雙頂管施工下穿既有電力方涵的安全影響分析

吳至帆

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

隨著我國市政道路的增多，城市路網不斷加密，地面以及地下的（建）構筑物、管線越加復雜，采用明挖法施工敷設新的地下管線的方案越來越困難。為了減少對地下構筑物安全的影響，非開挖的管線施工方式已成為市政給排水管道的最佳施工方案之一[1]。頂管施工技術的主要優點是對周圍環境影響小、綜合成本較為經濟、施工工期較短等。但是隨著頂管尺寸、數量的增加，頂管施工所產生的路面沉降的問題也日益突出。如果頂管下穿工程的施工，不能有效地控制沉降、變形，那么會很容易對既有的地下構（建）筑物的結構產生影響，從而造成安全隱患。

本文以南昌市某新建道路排水工程（以下簡稱本工程）為背景，采用Midas/GTS軟件進行三維數值模擬，結合其他研究人員的結論進行驗證，對排水管道頂管施工下穿時的上部電力方涵結構的變形進行了分析，以期指導本工程實施，也為今后類似工程設計施工提供參考。

1 工程概況

本工程原排水設計方案為4.5m×1.5m雨水箱涵，基坑深度開挖約為7m，基坑支護采用12m長拉森鋼板樁明挖支護方案。然而基坑開挖過程中，發現該箱涵排入河道出水口段上部存在一處5.15m×1.8m電力方涵，電力方涵為鋼筋混凝土結構，方涵內有電力纜線，涵頂距離現狀路面下約60cm，橫跨本工程該段雨水箱涵施工范圍。因此，根據現場實際條件，對原設計方案進行調整，采用2根DN2000鋼頂管下穿電力方涵后，排入河道。雙頂管間凈距為2.5m，頂進長度為12m，頂管工作井內凈尺寸為8.9m×5m，工作井基坑采用拉森鋼板樁+內支撐的支護方式。頂管工程平面位置關系見圖1，剖面豎向位置關系見圖2。

圖1 頂管平面布置圖

圖2 頂管剖面圖（單位：m）

工程擬建場地地貌單元屬贛撫沖積平原贛江Ⅰ級堆積階地。地層構成主要由第四系上更新統沖積相粘性土及砂礫層和第三系下統新余群粉砂巖組成。土層分布自上而下依次為：1層素填土：主要成分為粘性土，少量碎石、細砂；2層淤泥質黏土：軟塑，工程地質特性較差；3層粉土：干強度、韌性低；4-1層粉質黏土：干強度、韌性中等，底部砂性重；4-2層粉質黏土：干強度、韌性中等，底部砂性重；5層細砂：顆粒大小均勻，級配差。根據區域水文地質條件及本次勘察查明，擬建區間地下水類型主要為上層滯水、第四系松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙水三種類型，場地混合穩定水位埋深7.25m，混合穩定水位標高平均值為12.76m。本工程DN2000鋼頂管主要在2層淤泥質黏土及4-1層粉質黏土層內頂進施工。各土層相應物理參數詳見表1。

表1 主要土層物理參數

2 三維模擬模型建立

2.1 建立有限元模型

采用MidasGTS有限元分析軟件建立三維有限元模型見圖3、圖4。綜合考慮本項目的整體范圍，模型長度為100m，寬度為50m，高度為35m。土層采用摩爾庫倫模型，三維實體單元，頂管管節采用線彈性模型，板單元[2]。

圖3 三維模型整體示意圖

圖4 頂管模型圖

2.2 計算假設

結合本工程實際情況及參考其他研究人員對頂管施工的施工模擬研究論著[2-4，7]，對頂管模擬模型做出如下假定:

（1）土體模型采用基于摩爾-庫倫模型，土層為均質、各向同性、理想彈塑性體；土體模型的側邊和底邊施加位移邊界條件，均為法向約束，而模型頂面為自由邊界不約束位移；

（2）頂管結構采用各向同性的線彈性體，不考慮管道接頭的影響；

（3）為簡化計算，采用圓形均布荷載模擬頂管正面推進力，地層損失沿管道軸向均勻分布；

（4）頂管頂進過程中只考慮頂進空間位置的變化，不考慮土體時間效應；

（5）頂管施工過程中引起的土體損失率為根據地質與地區經驗估算：本工程頂管位于粉質黏土層中，土體損失率一般為0.5%～2.5%。

2.3 計算工況

由于考慮到頂管施工的各個階段都會對路面及周圍構筑物產生一定的影響，因此本次分析僅模擬頂管頂進施工過程，工作井基坑在頂管頂進前已施工完成[6]。計算工況主要分為：（1）未施工前的原始應力狀態；（2）1#頂管與2#頂管分先后順序進行施工作業（暨1#頂管施工完畢后再施工2#頂管）；（3）兩根頂管同時施工作業。在不同工況下得到對應的既有電力方涵的沉降數據，繪制其變化曲線，并進行分析。

3 結果分析

頂管施工引起路面沉降或結構變形的過程是一個較為復雜的過程，其中包含了變形的傳遞以及應力的傳遞。頂管頂進施工時會首先引起頂管周圍的應力產生變化，而后應力重新分布的過程引起周圍土體的變形甚至破壞[4]。

當1#頂管與2#頂管分先后順序依次頂進施工時，既有電力方涵的沉降值見圖5。由圖中可得，整個施工過程中對電力方涵產生的沉降值基本呈現為正態分布。1#頂管施工時，電力方涵的最大沉降值為4.2mm，而2#頂管頂進時的電力方涵最大沉降值為7.5mm。2#頂管作業時產生的影響更大。

當1#頂管與2#頂管同時頂進施工時，既有電力方涵的沉降值見圖6。由圖中可知，整個施工過程中對電力方涵產生的沉降值基本呈現為正態分布。2根頂管同時施工時，電力方涵的最大沉降值為8.5mm，大于分先后順序施工產生的沉降值。

圖5 雙頂管依次頂進引起的電力方涵沉降曲線圖（單位：mm）

圖6 雙頂管同時頂進引起的電力方涵沉降曲線圖（單位：mm）

參考規范《給水排水工程頂管技術規程》（CECS 246:2008）中第13.2.4條款：頂管造成的地面沉陷不應造成道路開裂，公路沉陷量小于或等于20mm。考慮此電力方涵的重要性，結構沉降變形的控制值取為10mm，因此，模擬計算得出的電力方涵沉降值可滿足相關要求。

綜上所述，并排的多根頂管同時作業對既有電力方涵產生的影響大于單一頂管施工所產生的影響，但是其中的差值并不特別大。

4 結論

本文依托南昌市某新建道路排水工程，通過有限元數值模擬分析，分析了雙頂管施工對上部既有電力方涵結構的影響。研究結果表明：雙頂管同時并行施工和單一先后施工對既有結構沉降的影響有著差異，雙頂管同時并行施工產生的影響更大。在實際工程中，因為工期等綜合因素，也可采用雙頂管施工，但是需加強施工期間對于既有構筑物結構沉降的監測，并做好相關的保護措施。上述規律與結論，對于今后雙頂管下穿既有構筑物過程中的變形控制及周邊環境影響評估具有一定的參考價值。