頂管施工對始發(fā)端土體影響的分析與研究

徐中秋，楊 揚，魯芬婷

（皖江工學院 土木工程學院，安徽 馬鞍山 243000）

隨著城市地下空間工程的不斷增加， 地下頂管隧道工程日益增多。 頂管的進洞和出洞是頂管施工安全風險最大的2 個階段， 尤其是在大直徑頂管隧道和平行頂管施工時， 如何選取合理的頂管端頭土體加固方式來確保頂管進出洞施工的安全成為了一個重要的研究課題［1］，近年來得到了研究人員較為廣泛的研究。

在具體的應(yīng)用過程中， 頂管法施工不僅會對管道周圍的土體產(chǎn)生擾動， 還會使周圍的土體出現(xiàn)卸載或加載等復雜的力學行為［2］，在頂管始發(fā)端頭的土體加固中，端頭土體加固的范圍、施工工藝是施工質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素， 選取合理的端頭土體加固范圍既能保障施工安全，又能控制施工成本［3］。 因此，對平行頂管施工引起的始發(fā)端地表豎向變形進行研究具有十分重要的科學意義和實踐價值。

本文通過室內(nèi)模型試驗， 分析了頂管在頂進過程中對始發(fā)端頭土體豎向位移的影響， 采用有限元數(shù)值分析法分析頂管端頭土層在加固長度下洞門拆除后土體穩(wěn)定性， 從而為現(xiàn)場端頭土層加固提供一定的數(shù)值分析基礎(chǔ)。 最后將試驗得出的結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比， 為今后類似頂管始發(fā)端施工提供理論借鑒，保障工程的安全性。

1 工程概況

常州市第三水廠工程二標段項目位于常州高鐵站附近，主要任務(wù)為排除擴建區(qū)域、部分高鐵區(qū)域及周邊區(qū)域的澇水。 地層以粉質(zhì)黏土、細砂和生物碎屑為主，地層持力性較差。 地下水資源豐富，潛水、承壓水分布范圍廣泛。 隧道布置如圖1 所示，隧道內(nèi)徑為4 m，隧道外壁間距為4 m，隧道管節(jié)厚為0.31 m，隧道中心埋深12 m。

圖1 隧道現(xiàn)場布置圖

始發(fā)端地表變形觀測共布置Ⅰ、 Ⅱ兩個監(jiān)測斷面， 監(jiān)測斷面平行于工作井外墻且與頂管頂進方向成垂直狀態(tài)。 監(jiān)測點整體以2# 隧道橫斷面中心線對稱布置，監(jiān)測斷面橫跨30 m，監(jiān)測斷面Ⅰ距離地連墻1 m， 監(jiān)測斷面Ⅱ沿著頂管頂進方向與監(jiān)測斷面Ⅰ相距5 m。

2 室內(nèi)模型試驗

2.1 確定相似比

若完全按照現(xiàn)場管道的原型和布置的監(jiān)測點進行試驗，將會出現(xiàn)許多不確定因素。 因此，在試驗準備階段依據(jù)相似原理對研究對象進行縮放以提高試驗的可操作性?？紤]到實驗室的空間限制，選取幾何相似比為1∶40［4］。

2.2 選定相似材料

在試驗中，結(jié)合相似性準則的要求，采用石膏硅藻混合物來模擬管道接頭混凝土， 使用經(jīng)過加工的鐵絲模擬管道接頭加固，具體參數(shù)見表1。

表1 管節(jié)混凝土和鋼筋參數(shù)

同步注漿材料采用現(xiàn)場成品混合泥漿， 在實驗室加入適當?shù)乃M行攪拌， 在攪拌的過程中加入天然鈉基高黏膨潤土。 選取施工現(xiàn)場的原狀土作為試驗的圍巖材料，從現(xiàn)場采集土樣后，在實驗室進行清洗、噴灑和風干。

2.3 模型設(shè)備總體設(shè)計

為達到試驗?zāi)康模?選擇了如圖2 所示的頂管模型試驗設(shè)備系統(tǒng)，該設(shè)備可以較好地模擬實際工況，并且可以全面監(jiān)測試驗結(jié)果，該設(shè)備具體組成如下。

圖2 頂管模型試驗設(shè)備系統(tǒng)

（1）試驗箱尺寸為1 000 mm × 800 mm × 800 mm，該試驗箱由整體框架和鋼化玻璃組成。

（2）切土系統(tǒng)可以完成切土工作，并把切下的土運出。

（3）頂管機系統(tǒng)可以控制管節(jié)在土體中的頂進速率和刀盤的轉(zhuǎn)速，內(nèi)部設(shè)備包括機頭和管節(jié)。

（4）同步注漿系統(tǒng)可以將漿液裝入容器中，該容器上有閥門，通過調(diào)整閥門可控制注漿壓力大小。（5）數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測和記錄試驗箱中土體的豎向位移變化。

2.4 試驗與監(jiān)測方案

按相似準則分層填土（每層填土高為5 cm），填土后夯實。 夯實后，按相似比例加水，填埋土至模型箱高度650 mm 時停止， 隨后進行8 h 不排水固結(jié)。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測點布置的位置， 將位移傳感器放置在模型箱的頂部支架上相對應(yīng)處， 形成2 個監(jiān)測斷面為斷面Ⅰ和斷面Ⅱ。將其放置完畢后，通過計算機軟件調(diào)整試驗參數(shù)，并試運行，確保試驗設(shè)備不會出差錯。 將配制好的漿料倒入漿料槽中，在注漿過程中，保證氣壓穩(wěn)定，確保注漿順暢、不堵塞。 控制電機推動頂管機，控制頂管機頂進速度為4 mm/min，控制刀盤速度為5 r/min，速度均勻，頂推力穩(wěn)定，使頂管機連續(xù)頂進至結(jié)束。

3 試驗結(jié)果分析

隨著試驗的推進，當頂進距離達到25 mm 時，機頭正好達到監(jiān)測斷面Ⅰ， 以中間孔頂管軸線X 上的沉降觀測點為中心點O，中心點左側(cè)X 軸為負，右側(cè)X 軸為正，Y 軸為頂進方向。 測得斷面Ⅰ和Ⅱ在施工過程中的地表變形圖。其中模型箱監(jiān)測面斷面如圖3所示，監(jiān)測斷面Ⅰ的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4 所示。

圖3 模型箱監(jiān)測斷面圖

圖4 斷面Ⅰ土體的Z 軸方向位移

由圖4 可知，在頂管始發(fā)破洞頂進過程中，頂進對開挖隧道周邊土體產(chǎn)生了較大的擾動， 其大部分監(jiān)測點顯示此時為沉降狀態(tài)， 并且沉降態(tài)勢進一步擴大。此后頂管進行正常段頂進施工，在頂進一段時間后測得各觀測點地表沉降較之前的測值有所減小， 后續(xù)同步跟進的注漿填補了管壁與土層間的空隙，并在注漿壓力的作用下，對土體形成了一定的外側(cè)擠壓效果， 彌補了之前的土體損失并隨之產(chǎn)生地表隆起。在排除施工中的停機、注漿等其他因素的干擾后，其整體變形趨勢仍符合Peck 經(jīng)驗公式。 遠離頂管橫斷面的土體在施工中主要產(chǎn)生隆起現(xiàn)象，其擾動相對較小。

當頂進距離達到150 mm 時，機頭正好達到監(jiān)測斷面Ⅱ，監(jiān)測斷面Ⅱ的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖5 所示。

圖5 斷面Ⅱ土體的Z 軸方向位移

由圖5 可知， 土體因受擠壓作用產(chǎn)生了不同程度的隆起，但在后續(xù)頂進監(jiān)測過程中，斷面Ⅱ和Ⅰ整體趨勢相同， 其地表變形規(guī)律類似。 綜合斷面Ⅰ和Ⅱ，其實測地表變形曲線反映了頂管施工擾動機理，即地表變形經(jīng)過頂管前端土體變形段、 施工沉降段和土體固結(jié)段3 個階段， 其斷面Ⅰ和斷面Ⅱ監(jiān)測地表變形量不超過1.0 mm。

4 數(shù)值模擬

4.1 計算模型的建立

運用Midas GTS NX 軟件對三排頂管破洞始發(fā)這一過程進行模擬分析，數(shù)值模型如圖6 所示。

圖6 三排頂管破洞始發(fā)數(shù)值模型

該數(shù)值模型采用的土體本構(gòu)關(guān)系是在莫爾庫倫本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上改進的［5］，適用于模擬非線性彈性模型，可以運用于大多數(shù)地面計算，該模型建立的參數(shù)如表2 所示。

表2 模型參數(shù)

4.2 地表變形分析

為研究在橫向端頭土體加固強度下， 三排頂管頂進對始發(fā)端土體穩(wěn)定性的影響， 模擬三排頂管始發(fā)頂進到10 m 時的工況， 取其Y=0 截面處地表位移圖，豎向位移結(jié)果如圖7 所示。

圖7 頂管群頂進10 m 時Z 軸方向位移

從圖7 可知，當頂管始發(fā)頂進至10 m 處時地表沉降最大值為4.45 mm。 隨著加固區(qū)土體強度黏聚力的提升， 頂管頂進過程中的整體地表沉降槽深度逐漸減小，對地表的施工擾動也在減弱，其地表沉降最大值在不斷減小。因此在實際施工中，要充分保障高壓旋噴成樁施工質(zhì)量， 在考慮不影響頂管機刀盤切削土體的前提下， 旋噴注漿加固后的土體粘聚力越大越好。

5 現(xiàn)場監(jiān)測與模擬結(jié)果對比分析

數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的對比如圖8所示。

圖8 模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比圖

由圖8 知， 在頂管始發(fā)破洞頂進對原狀土造成了較大的擾動， 在頂管群疊加擾動區(qū)內(nèi)土體產(chǎn)生了沉降， 而外側(cè)產(chǎn)生地表隆起； 此時最大地表沉降為0.87 mm，斷面Ⅰ處的數(shù)值模擬最大沉降值1.36 mm，可見端頭土體的合理控制可以有效降低端頭土體始發(fā)沉降，提升整體施工的穩(wěn)定性。在頂管群后續(xù)頂進到斷面Ⅱ工況時，數(shù)值模擬結(jié)果整體呈沉降狀態(tài)，與現(xiàn)場監(jiān)測變形結(jié)果相比差距較大， 可能是受頂進的同步注漿、跟進注漿等因素影響，此時斷面Ⅱ只在頂管中軸線2 m 范圍內(nèi)發(fā)生較小的沉降， 整體狀態(tài)為隆起狀態(tài)，最大隆起值達到4.12 mm。 從2 個斷面的數(shù)值模擬和實際監(jiān)測結(jié)果來看， 實測結(jié)果均被模擬值包絡(luò)在線形內(nèi)部， 由于數(shù)值模擬無法模擬頂管刀盤切削土體等眾多因素的存在， 模擬值較實測值平穩(wěn)，而實測值波動較大，實測值與模擬值雖然在具體數(shù)據(jù)上有差別， 如斷面Ⅰ與斷面Ⅱ的實測值呈現(xiàn)出不規(guī)則波形，但總體趨勢相同，符合Peck 沉降槽經(jīng)驗公式。

6 結(jié)論

本文主要研究了頂管始發(fā)段對端頭土層穩(wěn)定性的影響，并總結(jié)了頂管始發(fā)地表變形的一般規(guī)律，主要得出以下結(jié)論：

（1）頂管室內(nèi)模型試驗結(jié)果表明，始發(fā)端土層在頂管施工的過程中， 主要經(jīng)歷了頂管前端土體變形段、施工沉降段和土體固結(jié)段3 個階段。

（2）頂管群端頭土體加固可以有效地減免頂管始發(fā)破洞對土體的擾動，使沉降變形槽減小，地層穩(wěn)定改良效果顯著，即可以達到穩(wěn)定地層的目的。

（3）在注漿條件下，頂進管周邊始發(fā)端土體的位移隨著頂進距離的增大而增大， 通過調(diào)整施工參數(shù)可以有效降低端頭土體始發(fā)沉降， 可為今后現(xiàn)場頂管施工提供借鑒。