頂管電纜隧道施工對鄰近建筑物和地下管線的擾動影響

馬險峰，陳 飛，吳 冰，胡 超，曹明洋

(1.同濟大學地下建筑與工程系，上海 200092；2.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092；3.喀什大學土木工程學院，喀什 844006；4.國網浙江省電力有限公司經濟技術研究院，杭州 310007)

隨著中國城市化進程不斷加快，土地資源變得極為稀缺。大直徑頂管電纜隧道作為城市輸供電網的重要配套設施，不僅能顯著提高電纜線路的輸送能力，而且有利于城市土地資源的充分利用，已經被廣泛地應用于中國的城市電網建設中[1-3]。電纜隧道的建設往往需要穿越密集的建筑物群和既有的城市地下管線，而電纜頂管隧道作為淺埋基礎設施[4]，易對鄰近的建筑物和既有地下管線造成擾動。因此，頂管電纜隧道施工時尤其需要考慮其對鄰近淺基礎建筑物和地下管線的擾動影響。目前，中外許多研究學者通過有限元數值計算、物理模型試驗和現場實測等方法探究了頂管隧道施工對鄰近的建筑物和既有地下管線造成的擾動影響規律，并發表了相應的科研成果[5-8]。楊金虎等[9]采用數值模擬方法，研究了雙層頂管隧道施工對土體豎向變形的影響規律，研究表明頂管隧道開挖引起的土體沉降主要是由于地層損失引起的。李明宇等[10]通過對某雙線矩形頂管隧道的現場實測，研究了雙線頂管隧道施工過程中地面沉降變化規律和分布特征。韓煊等[11]通過機理研究和實測數據提出隧道施工過程中預測建筑物沉降曲線的方法。但是，以上研究關于采用土工離心機試驗探究頂管隧道施工對鄰近淺基礎建筑物和地下管線的擾動影響還不多見，而且現有關于隧道施工過程中預測建筑物沉降曲線的方法也沒有考慮土體內摩擦角的影響。基于此，現以上海地區軟黏土為例，采用離心機模型試驗和有限元數值方法開展不同地層損失率工況下頂管電纜隧道施工對淺基礎建筑物及地下管線的影響研究，并提出用于評估頂管施工對鄰近淺基礎建筑物擾動影響的修正Peck公式。研究成果將為頂管電纜隧道的建設提供一定的參考依據。

1 離心模型試驗

相關研究表明地層損失是隧道開挖引起地層變形的主要原因[12]。采用離心機試驗模型試驗，探究不同地層損失率下頂管電纜隧道施工對鄰近淺基礎建筑物和地下管線的擾動影響規律。

1.1 試驗工況

試驗在同濟大學的TLJ-150復合型巖土離心試驗機上開展。工程中頂管施工產生的平均地層損失率在1%～3%范圍內[13]，因此，分別設置地層損失率為1%、2%和3%的3個工況來進行離心機模擬。采用排液法模擬不同地層損失率的工況，測定不同地層損失率下頂管電纜隧道施工時地表沉降、鄰近普通磚混建筑物和鑄鐵管線及混凝土管線的沉降變形，分析頂管隧道施工對鄰近建筑物和地下管線擾動影響。地表沉降和建筑物沉降采用激光位移計測量，管線變形采用應變片測量然后積分得到。

1.2 模型設計和制作

模型箱的尺寸為500 mm(寬)×800 mm(長)×500 mm(高)，試驗模型布置圖及構件詳圖如圖1所示。

圖1 試驗模型布置圖及構件詳圖

1.3 隧道、建筑物和管線模型設計

采用鋁合金空心管模擬隧道結構，試驗中相似比N=50，根據等效剛度原理[14][式(1)]，可得出試驗結構材料參數如表1所示。

表1 模型參數表

(1)

式(1)中：Em、Ep分別為模型和原型的彈性模量；νm、νp分別為模型和原型的泊松比；tm、tp分別為模型和原型的厚度；N為相似比，N=50。原型基礎的Ep=25 GPa，tp=200 mm，νp=0.2；基礎模型的Em=207 GPa，νm=0.29，計算得到鋁板基礎模型厚度tm=1.95 mm，此處取2 mm。

1.4 實驗步驟

為了保證在離心機中固結時隧道周圍溶液延長度方向能均勻分布，將乳膠套延隧道長度方向均分為兩段，每段長為220 mm。已知頂管管節模型外徑為60 mm，乳膠膜直徑為70 mm，可得出1%、2%和3%這3個地層損失率對應的每個乳膠套需要累計排出液體量分別為8.5、17和15.5 mL。試驗的詳細步驟如下。

(1)模型箱填土，安裝并固定好新建隧道后覆土固結。

(2)埋設地下管線和安裝建筑物模型并固結。

(3)打開第一個乳膠膜電磁閥，啟動電機，通過電機運動時間換算得排液8.5 mL時依次關閉電機和電磁閥。

(4)打開第二個乳膠膜電磁閥，啟動電機，通過電機運動時間換算得排液8.5 mL時依次關閉電機和電磁閥。

(5)測定既有管線應變值和建筑物4個角點沉降值，固結一段時間后再測量，得出地層損失率為1%情況下頂管施工對鄰近建筑物和既有管線的影響。

(6)重復以上步驟，得出地層損失率為2%和3%情況下頂管施工對鄰近建筑物和既有管線的影響，試驗模型圖如圖2所示。

圖2 試驗模型圖(1∶10)

1.5 試驗結果和結論

地表沉降由試驗前后對應位置激光位移計示數差換算得到[圖3(a)]，建筑物不均勻沉降由靠近隧道面底板和遠離隧道面底板激光位移計示數差換算得到[圖3(b)]。通過對應變片原始數據進行整理分析，得到不同地層損失率條件下頂管隧道開挖對混凝土管、鑄鐵管的擾動影響規律，計算結果如圖4(a)和圖4(b)所示。

圖3 不同地層損失率下的地表沉降和建筑物不均勻沉降

圖4 不同地層損失率下混凝土管線和鑄鐵管線變形曲線

由試驗結果可知：隨著地層損失率的增大，地表沉降和建筑物沉降差顯著增大，這與文獻[15]中報道的現場測試結果一致;隨著地層損失率的增大，鑄鐵管和混凝土管豎向變形均顯著增大，但鑄鐵管的豎向變形小于混凝土管，這也說明了地下管線剛度的增加可以有效減小鄰近頂管隧道施工的擾動影響。

2 有限元數值模擬

采用PLAXIS 3D2016有限元軟件研究軟黏土地層頂管電纜隧道施工過程中不同地層損失率對鄰近淺基礎建筑物及地下管線的擾動影響規律。

2.1 數值模型的建立與計算參數選取

為了模擬頂管電纜隧道施工對鄰近建筑物和地下管線的擾動影響，分別建立頂管電纜隧道-土體-淺基礎建筑物和頂管電纜隧道-土體-地下管線的共同作用模型，并在模擬中做出以下假設：①模型中的每層土體各向同性，且都遵循Drucker-Prager(D-P)準則；②不考慮頂管機頭和管道連接處的影響，認為管道的材料為各向同性的線彈性體；③正面頂推力的加載面與工具管的切削面大小相同，并且頂推力均勻分布在這個圓面上；④在頂管施工模擬過程中不考慮土體變形的時間效應，僅僅考慮頂進空間距離上的變化；⑤不考慮施工前土體自重應力產生的變形；⑥地下管線與土體始終保持接觸，不發生相對滑動。

模型中土體的幾何寬度和深度為分別取80 m(X向)和40 m(Y向)以減小邊界效應對模擬計算的影響。土體模型的頂面為自由面無約束，底部施加完全固定約束，兩側豎直邊界施加滑動約束(Ux=0，Uy自由)。本次數值模擬擬采用小應變硬化土模型(hardening soil model with small strain stiffness，HSS)來模擬土體的變形特性，建筑物、頂管電纜隧道和地下管線采用線彈性本構模型。本次數值模擬采用上海交通大學測定的上海地區軟黏土參數，如表2、表3所示。電纜頂管隧道、建筑物和地下管線的計算參數分別如表4～表6所示。

表2 土層參數

表3 土層參數

表4 建筑物參數

表5 頂管電纜隧道參數

表6 地下管線參數

2.2 數值模擬工況和結果分析

數值模擬工況：頂管電纜隧道模型的直徑為3 m，埋深為5 m，管節為3 m，總頂進距離為33 m，管道周圍摩阻力取3 kPa，機頭壓力和注漿壓力都取管道中心處靜止土壓力119.6 kPa。分別取地層損失率為1%、1.5%、2%、2.5%和3%共5個工況下頂管電纜隧道開挖對鄰近淺基礎建筑物和地下管線的影響規律開展數值模擬研究。數值計算得到曲線如圖5所示，數值計算結果表明：在地層損失率為1%～3%范圍內，隨著地層損失率增加，建筑物不均勻沉降和管線豎向位移最大值皆逐漸增大，且數值模擬的計算結果與前述的離心機試驗結果趨勢一致。

圖5 數值模擬曲線

2.3 Peck公式的修正

韓煊等[11]提出一個考慮建筑物結構剛度的建筑物沉降曲線的預測方法，計算公式為

(2)

式(2)中：

(3)

KS=βMβdβgβHK

(4)

βM=0.70M0.2

(5)

(6)

(7)

式中：s(x)為采用修正公式得到的地面任一點的沉降值，m；AL為隧道截面積，m2；VS為修正的地層損失率(考慮隧道和建筑物的夾角為α時)；KS為修正沉降槽寬度參數；z0為隧道軸線埋深，m；x為距隧道軸線的橫向水平距離，m；V為地層損失率;βM為建筑物剪切剛度修正系數；M為建筑物截面剪切剛度，109N；G為梁板柱等建筑物構件的剪切模量，N/m2；ζ為建筑物有門窗洞口時的剛度折減系數；A為對應建筑物構件的截面積，m2；βd為考慮基礎埋深的沉降槽寬度參數修正系數；h為基礎埋深，m；βg為建筑物自重對建筑物沉降的沉降槽寬度參數修正系數，取βg=1；βH為考慮建筑物與隧道軸線之間距離的沉降槽寬度參數修正系數，取βH=1；K為沉降槽寬度參數;φ為土的有效內摩擦角。

對于Peck曲線中沉降槽寬度系數K的取值，目前應用最多的O’reilly等[16]提出的經驗取值法(即根據不同的土質直接賦予其經驗值，一般規定軟黏土取0.7)。由于軟黏土有效內摩擦角并不是一個固定值，不同地區、成因的軟黏土的有效內摩擦角會有差異。對工況相同但所在土層有效內摩擦角不同的頂管電纜隧道開挖進行了數值模擬分析，得到了對應的地表沉降曲線，將從這些地表沉降曲線中分析得出的沉降槽寬度系數值進行研究，擬合得出了其與土體有效內摩擦角的對應公式。利用Origin2019軟件進行曲線擬合，根據散點圖規律假設擬合函數形式為

y=Ae-x/t+y0

(8)

圖6 沉降槽寬度系數與土體有效內摩擦角關系

通過處理，得到A=22.98,t=0.66,y0=3.466，因此得到軟黏土沉降槽寬度系數K與其有效內摩擦角的對應關系為

(9)

由于該修正公式是基于數值計算結果總結提出的，為了證明該修正公式的正確性，將該公式應用于杭州蕭山燃機頂管項目[頂進距離為600 m(沉降已相對穩定)時11號監測點]地表沉降預測(即將建筑物剛度修正系數取1用于預測地表沉降)，將該修正公式預測的地表沉降曲線與現場監測數據及未修正的Peck沉降曲線進行對比，結果如圖7所示。

圖7 未修正及修正后的Peck沉降曲線與現場監測數據對比圖

如圖10所示，修正后的Peck計算公式能更好地符合現場監測數據規律，說明提出軟黏土范圍內對經典Peck曲線的修正方法能更好地反映頂管電纜隧道開挖對周圍地層產生的擾動影響。

3 結論

通過離心機試驗和有限元數值計算方法探究了軟黏土地區頂管電纜隧道施工對鄰近建筑物和地下管線的擾動影響，得出以下結論。

(1)頂管電纜隧道施工時，隨著地層損失率的增大，鄰近淺基礎建筑物不均勻沉降和地下管線豎向位移皆增大，且大剛度的地下管線相較于小剛度的地下管線擾動影響更小。

(2)有限元數值模擬方法可以較好地模擬頂管隧道在不同地層損失率的工況。

(3)提出的修正Peck公式可以較好地評估在軟黏土區域的頂管電纜隧道開挖對周圍地層產生的擾動影響。