程保民
(中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 102601)
作為一種非開挖施工工藝,頂管在市政工程得到廣泛應(yīng)用,避免了開挖支護(hù)對周邊空間的占用及交通的影響,也最大程度地減小了對周圍土體的擾動[1-4]。頂管法施工工藝具有對地面干擾小、施工速度快、綜合成本低等特點[5]。此外,湖區(qū)管道覆土較淺,常規(guī)頂管和拖拉管工藝無法有效應(yīng)用于現(xiàn)場施工,常采用大直徑頂管施工。為了探究大直徑頂管施工過程中頂管自身變形、頂管周圍土體變形、地面變形對施工安全影響。本文基于有限元分析軟件ABAQUS針對××涉湖區(qū)長距離大管徑頂管施工過程開展數(shù)值分析。
本項目依托××污水處理廠尾水排江工程,需在湖區(qū)下部進(jìn)行頂管施工,其中依托工程的3號~2號豎井頂管段全長1 540.12 m,頂管機(jī)掘進(jìn)過程中需下穿某湖區(qū)。穿湖段采用D4 000 mm的鋼筋混凝土管作為套管,長2 500 mm,管節(jié)襯砌厚度400 mm,頂管法施工,套管內(nèi)安裝不銹鋼支架和鋼格柵板,其上敷設(shè)雙排D1 200 mm PE管道。
區(qū)域內(nèi)3號~2號井段,頂管穿越地層主要有淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,厚度2 m,可塑粉質(zhì)黏土厚度2.3 m,硬塑粉質(zhì)黏土厚度8 m,強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,厚度3.1 m,其下為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。
土體是由巖石顆粒組成的松散顆粒體,其具有非線性、彈塑性、黏性、應(yīng)變硬化(軟化)、各向異性等復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變特性,同時土體所處狀態(tài)、應(yīng)力路徑、應(yīng)力歷史等對其應(yīng)力應(yīng)變特性也存在不同程度影響。對巖土工程進(jìn)行數(shù)值分析時,材料本構(gòu)模型的選擇,對分析結(jié)果(材料狀況、應(yīng)力及應(yīng)變行為)等起著關(guān)鍵的作用[6]。
針對巖土體問題的研究,ABAQUS提供了一系列適用于模擬巖土體的本構(gòu)模型,主要可分為彈性模型和塑性模型。數(shù)值模擬研究中頂管采用線彈性模型,而土體彈性階段采用線彈性模型,塑性階段采用線性Mohr-Coulomb模型。
數(shù)值計算之前,考慮到土體是由巖石風(fēng)化顆粒組成非均質(zhì)、非線性的散粒體材料[7],在荷載作用下其變形特性較為復(fù)雜,難以用一種數(shù)學(xué)模型反映其特點。故而對計算模型做如下假設(shè):
1)各層巖土體為均質(zhì)、各項同性、理想彈塑性體;
2)不考慮頂管管道接頭的影響,將其視為各項同性的線彈性體;
3)頂管正面推進(jìn)力為矩形均布荷載,地層損失沿管道軸向均勻分布;
4)頂管推進(jìn)過程中不考慮土體時間效應(yīng),只考慮頂進(jìn)空間位置的變化。
根據(jù)以上假設(shè)建立計算模型,設(shè)置頂管管節(jié)長度均為2.5 m。
頂管路段位于湖底,頂部黏土層透水性較差,可認(rèn)為是不透水層,故而將上部水壓力等效為均布荷載作用于模型頂面。施工過程中城際鐵路橋上運行城鐵產(chǎn)生的荷載,在本模型中對其簡化為一均布荷載作用于橋面。本數(shù)值模型中左右、前后及底部五個面分別約束對向位移,作為模型邊界條件。
同時頂管與周圍土體之間設(shè)置接觸關(guān)系,本文通過設(shè)置主從接觸面來模擬接觸問題,在ABAQUS中,主面上的節(jié)點可以穿過從面,但從面上節(jié)點不能穿過主面,選取主從面時,一般設(shè)置材料剛度較大的接觸面為主面,材料剛度較小的接觸面為從面,故本文選取頂管表面為主面。
除了設(shè)置主從接觸面之外,還需定義接觸面之間的相互作用,即接觸面之間的法向作用和切向作用。關(guān)于接觸面的法向作用,本文設(shè)置為“硬”接觸,即兩物體只有緊密接觸時才能傳遞法向壓力,當(dāng)兩物體分開時接觸面之間的法向壓力為零。而對于接觸面的切向作用,本文設(shè)置為“罰”接觸,即當(dāng)接觸面閉合時,接觸面之間可以傳遞切向應(yīng)力,其值:
τc=μp。
其中,p為法向接觸壓力;μ為摩擦系數(shù);τc為極限摩擦力。當(dāng)接觸面摩擦力小于τc時,接觸面處于黏結(jié)狀態(tài),接觸面?zhèn)鬟f的切向應(yīng)力隨接觸面應(yīng)變增大而增大;當(dāng)摩擦力達(dá)到τc時,接觸面處于滑移狀態(tài),此時接觸面?zhèn)鬟f的應(yīng)力不再增大。本文設(shè)置摩擦系數(shù)μ=0.25。
模擬根據(jù)試驗確定,所選材料參數(shù)如表1所示。
表1 材料參數(shù)
圖1為頂管施工推進(jìn)60 m時位移云圖,由圖1可知,頂管施工推進(jìn)25 m之后,由于頂管施工過程中對周圍土體的擾動,頂管頂進(jìn)使得該部分?jǐn)_動土體產(chǎn)生了附加應(yīng)力和位移,且由于擾動部分土體性質(zhì)改變,土體彈性模量降低,頂管周圍土體朝頂管軸線發(fā)生明顯變形,且沿頂管軸線垂面對稱。結(jié)合X,Y,Z向位移云圖,土體變形主要以Y向位移為主(頂管上方附近土體最大豎向位移達(dá)到7.21 cm),而往上反饋至地面的豎向位移逐漸變小。
提取頂管施工推進(jìn)不同距離時土體不同XY截面(取Z=5 m,10 m,17.5 m,25 m四個截面)豎向位移云圖如圖2所示。
隨著頂管施工推進(jìn),擾動頂管周邊土體,該部分土體彈性模量下降,在土體內(nèi)自重應(yīng)力作用下,頂管附近土體發(fā)生壓縮變形,頂管上部土體向下位移,頂管下方土體由于頂管擾動向上回彈[8-11]。同時土體變形范圍超過頂管施工推進(jìn)面,由于施加于推進(jìn)面上支護(hù)力的作用,推進(jìn)面之前的土體相對頂管周邊土體并未發(fā)生顯著豎向變形,但推進(jìn)面前方上部及下部局部方位土體由于頂管對土體的擾動仍發(fā)生較大變形。
頂管施工過程中頂管自身總的變形云圖如圖3所示,由于土壓力作用,頂管自身會壓縮變形,其中最大變形位置主要是頂管頂部區(qū)域,且隨著頂管逐步推進(jìn),頂管頂部變形值最大達(dá)到2.24 cm。
圖4為地表位移與頂管施工推進(jìn)距離的關(guān)系,由圖4(a)可知,沿頂管軸線方向隨著頂管施工推進(jìn),地表向下位移,且隨著施工繼續(xù)推進(jìn),地表位移進(jìn)一步加大,最終趨于穩(wěn)定值,地表沿軸線方向位移標(biāo)志線上各點最終豎向位移在-1.5 cm左右。同時頂管施工開始端地表變形稍大于終點段。根據(jù)平行軸線方向位移曲線變化特征,位移曲線變化明顯點一直在推進(jìn)面之前10 m左右,約等于頂管埋深。據(jù)圖4(b),頂管施工影響范圍在-15 m~15 m之間,且在頂管施工推進(jìn)距離2.5 m之前,地表基本未發(fā)生明顯位移,當(dāng)施工推進(jìn)距離為2.5 m,位移曲線發(fā)生變化,與圖4(a)所反映規(guī)律一致。隨著推進(jìn)距離增加,頂管上方位移進(jìn)一步增加,其中位移增加最快時頂管推進(jìn)距離在12.5 m~15 m之間,正處于該垂線下方。由此可知隨著頂管施工的進(jìn)行,頂管上方地表變形增加,且影響范圍超出推進(jìn)作用面,但隨著頂管的加固和作用面向前推進(jìn),最終區(qū)域變形穩(wěn)定。
通過對××涉湖區(qū)大管徑頂管施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析,得到了頂管頂進(jìn)過程中對周邊土體及頂管自身的變形影響的機(jī)理,其結(jié)論如下:
1)頂管施工推進(jìn)25 m之后,由于頂管施工過程中對周圍土體的擾動,頂管頂進(jìn)使得該部分?jǐn)_動土體產(chǎn)生了附加應(yīng)力和位移,且由于擾動部分土體性質(zhì)改變,土體彈性模量降低,頂管周圍土體朝頂管軸線發(fā)生明顯變形,且沿頂管軸線垂面對稱。
2)由于土壓力作用,頂管自身會壓縮變形,其中最大變形位置主要是頂管頂部區(qū)域,且隨著頂管逐步推進(jìn),頂管頂部變形值最大達(dá)到2.24 cm。
3)隨著頂管施工的進(jìn)行,頂管上方地表變形增加,且影響范圍超出推進(jìn)作用面,但隨著頂管的加固和作用面向前推進(jìn),最終區(qū)域變形穩(wěn)定。