平行頂管施工及公路拓寬工程的相互影響研究

沈 承，姬永紅

[1.嘉興科技城投資發(fā)展集團(tuán)有限公司，浙江 嘉興 314000；2.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，地下綜合管廊逐漸成為城市輸送物質(zhì)資源的重要基礎(chǔ)設(shè)施，而頂管施工作為一種非開挖施工技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于地下管廊的建設(shè)工程中[1-5]。地下綜合管廊的頂管施工建設(shè)不可避免地造成周圍土體擾動，從而引起地面變形[6-9]。當(dāng)頂管施工區(qū)域下穿公路時，必定會導(dǎo)致路面及路基的變形，從而為公路的正常使用埋下安全隱患。諸多學(xué)者已經(jīng)通過工程實(shí)測和數(shù)值分析等方法對該問題進(jìn)行了較為充分地研究[10-15]。

城市地下空間的限制使得近距離平行多線頂管在近年來得到了越來越多的應(yīng)用。由于平行多線頂管施工中的不同管道需要進(jìn)行順序頂進(jìn)，前后施工管道之間便會相互影響，相較先建頂管，后建頂管造成的最大地面變形及變形槽寬度均要更大，從而引起的公路路面變形要大于單頂管，會對周邊環(huán)境產(chǎn)生更大的危害[16，17]。迄今為止，相關(guān)的成果數(shù)量十分有限，且主要研究多集中于對現(xiàn)場實(shí)測資料的理論分析與總結(jié)，采用數(shù)值模擬方法對工程現(xiàn)象進(jìn)行機(jī)理性分析的研究成果相對較少[18，19]。

隨著我國公路事業(yè)地穩(wěn)步前進(jìn)，許多道路已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有需求，需要進(jìn)一步改建拓寬。當(dāng)改建或拓寬道路位于已建地下管廊以上時，則需要充分考慮改建和拓寬工程對于已建管廊安全性的影響，但是國內(nèi)關(guān)于該方面的研究報道十分罕見[20-21]。

某頂管施工項目為某地地下綜合管廊項目二期工程，3 條平行施工管線下穿省道，且該省道有相應(yīng)的拓寬計劃。因此，本文結(jié)合該工程采用三維數(shù)值分析方法研究擬建平行三線綜合管廊頂管施工過程對省道路面以及后續(xù)省道拓寬工程對已建成地下綜合管廊的相互影響，研究成果可為類似工程提供參考依據(jù)。具體研究內(nèi)容如下：

（1）建立三維數(shù)值模型模擬3 條地下管廊平行頂管的施工過程，分析施工過程中不同管廊頂管頂進(jìn)順序?qū)κ〉雷冃瘟康挠绊懖町悾?/p>

（2）基于已經(jīng)建立的三維計算模型，評估省道拓寬后公路堆土和車行荷載對已建成地下管廊的變形量；

（3）分析在省道拓寬部分進(jìn)行土體加固后，施工過程及省道拓寬工程對于道路路面及地下管廊的影響程度。

1 工程概況

擬建綜合管廊為公用建筑，整體工程位于某科技城轄區(qū)，新建管廊全長約4.8 km。主要針對橫穿省道的地下管廊施工部分進(jìn)行研究。

擬建地下管廊工程從下方橫向穿越了某已建成省道，管廊采用DN2000 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土頂管，外徑為2.4 m，內(nèi)徑為2.0 m，且管廊下方存在DN1600污水管道，因此為避開下方污水管道，管廊頂進(jìn)方向為斜向上。工作井處管廊中線的高程為-5.063 m，接收井處管廊中線的高程為-1.947 m，從接收井向工作井方向觀察，3 根管廊的標(biāo)號分別標(biāo)記為P-1、P-2、P-3。該省道在地下管廊竣工后有相應(yīng)的拓寬計劃。

初步判斷頂管施工過程對新07 省道的影響類型主要為卸載上浮，而省道拓寬施工對已建成地下管廊的影響類型主要為加載沉降。采用ABAQUS 數(shù)值分析軟件建立三維有限元模型針對位于省道及其正下方的整個施工區(qū)域進(jìn)行計算評估。施工區(qū)域示意圖如圖1 所示。

圖1 施工區(qū)域示意圖

2 數(shù)值分析方法

采用ABAQUS 數(shù)值分析軟件針對實(shí)際工程構(gòu)建精細(xì)化模型并對施工過程進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 數(shù)值模型

數(shù)值模型長度按頂管施工區(qū)的實(shí)際長度取值La= 81.9 m；經(jīng)過大量試算后發(fā)現(xiàn)，在數(shù)值模型寬度大于20 m 之后繼續(xù)增加寬度對計算結(jié)果的影響程度可以忽略，因此模型寬度最終取值Lb= 20 m；由于綜合管廊和污水管道的埋深相對有限，同樣通過試算后發(fā)現(xiàn)數(shù)值模型在達(dá)到一定的深度后對計算結(jié)果的影響相對較小，因此最終確定數(shù)值模型的深度取值H= 25 m。土層厚度及標(biāo)高按地勘資料中相對臨近施工區(qū)域的J56 鉆孔實(shí)測結(jié)果進(jìn)行取值。模型的豎向邊界僅約束法向位移；底部邊界條件則設(shè)置為全約束。具體數(shù)值分析模型示意圖如圖2（a）所示。

模型全部選用三維八節(jié)點(diǎn)全積分六面體單元（C3D8）。為確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在DN1600 污水管道和DN2000 管廊附近進(jìn)行網(wǎng)格加密，整體模型共包含26 640 個單元，具體網(wǎng)格繪制結(jié)果如圖2（b）所示。

圖2 數(shù)值模型及網(wǎng)格整體示意圖（單位：m）

DN2000 管廊和DN1600 污水管道均采用線彈性模型進(jìn)行模擬，其中DN2000 管廊材料為鋼筋混凝土，密度取值ρpipe=2 500 kg/m3，彈性模量取值Epipe=35.5 GPa，泊松比取值νpipe= 0.3。DN1600 污水管道材料為球墨鑄鐵，密度取值ρsewagepipe= 2 500 kg/m3，彈性模量取值Esewagepipe= 151 GPa，泊松比取值νsewagepipe=0.25。為考慮頂管過程中的土體損失，分析中在管廊外側(cè)設(shè)置了軟弱薄層以模擬觸變泥漿，層厚根據(jù)實(shí)際工況設(shè)置為35 mm，并在分析過程中根據(jù)管廊的頂進(jìn)順序依次激活。

土體材料采用遵循Mohr-Column 屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，土體強(qiáng)度按地勘報告中的固結(jié)快剪結(jié)果（c-φ）進(jìn)行取值；土體密度和彈性模量分別取地勘報告中土的重度（γ） 和壓縮模量（Es1-2），泊松比（ν）一律按經(jīng)驗取值為0.3。相關(guān)的土體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)取值具體見表1。

表1 土體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

2.2 研究方法

根據(jù)研究目標(biāo)，擬針對“頂管施工對原有省道的影響”和“省道拓寬施工對建成管廊的影響”分別開展相應(yīng)的研究。

2.2.1 頂管施工對原有省道的影響研究

采用“生死單元法（model change）”分析管廊頂管的不同頂進(jìn)順序?qū)κ〉赖挠绊懗潭?，為降低原始省道上的道路荷載和污水管道替換過程產(chǎn)生的位移對計算結(jié)果的影響，將DN1600 污水管道放入初始的整體模型中進(jìn)行地應(yīng)力平衡，并且同時在原始省道部分施加行車荷載和道路荷載Phightway= 23.62 kPa，確保兩者在后續(xù)過程中不會產(chǎn)生額外的位移；之后分別對P-1、P-2、P-3 管廊進(jìn)行“生死單元替換”，由于模型的對稱性，針對不同管廊頂管順序共設(shè)計了3種計算工況，具體見表2。

表2 具體計算工況

2.2.2 省道拓寬施工對建成管廊的影響研究

在研究過程中，為排除替換DN1600 污水管道和DN2000 管廊對計算結(jié)果的影響，將兩種管道均代入初始整體模型中進(jìn)行地應(yīng)力平衡，同時對原始省道部分施加行車荷載和道路荷載Phighway= 23.62 kPa；之后再對擬拓寬后省道范圍內(nèi)土體表面施加的堆土荷載、道路荷載和車行荷載進(jìn)行計算。接收井附近省道拓寬部分（拓寬區(qū)-1）土體表面施加的堆土荷載為P1-soil=46.09 kPa，工作井附近省道拓寬部分（拓寬區(qū)-2）土體表面施加的堆土荷載為P2-soil= 41.89 kPa，計算省道拓寬對已建成管廊的影響程度。具體模型及荷載施加方式的示意圖如圖2（a）所示。

同時為降低省道拓寬工程施工過程中的道路沉降及對已建成地下管廊的影響，擬針對省道拓寬區(qū)域土體采用旋噴樁工藝進(jìn)行加固，通過更改數(shù)值模型構(gòu)件的物理力學(xué)性質(zhì)設(shè)定加固區(qū)，加固區(qū)域的土體采用線彈性模型進(jìn)行分析，具體參數(shù)依據(jù)安關(guān)峰[22]等人的研究成果進(jìn)行取值。共設(shè)計3 種加固區(qū)域尺寸進(jìn)行分析，分別為通鋪加固、管廊施工區(qū)域附近加固15 m和20 m 的工況，以討論不同的加固范圍對地下管廊及污水管道沉降變形量的影響。

3 計算結(jié)果

根據(jù)上文描述的實(shí)際工程條件和數(shù)值方法研究地下綜合管廊施工和省道拓寬工程之間的相互影響，并對研究對象的變形情況進(jìn)行具體分析。

3.1 未加固工況下頂管施工的影響

施工階段按照表2 所示的施工順序進(jìn)行管廊頂管作業(yè)，各個工序完成后的省道路面變形計算結(jié)果見表3。

表3 省道路面各階段位移值匯總表 單位：mm

由表3 可以得到，不同的施工順序?qū)κ〉缆访娴挠绊懗潭然疽恢?。第二施工階段完成后，S-2 工況的豎向位移較S-1 工況降低了2.80 mm，降幅約為28.51%；較S-3 工況降低了2.61 mm，降幅約27.11%。所有施工階段完成后，S-2 工況的豎向位移較S-1 工況增加了0.42 mm，增幅約為3.71%；較S-3 工況增加了0.77 mm，增幅約為7.01%。其中S-2 計算工況的省道路面的豎向最終位移雖然較大，但是增加量和增幅均相對有限；而在第二施工階段完成后，相較其他兩個工況而言，S-2 工況的沉降量明顯降低，因此可以認(rèn)為S-2 工況可以較好地保證施工整體過程中的安全性和省道的穩(wěn)定性，應(yīng)為最優(yōu)施工方案。

S-1 至S-3 工況施工完成后不同部件的位移云圖如圖3 所示。

圖3 施工完成后原始省道的位移云圖（單位：m）

分析不同的頂管施工順序?qū)芾群臀鬯艿赖挠绊懗潭瓤梢园l(fā)現(xiàn)，按S-1、S-2 和S-3 工況施工完成后，管廊的最大豎向位移量分別為16.1 mm、15.9 mm和17.0 mm，位移方向為上?。晃鬯艿赖淖畲筘Q向位移量分別為10.77 mm、10.75 mm 和10.78 mm，位移方向為上浮。可以看出不同施工順序?qū)τ诠芾扔幸欢ǔ潭鹊挠绊?，最大差異可達(dá)6.71%，對污水管道的影響則相對較小，最大差異僅為0.28%。

省道路面的最大位移通常出現(xiàn)于管廊的正上方位置，污水管道的最大位移通常出現(xiàn)在管廊的正下方位置，而管廊的最大位移則會根據(jù)施工順序的不同而出現(xiàn)于不同管廊上。結(jié)合表2 的計算結(jié)果綜合分析可以得到，S-2 工況的施工順序?qū)τ谠际〉缆访妗⒐芾燃拔鬯艿赖挠绊懗潭染鄬^小，該種施工順序相對最為安全。

3.2 地基加固后頂管施工的影響

經(jīng)過不同方法加固，頂管施工完成后的管廊本體和污水管道的豎向峰值位移如圖4 所示。

圖4 頂管施工后經(jīng)不同土體加固方法的管廊及污水管道的位移值

根據(jù)圖4 所示的計算結(jié)果可以得到，經(jīng)過不同加固方法后地下管廊和污水管道在頂管施工過程中的最大位移整體上均會隨著加固深度的增加而緩慢降低。當(dāng)加固深度超過管廊埋設(shè)深度時，位移會出現(xiàn)較為明顯的下降趨勢；其中通鋪加固的效果最為顯著，加固深度為13.0 m 時地下管廊的最大位移已經(jīng)可以降低至13.0 mm，污水管道的最大位移也可以降低至9.5 mm，均小于其他兩種加固方法。同時，通過橫向比較也可以得到，無論何種加固方法，S-2 工況的施工順序（即兩側(cè)優(yōu)先頂進(jìn)）均可以更好地控制地下管線的上浮位移。

3.3 省道拓寬施工對建成管廊影響的計算結(jié)果

3.3.1 未加固時省道拓寬對建成管廊的影響

省道上部荷載施加完成后，省道路面、地下管廊及污水管道的變形計算結(jié)果見表4。

表4 省道路面各階段位移值匯總表 單位：mm

由表4 可以得到，省道拓寬對于污水管道的影響十分有限，但對管廊有一定的影響，最大沉降量為30.7 mm。省道拓寬路面有166.60 mm 的沉降量，是施工完成后沉降最顯著的區(qū)域。省道拓寬完成后不同部件的位移云圖見圖5。

圖5 省道拓寬完成后不同部件的位移云圖（單位：m）

由圖5 可以得到，省道拓寬工程施工完成之后最大位移出現(xiàn)在拓寬部分，原始省道本身并沒有發(fā)生明顯的位移；拓寬工程對管廊和污水管道的影響相對有限，管廊最大位移為30.7 mm，最大位移主要出現(xiàn)于拓寬部分的下方；污水管道的最大位移為5.4 mm，整個管道呈現(xiàn)出整體均勻下沉的趨勢，中間的下沉量略大，但不會影響污水管道的整體結(jié)構(gòu)安全性。因此，施工過程中應(yīng)著重考慮拓寬下方管廊結(jié)構(gòu)的沉降位移。

3.3.2 地基加固后省道拓寬對建成管廊的影響

采用旋噴樁工藝對不同范圍內(nèi)土體進(jìn)行加固，省道拓寬工程完成后地下管廊及污水管道的峰值位移見表5。

表5 不同加固方法下省道拓寬后管廊及污水管道的最大位移值

根據(jù)表5 可以得到，對拓寬區(qū)域內(nèi)土體采用旋噴樁工藝進(jìn)行加固，在省道拓寬工程中無法有效地控制地下管廊及污水管道沉降變形。分析原因認(rèn)為，由于土體加固會使上部的道路荷載經(jīng)過加固土體直接作用于地下管廊部分，也使得上部荷載更容易傳遞至深層土體，會造成在加固深度較淺時，隨著加固深度的增加管廊和污水管道的位移會呈現(xiàn)出上升的趨勢。因此，在加固過程中應(yīng)適當(dāng)增加加固深度，或僅對管廊埋深以下的土體進(jìn)行加固，從而降低地下管廊和污水管道的位移。

4 結(jié) 論

主要結(jié)合實(shí)際工程及地質(zhì)資料，通過三維數(shù)值分析方法對地下綜合管廊頂管施工過程和上部省道拓寬施工工程之間的相互影響關(guān)系開展規(guī)律性研究。討論地下綜合管廊施工過程中不同的頂管順序條件下，上部省道及下方埋設(shè)污水管道的變形量及其變化規(guī)律；同時分析后續(xù)上部省道拓寬工程及施工過程中不同的地基加固措施對地下管廊及污水管道的影響規(guī)律。具體結(jié)論如下：

（1）對于地下多條綜合管廊的平行施工過程而言，施工順序?qū)τ诘厣显械缆烦两底冃瘟坑幸欢ǔ潭鹊挠绊懀顑?yōu)施工順序應(yīng)當(dāng)為優(yōu)先進(jìn)行兩側(cè)頂管，最后進(jìn)行中央頂管。在該項目的施工過程中，優(yōu)先進(jìn)行兩側(cè)頂管能夠在整體上保證施工過程中省道路面的安全性和穩(wěn)定性。

（2）在穿越道路的地下綜合管廊頂管施工完成后，道路的拓寬工程對已建成管廊結(jié)構(gòu)的影響十分有限，影響形式主要為管廊結(jié)構(gòu)的沉降變形，最大變形量為30.7 mm。主要變形區(qū)域位于拓寬區(qū)域以下的管廊部分，而原始路面以下的管廊部分的變形則相對較小。

（3）在擬拓寬區(qū)域內(nèi)采用旋噴樁土體加固工藝可以較為有效降低頂管施工后地下管廊及污水管道的上浮變形量。加固深度達(dá)到13 m 時，通鋪加固、加固寬度為15 m 和20 m 的工況中管廊變形量分別降低了20.20%、6.15%和11.17%，污水管道變形量分別降低了11.61%、2.88%和5.39%。

（4）旋噴樁土體加固工藝對于降低省道拓寬工程中地下管廊和污水管道沉降量的作用相對不明顯。尤其在加固深度較淺時（該工程中為小于5～7 m），隨著加固深度的增加，管廊及污水管道的沉降量會有所增加。因此，在實(shí)際工程中應(yīng)盡可能增加加固深度，或僅對管廊埋設(shè)深度以下的土體進(jìn)行加固，從而達(dá)到保護(hù)結(jié)構(gòu)物的目的。