長距離矩形頂管施工穩(wěn)定性分析

摘要：在城市中采用明挖法施工地下通道受場地因素限制大，采用盾構(gòu)法施工經(jīng)濟(jì)性較差，頂管法則可規(guī)避以上問題。通過有限元軟件Abaqus建立三維有限元模型對長距離矩形頂管施工進(jìn)行模擬，指導(dǎo)類似工程施工，保證施工安全性。

關(guān)鍵詞：地下連續(xù)墻； 頂管施工； 穩(wěn)定性分析

中國分類號(hào)：U449.52A

［定稿日期］2022-07-27

［作者簡介］謝陽（1991—），男，碩士，工程師，從事隧道及地下工程勘察研究及勘察設(shè)計(jì)項(xiàng)目管理工作。

0 引言

近年來，地面交通越發(fā)擁堵，在城市中新建長距離頂管隧道工程很多，如何保證施工過程中的安全性成為工程界需要時(shí)刻重視的問題，針對此問題，許多學(xué)者展開了研究。朱紅［1］ 詳細(xì)闡述了矩形頂管的施工工藝及地鐵車站出入口結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對頂管的防水措施與管節(jié)排版等內(nèi)容進(jìn)行分析和探討。宋偉寧［2］通過假定，提出了土反力平衡法，系統(tǒng)建立了沉井井內(nèi)頂管后井壁在頂力與土抗力共同作用下荷載近似計(jì)算模式。丁豪［3］通過對頂管與開槽埋管兩種不同施工方案進(jìn)行比較后概述了在軟土地基中施工排水管時(shí)頂管施工方式較為適合。龔慈［4］考慮側(cè)壁與沉井底部的摩阻力，由沉井水平方向受力平衡情況計(jì)算結(jié)構(gòu)允許頂力。通過實(shí)際算例與朗肯理論的結(jié)果相較可得，該方法可用于計(jì)算土體非極限被動(dòng)土壓，并考慮了頂管反力影響墻后土壓力分布。 毛海和［5］對現(xiàn)有頂管工作井計(jì)算方法進(jìn)行歸納總結(jié)，通過數(shù)值仿真驗(yàn)證后背墻反力在寬度和深度方向的分布規(guī)律。

綜上，頂管技術(shù)在我國得到了較為廣泛地應(yīng)用，但對于長距離矩形頂管的研究較少，本文通過三維有限元軟件Abaqus建立模型探究長距離矩形頂管施工穩(wěn)定性。

1 工程背景

以某城市中央商務(wù)區(qū)地鐵銜接通道工程為背景，通道長139 m（含始發(fā)及接收井區(qū)域），通道內(nèi)凈空尺寸6 m（寬）×4 m（高），外輪廓尺寸6.9 m（寬）×4.9 m（高），通道主體采用頂管法施工，通道起、終點(diǎn)設(shè)始發(fā)、接收井（圖1）。頂管單向頂進(jìn)。始發(fā)井作為頂管出發(fā)井，以始發(fā)井壁后土體作為頂管頂進(jìn)后靠。為減小頂進(jìn)期間被動(dòng)區(qū)土體變形，對工作井后靠局部區(qū)域土體進(jìn)行加固作為后靠。本文主要研究頂管出洞期間工作井、頂管結(jié)構(gòu)與土體變化情況及開挖面穩(wěn)定性。

2 數(shù)值計(jì)算及分析

2.1 計(jì)算模型建立及參數(shù)選取

模型左右前后側(cè)均對法向位移進(jìn)行約束，對底面的空間位移進(jìn)行約束。有限元模型如圖2、圖3所示。有限元模型尺寸為300 m×300 m×100 m，通道內(nèi)凈空尺寸6 m（寬）×4 m（高），外輪廓尺寸6.9 m（寬）×4.9 m（高），通道壁厚0.45 m。

本工程計(jì)算土體均也采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。土體均采用實(shí)體單元模擬。土體及結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，土體的彈性模量取5～10倍的土體壓縮模量，本計(jì)算中取為7倍。加固后土體的彈性模量取為120 MPa，管片選用C50混凝土，彈模取為30 GPa，泊松比取0.3，重度取25 kN/m3。

2.2 計(jì)算工況及結(jié)果

2.2.1 計(jì)算工況及計(jì)算結(jié)果

將本工程數(shù)值仿真分為4個(gè)步驟模擬，數(shù)值模擬施工順序：工況0：初始工況，工作井施工；工況1：鑿除地下連續(xù)墻頂進(jìn)位置80 cm厚的墻體；工況2：頂管頂進(jìn)10 m；工況3：頂管區(qū)段施工完成，總長度為96.48 m。

分析不同施工步情況下地下連續(xù)墻和開挖面的穩(wěn)定性。工況0～工況3部分計(jì)算結(jié)果如圖4～圖7所示。

市政工程謝陽： 長距離矩形頂管施工穩(wěn)定性分析

2.2.2 數(shù)據(jù)分析

工況2、工況3數(shù)值計(jì)算結(jié)果如表2、表3所示。

從工況2結(jié)果可看出：開挖面和地連墻以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)y方向的最大位移值分別是1.91 cm和5.42 mm以及1.22 mm；y方向最大正應(yīng)力分別為-1.1 MPa和-1.66 MPa以及-0.43MPa。

從工況3結(jié)果可看出：開挖面和地下連續(xù)墻以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的位移最大值分別是2.53 mm、4.6 mm、-0.74 mm；y方向最大正應(yīng)力分別為-0.2 MPa、-0.97 MPa、0.29 MPa。施工結(jié)束后一年的現(xiàn)場監(jiān)測情況顯示：內(nèi)部結(jié)構(gòu)最大位移為近工作井端底面-0.8 mm，與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合，而后監(jiān)測數(shù)值基本保持不變。

根據(jù)不同工況下土體沉降的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，可得出頂進(jìn)到該位置時(shí)土體存在隆起情況，距離頂進(jìn)位置越遠(yuǎn)，土體隆起量越小。期間土體最大隆起量發(fā)生在中心軸線，最大值為5.5 mm（圖8）。

3 結(jié)論

（1）鑿除地下連續(xù)墻時(shí)，開挖面向工作井內(nèi)變形和連續(xù)墻向下的位移均小于10 mm，開挖面安全。頂管頂進(jìn)距離為10 m時(shí)，地下連續(xù)墻與開挖面土體以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)y方向的最大位移分別為5.42 mm與1.91 cm以及1.22 mm，位移仍較小，開挖面安全。頂進(jìn)結(jié)束后，地連墻與開挖面土體以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)最大位移分別為4.6 mm與2.53 cm以及-0.74 mm，頂管段全程最大y方向位移為-0.96 mm，3部分位移均較小。

（2）數(shù)值模擬得出頂進(jìn)區(qū)域土體隆起量較大，距離頂進(jìn)位置越遠(yuǎn)土體隆起量值越小，頂進(jìn)之后該位置會(huì)發(fā)生沉降，隆起量越大的位置沉降值越大。

（3）通過對本工程的數(shù)值計(jì)算分析，可以對類似工程起到借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

［1］ 朱紅.地下車站出入口通道矩形頂管工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與探討［J］.地下工程與隧道，2010（1）：1-4+52.

［2］ 宋偉寧，葛春輝.頂管工程中后座并壁荷載近似計(jì)算方法探討［J］.特種結(jié)構(gòu)，1995（4）：31-35+2.

［3］ 丁豪，龔福鑫，賀志宏，等.頂管施工在市政工程中的實(shí)際應(yīng)用［J］.特種結(jié)構(gòu)，2001（3）：54-56.

［4］ 龔慈，魏綱，徐日慶.頂管施工中矩形沉井工作井允許反力的計(jì)算［J］.巖土力學(xué)，2005（7）：1127-1131.

［5］ 毛海和.頂管矩形工作井復(fù)合式后背墻反力分布研究［J］.巖土力學(xué)，2007（6）：1212-1216.