頂管下穿公路段地層變形研究

馮 凱 孟曉風 程思悟 胡建林

(1.河北建筑工程學院土木工程學院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室，河北 張家口 075000)

0 引 言

隨著對地下空間的開發(fā)利用和快速發(fā)展，運用頂管法施工的工程越來越廣泛，在減少了開挖工作量的情況下就能修建鐵路等交通設施的特點，作為非開挖施工工藝不僅節(jié)約預算取得良好的經濟效益，而且在一定程度上減少工期保證城市建設的有序進行.這種施工技術早在20世紀初美國鐵路工程中，頂管機形從手動式發(fā)展到機械式，應用于工程中發(fā)揮了很高的水平.

在國內外專家學者對頂管施工做出了大量的研究中，張建安[1]以某施工街道作為研究對象并采用數(shù)值模擬來研究頂管法施工中不同頂推力和摩阻力對土體變形的影響，而后者的影響擾動范圍更大，為控制地表變形可采用注漿來減少管片對管道周圍土體的摩擦；張宇[2]等以某地頂管施工項目為背景下，分析得到頂進時先行頂管和后續(xù)頂管受管道距離、管道個數(shù)等條件都會對施工過程造成影響，且當頂管間距影響范圍以內時要考慮放大效應；王源容[3]等收集了頂管技術百來年的發(fā)展過程中，頂管新工法和新設備都促進了頂管技術有了飛快發(fā)展.方恩權[4]等為防止土體下陷，在Peck公式修正的基礎上對地表進行監(jiān)控量測.

本文研究以頂管下穿公路為背景，對工程的各項參數(shù)通過理論計算的數(shù)據(jù)進行對比，考慮不同頂推力、不同摩阻力和不同埋深等因素的影響來分析頂管施工頂推力產生的地表沉降，并采用FLAC3D進行數(shù)值模擬的方法進行研究，得出地表位移的規(guī)律曲線和影響范圍，總結開挖位置對地表沉降的影響規(guī)律，對實際頂管施工工程具有一定的參考意義，所造成的環(huán)境危害提出建議做出有效控制措施.

1 模型的建立

1.1 計算模型

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對頂管下穿公路施工進行模擬.對于地下隧道工程通常會涉及到半無窮或無窮大區(qū)域，但采用有限元解決時要化為有限域離散問題.

研究表明，頂管法施工時造成的地表土層位移類似于隧道開挖，施工時所引起的土層變形和應力影響在3d～5d范圍內(d為頂管的洞徑)，因此為滿足精度確保工程安全性和有限元差分法模擬分析，在隧道和頂管施工中，研究地表變形的區(qū)域一般以頂管圓心中軸線為原點向左右兩邊擴張3倍到5倍的洞徑范圍.

綜上研究，模型建立區(qū)域以上部地表為自由面并沿路基方向為X軸，開挖水平X方向的管道外徑到模型邊界的長度，即頂管左右兩邊長度各為3倍洞徑(11.5m)，根據(jù)埋深程度減少誤差影響確定高度并沿豎直高度為Z軸，開挖垂直Z方向管節(jié)底邊緣到模型邊界的長度，即頂管下方為3倍洞徑(11.5m)，根據(jù)每個管節(jié)3m的長度確定施工方向為30m，每次頂進3m十次完成并沿此開挖方向為Y軸.建立的模型尺寸為23m×30m×18m(X×Y×Z)；管道為shell單元.如圖1所示.

圖1 計算模型

1.2 材料參數(shù)

結合公路路基參數(shù)《公路設計規(guī)范》選取[5]，由工程的施工勘測結果，頂管頂進不同地層時的圍巖也有所差別，土層均為線彈性材料進行模擬，選為兩種工況.數(shù)值模型計算參數(shù)見表1.

表1 數(shù)值模型計算參數(shù)

1.3 理論研究

R.B.Peck[6]是最早使用經驗公式方法來研究頂管施工所造成地表沉降并得出變形規(guī)律的代表，通過對實際隧道施工檢測，認為可以用倒立的正態(tài)高斯分布來近似表示地面沉降曲線圖，從而提出了地面沉降經驗公式——Peck公式[7-10].地表沉降程度用Peck曲線來表示.

(1)

(2)

(3)

式中，S(x)為某一點與隧道軸線的水平距離為x的最終沉降值，mm;Smax為隧道軸線以上最大地面沉降量，mm；x為距離隧道軸線橫向水平距離，mm；i為地基變形沉降槽的寬度系數(shù)；VL為單位長度地表變形槽的地層損失，mm2；R為隧道半徑(mm)；H為覆蓋隧道軸線到地面的土體厚度，mm；N為參數(shù)，取值0.8-1.0，軟土取值一般較大.

1.4 數(shù)值模擬基本假定

該模擬運用三維有限元分析軟件研究頂管施工對土體變形的影響規(guī)律并是建立在基本假定的基礎上.基本假定如下[10]：

(1)土體地層為均勻、連續(xù)性材料；

(2)在頂管頂進時不考慮土體自重變形對施工的影響；

(3)掘進過程中機頭強度遠大于土體強度，忽略掘進機頭影響和被卡住的偶然現(xiàn)象；

(4)假設頂進推力為均布荷載；

(5)忽略頂進管間接頭影響且為各向同性材料；

(6)不考慮時間效應頂管頂推力對土體的影響.

2 計算結果分析

本節(jié)采用三維有限差分軟件建立頂管下穿公路段地層變化分析模型，結合相關工程規(guī)范，研究了頂管施工的底層變化規(guī)律，深入分析了不同管道埋深、圍巖等級對地層變形的影響.

2.1 頂管埋深對地面變形的影響分析

本文模擬圓形頂管在頂推力的作用下，根據(jù)結構受力和材質特性并結合相關規(guī)范，研究施工過程中地表變化規(guī)律.其中管道埋深程度是影響變形的重要因素，以Ⅲ級圍巖為例，將管道分別埋深5m、7m、9m時，來計算分析其對地層位移變化值，如圖2表示.

圖2 地層位移云圖(不同埋深)

由圖2可知，管道的埋深會造成不同程度的地表變形，且影響較為明顯，在其他施工工況條件不變的情況下，頂管埋置越深對地面擾動就會越小，曲線沉降槽的寬度不斷加大，地面沉降值不斷減小，即管道埋深與地面沉降值呈反比.埋深為5m、7m、9m時地面下陷的最大值也在不斷增加分別為10mm、12.5mm、14.9mm；地表隆起規(guī)律也很相似，最大值分別為10.14mm、12.73mm、15.41mm.

由模擬發(fā)現(xiàn)沉降最大、最小值都分別在頂管的拱頂和拱底.對圖3曲線圖分析，分別設定為5m、7m、9m的管道埋深時，路基正中心點的沉降最大值分別為2.25mm、2.02mm、1.87mm.通過數(shù)據(jù)得到，隨著管道埋深的不斷增大，土體自重越來越大，開挖施工時對路基的擾動范圍增加,但影響程度逐步減小.

圖3 路基中心軸線沉降圖(不同埋深)

2.2 圍巖等級對地面變形的影響分析

對于不同圍巖等級的頂管施工會對上部路基變形產生影響，圍巖不同土體的彈性模量也不同，彈性模量是重要的材料參數(shù)，是用來檢驗材料抗彈性變形能力的重要指標，基于建立的有限元模型，在埋深5m且頂進18m的情況下，分別模擬Ⅲ級圍巖、Ⅳ級圍巖、Ⅴ級圍巖時的地面沉降位移值.如圖3所示.

圖3 地層位移云圖(不同圍巖等級)

由圖3可以看出，在相同埋深的情況下，并模擬相同的頂近距離，圍巖等級越大對周圍土體的擾動越大，影響范圍也隨之增大，對頂管管道周圍土體產生的沉降和隆起值不斷增大.采用不同圍巖等級頂進18m，圍巖等級采用Ⅲ級圍巖、Ⅳ級圍巖、Ⅴ級圍巖時造成的地面沉降最大值分別為9.6mm、13.3mm、13.5mm，隆起最大值分別為11mm、13mm、13.5mm，同時發(fā)現(xiàn)圍巖等級不同，致使土體彈性模量也被改變，土體彈性模量增加使沉降和隆起值變小，二者呈反比關系，但頂管管道施工造成的地表變形規(guī)律未改變，與模擬不同埋深相似的是頂管拱頂?shù)某两抵底畲?，頂管拱底的隆起值最?由圖4路基中心沉降圖看出Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖的地面沉降值分別為0.7mm、4.6mm、5.1mm，路基地面沉降隨著圍巖等級不同發(fā)生變化.

圖4 路基中心軸線沉降圖(不同圍巖等級)

3 結 論

本文針對頂管施工下穿公路的相關工程為背景，及其施工引起地層變形進行研究，采用理論分析、FLAC3D有限元分析軟件建立數(shù)值模擬模型,對頂管施工不同埋深、不同圍巖等級的條件下展開研究，得到以下結論：

(1)模擬頂管施工過程中，在相同頂進距離時，考慮埋深、圍巖等級兩方面因素，得到路基中心軸線沉降圖，分析在不同地層位置的地面變形.

(2)頂管埋深是影響地面變形的重要參數(shù)，在相同圍巖和同一頂進距離隨著埋深的增加，頂管施工對路基中心監(jiān)測斷面的沉降影響減小.因此在頂進過程中為有效減少沉降影響，應合理控制埋深選取開挖位置.

(3)土體的屬性有所差別，本文選取不同等級圍巖作為研究方案，由土體剛度大小和土體抗變形能力，在同一埋深和相同頂近距離的條件下，對土體擾動影響范圍，圍巖等級越高，地層損失越大，對周圍土體的擾動越大，土體變形越大，且三種圍巖變化明顯，但各級圍巖變化規(guī)律一致.