頂管工程對臨近既有管廊沉降影響的有限元分析

于江

天津市政工程設計研究總院有限公司 300392

引言

隨著經濟發展及土地資源的日益稀缺，建設地下工程進行大范圍開挖，不僅成本較高，也會對周邊建（構）筑物的使用產生影響，帶來不便。尤其是管道工程施工，傳統的明挖鋪設，基坑距離較長，影響沿線其他設施使用，且安全、成本更是難以保證。相比而言，采用頂管施工技術，既能節約土地、資金，又對周遭干擾小，可更好地避免以上隱患，保證項目順利進行。但頂管工程施工難度大，施工前必須對周圍地下建（構）筑物勘測探明，頂管過程會產生的土體擾動是施工過程中的不利因素。因此對大型頂管工程所穿越的建（構）筑物沉降影響進行預測，掌握其沉降變形規律和確保安全施工是十分重要的［1］。

1 頂管引起管廊沉降的原因

頂管施工法的工藝流程是由頂管機頭切削土體進行開挖，土體先處于卸載狀態；再由工作井千斤頂頂進，對機頭前方一定土體產生強烈的擾動作用而使其處于擠壓狀態；由于機頭工具管的管徑大于后續管節直徑產生空隙，使管周土體處于卸載狀態產生應力松弛現象［2］。

頂管施工引起土體變形致使管廊發生沉降的原因是施工過程中對土體擾動和由于開挖引起的土體應力損失兩方面。應力對土體產生擾動：在頂管施工中應力的來源主要有兩種：一是正面附加頂推力；二是由于掘進機與土體及后續管道與土體之間的摩阻力共同對土體產生擾動。土體應力損失：在掘進機機頭開挖過程中，前艙壓力的過大會引起超挖，即開挖面的超挖，也會引起土體損失；另外工具管在頂進時，由于各種原因會偏離設計軸線，這時需要糾偏，糾偏方法有挖土糾偏法和強制糾偏法，這兩種方法都會產生空隙，形成土體損失［3］。

為了掌握頂管工程導致管廊發生沉降的影響規律，需要在研究上述沉降機理的基礎上，對其施工的影響范圍與大小進行定量研究，即不僅要預測土層運動的最大值，而且還要研究其影響的分布規律［4］。

2 工程概況及地質條件

2.1 工程概況

擬建管道是由于工程需要進行的頂管工程施工，其中頂管過程某段管道穿越既有的管廊結構下方，管道最近點距離管廊底板約4.5m，故選取此段管道、管廊及周圍土體作為模擬研究對象。頂管管徑為D2500mm，下斜穿管廊斷面，頂管階段為使管道順利頂進，管壁與土體間會留有空隙，頂進同時進行管外壁注漿以減小對周圍土體的擾動，由于此次模擬工程頂管4.5m 范圍內存在管廊，故通過模擬分析觀測管廊的變形情況，以便對實際工程提出指導意見。

2.2 地質條件

模型地質情況如下：埋深30.0m以上土層的水平方向地層層狀分布起伏不大；由于各土層地質年代及成因類型不同，在垂直方向上出現海陸交替沉積，主要巖性特征為粉質黏土、粉砂和粉土相間沉積。整體分析各土層，垂向各土層力學性質有所差異。其中管道主要穿越淤泥質黏土以及粉土層。淤泥質黏土，土層靈敏度較高，壓縮性高，強度低，易造成土體的不均勻沉降。相關土層物理力學參數及地層分布見表1。

表1 地層分布及參數Tab.1 Stratigraphic distribution and parameter

3Midas三維有限元分析

3.1 計算模型的建立

應用Midas軟件進行模擬計算時，土體采用修正的MC 本構模型［5］，共分成6 層土。頂管管節采用線彈性本構。土層模型外邊界采用6 面體固定約束。網格劃分采用混合網格劃分，每1m劃分一格。對頂管逐步頂進的施工過程進行模擬，共11 個施工步驟，逐步進行鋼管頂進。另考慮頂管對周圍土層的擾動，對管壁周圍進行一層薄弱層的劃分，以模擬頂進時管道與土體間的空隙。模擬時只考慮在正常工況下施工，如遇大量降水等極端狀況需調整圖紙參數及排水情況另作研究。

模型計算域為50m ×50m ×20m，幾何模型見圖1，管道上方到所穿管廊最近點垂直距離為4.5m。管廊內徑2.2m ×3.5m，壁厚0.35m，底板厚0.45m，管道管節外徑3.0m，內徑2.5m，管壁厚度250mm，管節長度根據模擬需要設定為5m／節，共頂進10 次。頂推力150kN／m2，網格模型見圖2。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model diagram

圖2 幾何網格Fig.2 Geometric model

3.2 計算分析

通過軟件，主要模擬計算了管道頂進過程中管廊的沉降量。頂管每步頂進距離5m，頂進第十步即頂管完成50m。所得的豎向位移云圖如圖3 所示，云圖中正值為隆起量，負值為沉降。

由模擬云圖可得到管廊受到頂管影響產生沉降的位移分布，管廊最大位移點出現在管道與管廊豎向平面最近處，分布狀況如圖3a、b。

圖3 Z 向位移云圖（單位： mm）Fig.3 Z-displacement cloud diagram（unit：mm）

管廊沉降隨著頂進動態變化，圖4 顯示了在整個頂進過程中距管道最近點的位移變化量，橫坐標S1 ～S11 代表頂進過程施工段。X、Y為頂進平面的橫、縱方向量，Z為垂直頂進平面顯示沉降的方向量，總位移為X、Y、Z三向合向量。由圖可知管廊的沉降量在頂進完成時管廊沉降量達到穩定狀態且為最大值約8mm，沉降量隨頂進距離增大而增加。

圖4 管廊距頂管管道最近點位移變化曲線Fig.4 Displacement curve of the nearest point between the pipe gallery and the pipe jacking

3.3 數據比較

根據頂管施工現場實際反饋，頂管形式采用泥水平衡式，管道頂進至施工完成管廊沉降監測值最大約1cm，出現在施工結束后第2 天。實測數值略大于模擬結果。根據《頂管施工技術及驗收規范》（試行）表格4.0.4 規定，泥水平衡式頂管機型沉降量小于3cm即滿足要求。綜上，頂管施工離管廊底部較近（4.5m）雖然產生輕微沉降，但不會影響管廊內部運行或對結構造成不良影響。

4 結語

在頂管工程實際施工中應加強對管廊變形的監測，尤其是距離頂管較近處在施工過后進行長期監測，以便掌握周圍土體變形狀況，還可對管廊側壁、底板的應力狀況監測把控，防止出現局部沉降導致結構破壞等狀況發生。如果所建工程環境條件復雜，頂管工程穿越諸如道路等城市基礎設施工程時，可根據地質條件等數據建立有限元模型進行數值模擬分析預測，根據模擬結果提前得出應急方案。處于不同地質環境的工程會有模擬結果上的差異，應及時根據監測數據調整施工參數。