矩形頂管施工誘發地表 沉降數值模擬分析

王非

矩形頂管技術作為一種地下隧道開挖方法，其施工過程不可避免地會對周圍土體產生擾動，引發土體產生變形。本文依托合肥市黃河路橫穿包河大道矩形頂管工程，建立位移控制的矩形頂管頂進的三維動態模型，研究了頂管工程穿越黏土地層時地表沉降變化規律，研究成果可為相關工程提供借鑒。

隨著國內城市快速發展，地下結構的建設要求不斷提升。相較于傳統明挖法，頂管法作為機械化水平較高的非開挖施工技術，形成的地層擾動及環境影響較小，給城市建設帶來了很大的便捷性。與圓形頂管截面比較，矩形結構有效使用面積通常增加20%左右，并且有更好的淺覆土適應能力，有效降低了頂管機下穿各類構筑物的坡度和深度。但隨著施工難度的不斷提升，矩形頂管施工期間也存在地表沉降過大，甚至引起塌陷等問題。因此，評估矩形頂管施工引起的地表沉降意義重大。

國內外學者針對矩形頂管施工引起的地表沉降開展了相關研究。吳列成依托上海軌道交通14 號線靜安寺站矩形頂管工程，系統總結了矩形頂管隧道施工沉降控制技術，包括頂管機推進參數、管片的止退裝置、注漿減租材料和壓注工藝。李啟旭設計了室內模型試驗，研究了矩形頂管頂進過程中對周圍土體擾動變形規律。吳波以寧波地鐵某車站矩形頂管工程為依托，系統研究了矩形頂管頂進過程中切口前方地面所產生的變形。以截面矩形頂管綜合管廊工程為背景，構建了矩形頂管頂進引起地表沉降的數學力學模型，結合Mindlin 解和隨機介質理論，提出了頂管施工引起的地表豎向位移的計算公式。

綜上所述，當前針對矩形頂管引起地表沉降的分析主要采用理論分析及現場實測分析。而采用數值分析手段模擬矩形頂管施工主要采用力控制，并未體現矩形頂管頂進期間的管土相互作用；其次，矩形頂管頂進期間，頂力大小是不斷變化的，采用力控制模擬是不合理的。

基于此，本文以合肥市黃河路橫穿包河大道矩形頂管工程為依托，采用ABAQUS 有限元軟件，建立位移控制的矩形頂管頂進的三維動態模型，研究矩形頂管施工引起的地表沉降變化規律。研究成果可為后續類似矩形頂管工程提供參考及依據。

一、工程概況

1.工程簡介

S1 線黃河路站主體標準段為地下兩層島式站，地下三層島式車站，車站共有5 個風亭組，9 個出入口。該工程位于合肥市黃河路，通道橫穿包河大道，6 號口主通道采用矩形頂管工藝施工，全長53.8 m，共36 節，單片管節長度為1.5 m，管節尺寸為6.9 m×4.9 m（外部凈寬×凈高），壁厚為0.45 m，管節混凝土強度等級為C50，頂管最小覆土為5.3 m。工程平面如圖1 所示。

圖1 頂管通道平面圖

2.工程地質

頂管工程施工區域主要土層為雜填土，素填土，黏土，泥質砂巖，頂管機主要穿越黏土地層，主要土體參數如表1 所示。

表1 土層物理力學參數表

二、數值模型

1.模型建立

本模型一共分為4 個部件，分別為土體、管線、矩形頂管管片、頂管機頭，均為彈性體，均采用實體單元。模型網格劃分后得到81132 個單元，12598 個節點，模型如圖2 所示。土體選用摩爾-庫倫本構模型，土體模型寬度為60m，高度為40m，頂管頂進長度為54 m。地層簡化為3 層，分別為雜填土層、黏土層和泥質砂巖層。

圖2 數值模型圖

2.模擬過程

將頂管頂進過程劃分為多個步驟進行模擬，來實現頂管的動態頂進過程。全過程一共有72 個分析步，包含地應力平衡階段36 個頂管施工階段，頂管向前頂進過程中，土體開挖與管節頂進兩個分析步作為一個施工階段。土體開挖是瞬間完成的，頂管頂進是動態過程，通過對頂管模型施加位移來實現。具體模擬過程如下：

（1）地應力平衡階段，取消激活頂管管片與頂管機頭，激活全部的土體單元與管線，對土體施加重力及邊界條件，完成地應力平衡。

（2）頂管機進入土體：取消激活頂管機進入土體時對應部分的土體，激活頂管機頭，并施加掌子面壓力，設置頂管機與土體之間的接觸摩擦參數，法向摩擦系數設定為0.1。

（3）開挖階段：取消激活頂管機前方1.5 米的土體，同時在掌子面施加壓強來模擬注漿壓力。

（4）頂進階段：激活進入土體的對應管節，設置頂管與管節的位移，激活頂管機，頂管管片與土體的接觸面，來模擬動態頂進過程。

（5）重復（3）（4）階段，直至貫通。

三、結果分析

1.縱向位移

矩形頂管頂進施工引起地層縱向位移，見圖3。由圖可知，頂管前方的土體整體表現為先隆起后沉降的變化趨勢，該現象主要是由于頂管機在靠近指定斷面位置時，刀盤對前方土體擠壓作用顯著，加之“背土效應”的影響，最終造成開挖地層隆起，最大值接近10mm；待頂管機通過指定斷面后，開挖形成的地層損失加上管節對周邊地層的摩擦作用，地表開始出現沉降趨勢，且隨著頂管機頂進距離的增加，沉降量逐漸增大。在距離始發井10-30m 范圍內，地表沉降整體趨于平穩，地層擾動較低。

圖3 縱向位移

2.橫向位移

選取距始發井30m 處展開橫斷面地表沉降分析，見圖4。由圖可知，當頂管機尚未到達30m 處時，地表隆起顯著，呈現出凸起外形，且中間位置隆起值最大，為4.1mm。待頂管機通過30m 位置時，地層損失引起的地表沉降快速增加，最大值為14mm，土體位移變化量超過15mm。結合地表變形結果，建議在施工過程中需要格外注意控制頂管頂力，避免土體因過度擠壓而出現隆起甚至“開裂”。待頂管機完成穿越的瞬間，需要及時補償注漿，以降低地層損失所形成的較大沉降。

圖4 橫向位移

四、結語

本文依托合肥市黃河路橫穿包河大道矩形頂管工程，研究了矩形頂管施工的地表沉降規律，主要結論如下：

（1）頂管機施工的頂進方向的地表沉降值最大為10mm左右，在距離始發井10-30m之間的地層擾動較小。

（2）通過分析距始發井30m 處的橫斷面地表沉降值可知，頂管機通過此位置時，地表沉降值最大為14mm，土體位移變化量超過15mm，相關人員施工時要及時采取相關措施減少地層擾動，控制地表沉降在合理的控制范圍內。