800 鋼管，排放管需穿越錢塘江入海口北岸海堤，相應(yīng)區(qū)段堤頂高程8.2 m，海堤下方頂管中心標(biāo)高為-14.0 m，頂管直徑為1.8 m，兩頂管中心距為5.25 m。土層地質(zhì)參數(shù)見表1。

2 Peck 法海堤沉降分析

頂管施工對地面沉降受施工機(jī)械、施工工藝、土層性質(zhì)、地下水和施工人員的素質(zhì)、經(jīng)驗(yàn)等條件影響，影響因素較多，計(jì)算條件較復(fù)雜。國內(nèi)外對頂管施工引起的地面變形問題都做了大量研究，目前Peck 法在工程界得到廣泛運(yùn)用。

2.1 P eck 法計(jì)算頂管施工引起海堤沉降

Peck 法[2]通過對大量地面沉降數(shù)據(jù)分析，提出地面沉降槽呈擬正態(tài)分布的概念（見圖1），認(rèn)為土體移動(dòng)由土體損失引起，施工引起的地面沉降是在不排水、不固結(jié)、體積不可壓縮的條件下發(fā)生的，所以沉降槽體積應(yīng)等于土體損失體積，橫向地面沉降估算公式為：

圖1 頂管橫向沉降示意圖

2.2 修正P eck 法計(jì)算雙頂管施工引起海堤沉降

上述公式只能對單根頂管的沉降進(jìn)行計(jì)算，采用疊加原理對式（1）進(jìn)行修正，以計(jì)算兩根頂管時(shí)地面的橫向沉降（見圖2）。

表1 土層地質(zhì)參數(shù)

圖2 平行頂管橫向沉降示意圖

L 為兩根頂管的中心距，當(dāng)兩根頂管相距較遠(yuǎn)時(shí)，可不考慮兩根管道相互影響；若兩根相距較近時(shí)，必須要考慮兩者之間的相互影響，在式（1）的基礎(chǔ)上，根據(jù)疊加原理推導(dǎo)出如下公式來計(jì)算兩根頂管時(shí)海堤地表的橫向沉降。

當(dāng)頂管施工a 管時(shí)，此時(shí)的地面橫向沉降公式為：

兩根頂管均施工完畢后，地面橫向沉降公式為：

運(yùn)用Peck 法及修正公式計(jì)算海堤堤頂處沉降值，堤頂沉降橫向分布如圖3 所示。

圖3 頂管穿堤堤頂橫向沉降曲線圖（P e ck 法）

如圖3 所示，頂管施工后，海堤地表沉降對稱分布，最大沉降出現(xiàn)在頂管中心處。單根頂管施工完成后，堤頂沉降為4.76 mm；平行雙頂管施工完成后，堤頂最終最大沉降為8.79 mm。雙頂管相較于單根頂管增大了堤頂?shù)某两抵怠?/p>

3 數(shù)值模擬法海堤沉降分析

隨著有限元法和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬法在預(yù)測分析頂管施工引起的地層變形中被廣泛應(yīng)用。有限單元法可以考慮地層結(jié)構(gòu)，適應(yīng)復(fù)雜邊界條件，提供更為豐富全面的計(jì)算成果。

當(dāng)前主要表現(xiàn)：其一，思想觀念錯(cuò)位。高校外部治理結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了松散管理、集權(quán)管理、分權(quán)管理，再到集權(quán)管理、現(xiàn)代化治理等多次變革和探索的輪回，很多人思想中沒有高等教育“兩治”現(xiàn)代化的概念，看不到“兩治”現(xiàn)代化的功能作用，對高校法人治理模式的認(rèn)識仍停留在傳統(tǒng)的認(rèn)識階段。其二，原因分析缺位。雖注意到了存在的問題，但對問題原因的探究感到茫然，缺乏具體的對策。需要進(jìn)一步研究存在的問題及原因，有針對性的提出“兩治”現(xiàn)代化的對策，為黨和國家的決策以及教育實(shí)踐的開展提供理論依據(jù)。

3.1 有限元模型的構(gòu)建

構(gòu)建數(shù)學(xué)模型模擬分析頂管施工對海堤所產(chǎn)生的影響，模型設(shè)置頂管直徑為1.8 m，兩頂管中心距為5.25 m。海堤頂管中心標(biāo)高為-14.0 m，海堤堤頂標(biāo)高現(xiàn)狀為8.2 m。通過試算確定對海堤變形無明顯影響時(shí)的模型邊界取值范圍，左、右側(cè)邊界自頂管中心線起均取40 m，下側(cè)邊界自堤頂以下取40 m。

地基土層主要包括四個(gè)土層，由上而下分別是①塘身填土、②粉土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，更深部分則被看作完全堅(jiān)硬，以合適的邊界條件加以模擬。

頂管有限元模型中包含了土體、頂管等結(jié)構(gòu)。其中土體采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型；鋼管采用線彈性模型；土-結(jié)構(gòu)接觸面采用界面單元模擬，鋼管結(jié)構(gòu)與土體在材料性質(zhì)有較大差異，為了滿足有限元理論位移協(xié)調(diào)原則，需要在兩種材料之間加設(shè)界面單元。通過加設(shè)界面單元的方式可以有效模擬鋼管與土體之間的相對位移。

土孔隙水壓力分布是靜態(tài)水壓，水位高程取其平均高潮位，為2.55 m。海堤堤頂沉降的計(jì)算模型如圖4 所示，模型采用15 節(jié)點(diǎn)單元為基本單元類型，共有266 個(gè)單元、2245 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖4 海堤堤頂沉降的計(jì)算網(wǎng)格圖

3.2 數(shù)值模擬計(jì)算分析

根據(jù)頂管施工的先后次序，數(shù)值模擬分為兩步。

3.2.1 第一條頂管施工后的地表沉降

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖5 所示：第一條頂管施工后，海堤地表沉降沿頂管對稱分布，最大沉降出現(xiàn)在頂管中心軸線處，頂管上方的地層沉降隨深度增加而增加，在接近頂管頂端位置達(dá)到最大，頂管下方土體沉降較周圍土體變小。頂管軸線正上方地表沉降最大，向左右沉降分別逐漸減小，最大沉降為3.63 mm。

圖5 第一條頂管施工后模型豎向位移圖（云圖）

3.2.2 第二條頂管施工后的地表沉降

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖6 所示：第二條頂管施工后，海堤地表沉降對稱分布，最大沉降出現(xiàn)在兩頂管中心位置，頂管上方的地層沉降隨深度增加而增加，在接近頂管頂端位置達(dá)到最大，在頂管下方土體局部沉降減小。平行雙頂管中軸線正上方地表沉降最大，向左右沉降分別逐漸減小，兩根平行頂管對于地表沉降具有部分重疊影響，最大沉降為7.14 mm。

圖6 第二條頂管施工后模型橫向位移圖（云圖）

4 數(shù)值分析法與Peck 法對比分析

通過以上兩種方法計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，無論是單頂管還是平行雙頂管，數(shù)值分析法和Peck 法計(jì)算結(jié)果顯示土體的變形規(guī)律是一致的，海堤地表沉降呈對稱分布，最大沉降值均發(fā)生在管道中心軸線處，向左右沉降分別逐漸減小（見圖7）。

圖7 頂管穿堤堤頂橫向沉降曲線圖（數(shù)值分析法）

平行雙頂管引起地表沉降最大值兩種計(jì)算方法的結(jié)果比較，數(shù)值分析法比Peck 法小18.8%。Peck法出于簡化公式的原因，未能考慮地質(zhì)參數(shù)等因素，導(dǎo)致結(jié)果有差異。

平行雙頂管引起海堤地表沉降影響寬度兩種計(jì)算方法結(jié)果略有不同，根據(jù)劉建航沉降槽影響寬度系數(shù)計(jì)算公式得到的沉降槽影響半寬約35 m，而數(shù)值分析法得到的沉降影響半寬約25 m（見圖8）。

圖8 平行雙頂管穿堤堤頂橫向沉降曲線對比圖

5 結(jié) 語

通過沉降經(jīng)驗(yàn)公式、有限元數(shù)值模擬等研究手段計(jì)算分析了深層雙頂管施工對海堤的影響，得到以下結(jié)論：

（1）頂管施工引起的海堤地面沉降受多種因素的影響，主要有頂管覆土厚度、頂管外徑、開挖面壓力、地層物理力學(xué)性質(zhì)、施工條件等[2]，根據(jù)規(guī)律，頂管穿堤工程可制定對海堤影響較小的方案。

（2）平行雙頂管施工土體位移規(guī)律：第一根頂管施工后，鋼管左右土體有靠近頂管的水平移動(dòng)；土層沉降對稱分布，最大沉降出現(xiàn)在頂管中心軸線處，頂管上方的地層沉降隨深度增加而增加，在接近頂管頂端位置達(dá)到最大，在頂管下方土體的位移隨著土層損失率的增大而增大，頂管下方垂直位移可能會由向下變?yōu)橄蛏希咏艿椎牡胤阶畲蟆５诙敼苁┕r(shí)對于土體的獨(dú)立影響規(guī)律與第一根頂管相似，疊加作用導(dǎo)致兩頂管之間區(qū)域受到雙重?cái)_動(dòng)，產(chǎn)生的海堤地表沉降較大。隨著平行頂管中心間距的增大影響逐漸減小。

（3）深層頂管引起海堤地表的沉降較小，沉降呈對稱分布，平行管道中軸線正上方地表沉降最大，向左右沉降分別逐漸減小。通過Peck 法計(jì)算和有限元數(shù)值模擬計(jì)算橫向地表沉降，兩種研究方法的計(jì)算結(jié)果顯示土體的變形規(guī)律基本一致，相互印證了兩種方法的合理性。Peck 法出于簡化公式的原因，未能考慮地質(zhì)參數(shù)等因素，計(jì)算結(jié)果比數(shù)值分析法較大。

（4）Peck 法沉降槽寬度影響系數(shù)并未考慮土層的分層沉降、地質(zhì)條件等因素，需要結(jié)合實(shí)際情況，評估頂管施工的影響范圍。