數(shù)值模擬不同頂推力在頂管施工中對土體的影響

凌春LING Chun；呂品LV Pin；程曼CHENG Man；楊梓俊YANG Zi-jun；王威WANG Wei

（武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430073）

0 引言

頂管法是根據(jù)盾構(gòu)機發(fā)展演化而來的，從地下穿越，不需要開挖地表，相比明挖的頂管工程，不需要破壞周圍建筑物，對周圍環(huán)境影響較小，節(jié)省成本，提高施工效率的優(yōu)勢明顯，能夠適應(yīng)多種復(fù)雜地質(zhì)情況，應(yīng)用于地下工程。它與盾構(gòu)機相比較小，比較靈活，主要應(yīng)用于城市的地下管網(wǎng)工程中，如雨污分流工程。頂管法是利用頂管機頭，把預(yù)制頂管從始發(fā)井一節(jié)一節(jié)頂進預(yù)定位置，再從接收井把機頭吊出來，以此循環(huán)的地下施工[1]。但是，遇到復(fù)雜的地質(zhì)，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗，不確定風(fēng)險大幅度提高，隨著科技的不斷發(fā)展，我們的相關(guān)理論也在逐步完善，我們可以利用Abaqus有限元軟件分析，控制變量分析其頂推力對土體變形的影響，一旦對土體的擾動過大，大規(guī)模地層移動將引起鄰近建筑物的變形，影響其正常使用。在圓形頂管法的施工中，必須設(shè)法減小對土體的擾動[2]。因此，探討不同頂推力在施工過程中土體的擾動規(guī)律，對于促進地下工程建設(shè)具有重大意義。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

江門市某區(qū)水環(huán)境綜合治理項目（二期）工程EPCO項目—中興二路截污管網(wǎng)工程，本工程為中興二路截污管網(wǎng)工程，其建設(shè)內(nèi)容主要為在中興一路東側(cè)規(guī)劃慢車道下布置d2000污水主管，由北向南接入中興二路規(guī)劃d2000污水管，并為沿線路口及地塊預(yù)留污水支管；在北昌東路南側(cè)道路下布置d2000污水主管，由東向西接入中興二路規(guī)劃d2000污水管，并為沿線路口及地塊預(yù)留污水支管；頂管段管道管徑一般D2000，擬采用Ⅲ級鋼筋混凝土頂管管材。根據(jù)相關(guān)資料，本工程頂管段管道埋深一般約13m。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報告得出本頂管段的地層自上而下按成因類型分為第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）、沖積層（Q4al）。各土層相關(guān)力學(xué)參數(shù)見表和土層物理性質(zhì)如下：

1.2.1 人工填土層（Q4ml）

素填土：灰黃、灰褐等色，稍濕，稍密，以黏性土為主，含少量碎石塊等硬質(zhì)雜物，碎石粒徑一般約1.0～3.0cm，含量一般約10%～20%，磨圓度較差，主要呈棱角狀，土質(zhì)及密實度不均勻，部分地段頂部20～30cm不等厚度為砼地面。據(jù)初步了解，項目場地填土堆填時間超過15年，為老填土。平均層厚為5m。

1.2.2 沖積層（Q4al）

淤泥質(zhì)土：灰黑色，飽和，流塑，以粘粒為主，富含有機質(zhì)及少量粉細(xì)粒，手捏具滑膩感，易污手，略具腥臭味。平均厚度為4m。

粉質(zhì)黏土：灰褐、灰黃、灰白色，濕，可塑，以粘粒為主，夾少量粉細(xì)粒，土質(zhì)均勻，粘性較好，干強度及韌性中等，平均層厚為8m。

1.2.3 燕山期（γ52）花崗巖

強風(fēng)化花崗巖帶：黃褐、灰褐色，巖石風(fēng)化強烈，巖芯主要呈半巖半土狀，巖塊手折易斷，遇水易軟化崩解。平均厚度11m。

其主要物理力學(xué)性能參數(shù)如表1。

表1 土體物理力學(xué)性能參數(shù)

2 頂管施工

根據(jù)勘查報告，采用泥水平衡頂管法施工。頂管法施工是借助于主頂油社等頂進設(shè)備，將工具管或掘進機從工作井穿越土層進入接收井，將緊隨其后的工作管道依次連接并埋設(shè)在這兩個井的管線土層中的敷設(shè)地下管線的施工方法[3]。該方法是用機頭頂進，把碎土渣等物質(zhì)運走，往周圍管壁注漿，把預(yù)制頂管頂進，以此循環(huán)，直至貫通。頂管法施工工藝主要是指從機械施工設(shè)備進入施工場地到頂進作業(yè)完全結(jié)束的整個施工過程[4]。管道頂進的過程可分為以下幾個階段：頂管工作井的制作，頂進設(shè)備的安裝及工具管或掘進機的就位，工具管頂出始發(fā)工作井洞口，后續(xù)管節(jié)頂進，工具管或掘進機進入接收井洞口，管道全線貫通，施工結(jié)束。施工工藝流程如圖1。

圖1 施工工藝流程圖

3 土體變形原因

頂管施工造成土體變形的原因可概括為兩點：①應(yīng)力擾動；②地層損失。

應(yīng)力來源于頂進過程中機頭頂推力、剪切力以及管道與土體的摩檫力。地層損失是引起土體變形的主要因素，有常規(guī)損失和不常規(guī)損失。常規(guī)損失是我們在施工過程中不可避免的損失，不常規(guī)損失是由于的我們的技術(shù)流程不符合操作規(guī)范引起的不必要損失，我們可以在后期的技術(shù)優(yōu)化中處理這個問題[5]。

頂管施工的本質(zhì)是頂管機切土和向管道邊注漿同時進行的施工，在開挖土的過程中，未挖的土體具有松動性，此時需要向周邊土體注漿，以維持地下土體的平衡，但是頂推力過大過小都會影響土體的穩(wěn)定性，會間接影響頂管施工的質(zhì)量。當(dāng)頂推力較小時，土體會出現(xiàn)下沉，頂推力較大時，會導(dǎo)致土體隆起，頂管破裂，返工乃至發(fā)生安全事故。數(shù)值模擬分析頂推力會找到合適的頂推力，促進頂管施工良好發(fā)展。

4 數(shù)值模型建立及分析方案

4.1 模型建立

本頂管施工模擬采用的是Abaqus有限元分析軟件，取頂管頂進的方向為Y軸（0-30m），垂直于Y軸的為X軸（0-50m），頂管土層的厚度方向為Z軸（0-28m），模擬單元用的線性六面體結(jié)構(gòu)。根據(jù)實際情況采用的泥水平衡頂管法施工，本工程是單排單向頂管，管道外徑D是2m，頂管埋深是13m，將土體簡化成四層平行土層，每次頂進距離為2m，土體的物理力學(xué)性能參數(shù)如表1，模擬模型如圖2。

圖2 模擬模型

4.2 頂推力計算

正面頂推力依據(jù)Rankine壓力理論進行計算，公式如下：

式中P上為管道上部土壓力，P下為管道下部土壓力，γ為土體容重，取加權(quán)平均值17.45kN/m3，Z為覆土深度，K0為靜止土壓力系數(shù)，其數(shù)值大小與土體性質(zhì)密切相關(guān)，粘土中，K0可在0.33～0.70間取值[6]。

4.3 數(shù)值分析方案

考慮自重應(yīng)力，頂程總共20m，每次頂進2m，一共頂進10節(jié)頂管，頂管周圍的泥漿，按通用標(biāo)準(zhǔn)處理，忽略其影響。設(shè)置原始土體的相關(guān)參數(shù)，平衡土體初始應(yīng)力，施加與重力對應(yīng)的初始應(yīng)力場，保證模擬其真實性。按2m一個頂進距離，從20m向0m方向頂進，從縱橫向分別分析頂推力對土體參數(shù)的影響分析，得出合適的頂推力，促進頂管施工安全高效。

5 不同頂推力模擬結(jié)果分析

為使模擬更加接近工程實際，土的摩擦系數(shù)取為0.3，土體的側(cè)壓力系數(shù)取為0.5，計算得出的不同頂推力，利用有限元分析軟件，在一定條件下，模擬不同的頂推力在頂進過程中，土體產(chǎn)生的沉降量，我們從頂進方向得出的土體沉降量變化如圖3，垂直于頂管頂進方向的土體沉降量變化如圖4。從圖3可知，當(dāng)頂管的頂推力為0.147MPa時（大概為1.2倍的靜止土壓力），頂進5m之前時，沉降變化量不明顯，沉降較小0.1mm，但隨著頂推力的增大，剛開始頂進時，土體逐漸凸起，凸起程度與頂推力成正比，當(dāng)頂推力為1MPa時，凸起量最大，數(shù)值為1mm。在頂進5m之后，土體的沉降量隨著頂推力的增大而逐漸增大，頂管頂進開始到結(jié)束，兩者的沉降差與頂推力的大小成正相關(guān)，頂推力最大的沉降差是最小的1.8倍。由于頂推力的增大，前進速度會加快，泥水壓力會小于前方土體壓力，對前方土體的擾動性會增強，頂管可能會強制后移，前方土體會向機頭移動，會導(dǎo)致土體沉降。由于頂管的埋深較大，管徑較小，地表的變形變化不明顯。因此，我們通過控制頂推力的大小來降低頂推力對周圍土體擾動性能的影響。從圖3和圖4可以得出，當(dāng)頂管的頂推力在0.147-0.3MPa之間時，頂管頂進開始到結(jié)束，兩者的沉降差變化較小。由于頂推力的大小跟頂管機的功率有直接聯(lián)系，頂推力越大，需要的頂管機功率越大，考慮到沉降量與頂推力成正比，所以，為了節(jié)約成本和降低頂推力對土體的擾動影響，認(rèn)為本頂管工程最佳的頂推力為0.147MPa（大概為1.2倍的靜止土壓力）。

圖3 不同頂推力在頂進方向上引起的沉降量變化

圖4 不同頂推力在垂直頂進方向上引起的沉降量變化

6 結(jié)語

本文模擬不同頂推力對土體的影響研究，得出了合適的頂推力數(shù)值為靜止土壓力的1.2倍，促進了未來的頂管施工發(fā)展，但其中也有不足，只分析了一種變量，沒有多種變量綜合分析，模擬過程中，土層比較單一，根據(jù)實際情況還有一些差距，存在誤差，接下來我們可以從管徑大小、土體參數(shù)以及頂管埋深做更加全面的分析。