頂管施工的環(huán)境影響有限元研究①

王 冬

(同濟大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092)

0 引言

頂管法是一種非開挖的地下施工方法，其優(yōu)勢在于非開槽的暗挖方式，能夠避免作業(yè)面對地上建筑物的直接影響，目前常用于自來水管、煤氣管、供暖管道和通信電纜等管道的施工.

但是，作為一種地下施工方法，頂管法也不可避免地會對管道周圍的土體產(chǎn)生擾動.如果對某些指標控制不好，會導(dǎo)致地面及地下構(gòu)筑物的破壞.因此，地表變形是頂管法施工監(jiān)控的重要內(nèi)容.近年來，學(xué)者從三維數(shù)值仿真方面對頂管施工的環(huán)境影響進行了探討［1－4］，但是對一些關(guān)鍵因素的研究還不夠充分.

本文采用三維有限元方法對某頂管工程進行數(shù)值模擬，分析影響土體變形的重要因素，探討了一些施工手段對周圍環(huán)境保護的效果，以期為頂管法的應(yīng)用提供指導(dǎo)作用.

1 有限元模型的建立

1.1 尺寸和邊界條件

某工程地下通道埋深5.2m，頂管外徑約2.6 m.計算模型的總寬度取約直徑的6倍，即32m.深度取約埋深的4倍，即20m;縱向長取77米.模型側(cè)面約束法向變形，底面固定，頂面自由.前后兩面的土體位置添加法向土彈簧.在進出洞的位置，以基坑圍護體系的鋼板樁以及圍檁、支撐等結(jié)構(gòu)作為邊界條件.在模型中，用SHELL單元模擬鋼板樁，BEAM單元模擬圍檁，忽略支撐的變形，用約束法向位移的方法來模擬支撐的作用.

1.2 參數(shù)選取

主要的土層包括:填土，厚1～2m;褐黃色粉質(zhì)粘土，厚 1 ～1.5m，重度 18.6 kN/m3，粘聚力17kPa，內(nèi)摩擦角22.8°;灰黃色淤泥質(zhì)粘土，厚1m，重度 17.7 kN/m3，粘聚力 10kPa，內(nèi)摩擦角 21.3°;灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，厚3～3.5m，重度17.3 kN/m3，粘聚力 6kPa，內(nèi)摩擦角 19°.

每個施工步的頂推力和摩擦力根據(jù)實測數(shù)值計算得到.為了避免邊界效應(yīng)，主要研究中間段，因此兩端的分析步進程較大，中間段分析步推進1～2m.

1.3 力學(xué)模型

采用剛度遷移法，利用多個靜態(tài)過程的跳躍式推進模擬連續(xù)的推進過程.力學(xué)模型滿足如下假設(shè):(1)頂管正面推力為均布荷載;(2)管壁與周圍土體的摩擦力沿管線均勻分布;(3)采用軟化單元模擬地層損失的作用;(4)管節(jié)剛度遠大于土體，忽略其自身變形，以位移約束來模擬［1］.

當小型盾構(gòu)掘進機推進過快，形成開挖面的超挖時，土體和后續(xù)管節(jié)之間就會存在空隙，對周圍土體的變形影響很大.這在有限元中很難進行模擬，本文采用弱化單元法，對周圍土體單元進行剛度折減(見圖1).

圖1中綠色單元為弱化薄層，經(jīng)過調(diào)整，將其彈性模量折減到10%，實際表明這與真實情況較為接近.

2 有限元計算結(jié)果分析

2.1 地表變形分析

經(jīng)過計算，地表最大沉降值為25mm左右，位置在后部管節(jié)軸線的正上方20～30m處;最大隆起值為1.8mm，在管節(jié)軸線上方地表靠近接收井的位置.另外，地表豎向位移的分布是具有一定規(guī)律的，從管節(jié)軸線位置向兩側(cè)擴展分布.

圖1 管節(jié)與土體間空隙

2.1.1 縱向變形分析

圖2是管節(jié)中軸線上方地表測點在某一時刻的變形曲線.可以看到，地表的表現(xiàn)為前方隆起，后方沉降，開挖面通過測點下方越遠，地表沉降越大.

圖2 縱斷面豎向變形曲線

當頂管從38m推進到43m，48m時，沉降逐漸累積，且最大沉降點在往前移，且最大隆起點也在往前移，最大沉降量約為25mm，隆起量為2mm.

當開挖到38m時，在48m附近開始表現(xiàn)為隆起，并在56m附近達到最大值;當開挖到43m時，在53m附近開始表現(xiàn)為隆起，并在60m附近達到最大值;當開挖到48m處，在58m附近開始表現(xiàn)為隆起，且在65m附近達到最大值.綜合而言，隆起前方隆起處在開挖面前方2D(D表示頂管直徑)左右處，并在3D處隆起量最大.

2.1.2 橫向變形分析

(1)地表沉降槽

圖3為管節(jié)推進到43m時，距離始發(fā)井14m左右的地層橫斷面的變形曲線.

圖3 橫斷面豎向沉降曲線圖

當橫向距離離管節(jié)中心達到1D時，地表沉降值減小到最大沉降的50%，距離超過2D后，沉降趨于平緩.根據(jù)這一曲線，可以預(yù)測地表橫截面方向的沉降大小，確定頂管推進時對地面的影響范圍.

(2)地表隆起區(qū)

類似地，橫向的地表隆起曲線是一個“倒鍋形”的拋物線.頂管推進到達43m時，此時最大沉降發(fā)生在距離開挖面17m處，且由中間往兩邊逐漸變小，曲線逐漸接近平緩.隆起區(qū)橫向影響范圍大約在2D左右，曲線即趨于平緩.

2.2 正面頂推力對地表變形的影響

研究頂推力對于地表變形的影響，假設(shè):(1)摩擦力為0MPa;(2)管節(jié)與土體之間的不存在空隙，即不用弱化周圍土層.

頂推力分別取 0MPa，11MPa，70MPa，90MPa 和110MPa，可以得出不同頂推力下的頂管推進過程.圖4是頂進43m時推力作用下的豎向變形.

圖4 頂推力對前方隆起區(qū)域的影響

可以看出，頂推力在0MPa時，由于應(yīng)力釋放，土體表現(xiàn)為沉降，當頂推力逐漸增加到11MPa，70MPa，90MPa和110MPa時，開挖面前方的土體隆起也逐步增加.另外，當頂推力逐漸增加時，隆起區(qū)域也逐漸往前移動.頂推力為0MPa時，沒有隆起區(qū)域，頂推力為110MPa時，隆起區(qū)域在前方5m處.

2.3 摩擦力對對表變形的影響

研究摩擦力對于地表變形的影響，假設(shè):(1)頂推力為110KPa;(2)不考慮管節(jié)與土體之間的空隙，即對管節(jié)周圍土體不進行弱化處理.土體與管片之間的摩擦系數(shù)分別取0，0.1，0.2，0.3，0.5 時，可以得出不同摩擦力下的土體變形情況(見圖5).

圖5 摩擦系數(shù)對豎向變形的影響

由上圖看出，當摩擦系數(shù)逐漸增大時，土體與管片之間的摩擦力也逐漸增加，此時開挖面前方的隆起量增大，而后方的沉降量也增加.且隆起區(qū)域距離開挖面的位置提前了.

2.4 注漿加固對于地表變形的影響

在管節(jié)與土體之間注漿后，由于空隙被填滿，注漿逐漸凝固后強度增加，此時管節(jié)土體的沉降將減少.根據(jù)經(jīng)驗，注漿通過將周圍土體弱化50%來模擬.

圖6是管節(jié)推進43m時地表中軸斷面在未注漿和注漿后豎向變形圖.

圖6 未注漿與注漿后縱斷面豎向變形對比

可以看出，注漿與未注漿兩種情況下，沉降情況變化很大.注漿后，沉降量明顯減少.最大僅為9mm，未注漿時，沉降量達到25mm左右.且最大隆起量也有所降低.圖7是管節(jié)推進到43m時兩種情況下距離始發(fā)井14m的沉降區(qū)域地表橫斷面變形圖.

3 結(jié)論

本文對某工程的施工過程進行了三維有限元模擬，建立了簡化的地層模型，對管節(jié)的頂進過程、開挖面正面推力、周圍土體摩擦力、注漿加固等影響作用等進行了深入的研究，主要得到以下成果和結(jié)論:

(1)地層的變形量控制在20mm左右，在頂進方向上，地表面的縱向變形是“S”型的.前方土體以隆起為主，后方則形成沉降槽.沉降槽在橫斷面的影響范圍2D，隆起區(qū)域在橫斷面的影響范圍也為2D左右.

圖7 橫斷面豎向沉降對比曲線

(2)推力小于開挖面土體的原位土壓力時，土體向后移動，地表發(fā)生沉降;當推力大于開挖面土體的原位土壓力時，土體向前方擠出，地表發(fā)生隆起.頂推力越大，隆起區(qū)域離開挖面也越近.

(3)不論在橫截面方向還是在推進方向，地表沉降均隨著摩擦力作用距離的增加而逐漸減小，在管節(jié)半寬度的6倍距離處幾乎沒有影響.

(4)注漿加固對地表的變形影響較大.注漿后，沉降量明顯減少.最大僅為9mm，未注漿時，沉降量達到25mm左右，最大隆起量也有所降低.

結(jié)合工程實踐，本文給出如下建議:

(1)土體與管節(jié)之間的摩擦力逐漸增加，則頂管機開挖面前方的隆起量增大，而后方的沉降量也增加.且隆起區(qū)域距離開挖面的位置提前了.因此，施工方應(yīng)控制好漿液配比，保證漿液質(zhì)量，盡量減小管節(jié)的側(cè)壁摩阻力，同時這樣也可以減小后方千斤頂?shù)耐屏?

(2)注漿對地表的隆起區(qū)域影響較大，在開挖面前方，注漿后地表隆起明顯降低.因此，應(yīng)保證同步注漿速度與推進速度匹配，做到“推進、注漿同步，不注漿、不推進”，通過控制同步注漿壓力和注漿量雙重標準來控制注漿效果，從而減小后方土體沉降量;

(3)頂推力主要對于開挖面的前方影響較大，隨著頂推力的增加，開挖面前方的土體隆起增大，但隨著開挖面距離的增加，影響逐漸減小，因此，在保證頂管能夠順利推進的前提下，盡量減小頂推力，當頂管推進遇到困難時，不能一味的通過增大千斤頂推力，可以通過調(diào)整頂管周圍漿液配合比，降低管節(jié)側(cè)壁摩阻力等其他方式，從而減小頂推力對地面變形的影響.

［1］黃宏偉，胡昕.頂管施工力學(xué)效應(yīng)的數(shù)值模擬分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22(3):400－406.

［2］馮海寧，龔曉南，徐日慶.頂管施工環(huán)境影響的有限元計算分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(7):1158－1162.

［3］楊轉(zhuǎn)運.淺埋曲線頂管施工效應(yīng)有限元分析［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報，2008，16(3):60－63.

［4］黃吉龍，陳錦劍，王建華等.大口徑頂管頂進過程的數(shù)值模擬分析［J］.地下空間與工程學(xué)報，2008，4(3):489－493.