頂管技術(shù)對道路影響的有限元研究

武 創(chuàng)

（中冶南方城市建設(shè)工程技術(shù)有限公司,湖北 武漢 430077）

0 引言

隨著城市化的不斷發(fā)展，地下管線日趨復(fù)雜。舊管線因為老舊破損，造成排水不暢、路面塌陷等事故時有發(fā)生。為了解決現(xiàn)狀管線的問題，傳統(tǒng)開挖法新建和修復(fù)升級地下管道造成城市道路“開膛破肚”現(xiàn)場時常發(fā)生。而管道非開挖技術(shù)是能夠解決“馬路拉鏈”現(xiàn)象的最佳辦法之一，具有綜合成本低、施工周期短、環(huán)境影響小、施工安全性好等優(yōu)勢。

頂管法是管道非開挖修復(fù)中較為常用的技術(shù)，頂管法施工就是在工作坑內(nèi)借助于頂進設(shè)備產(chǎn)生的頂力，克服管道與周圍土壤的摩擦力，將管道按設(shè)計的坡度頂入土中，并將土方運走。作為管道非開挖實施技術(shù)的一種，頂管法有其他非開挖實施技術(shù)的優(yōu)點：少開挖地面、不拆遷、不破壞地面建筑物、省時、高效、安全、綜合造價低等[1]。

頂管法也存在一定的局限性，主要包括如下方面：

（1）施工時容易引起道路路基路面隆起，因此規(guī)范規(guī)定頂管覆土不得小于1.5 m[2]。

（2）施工時對臨近的現(xiàn)狀管道有一定影響，頂管法可能會損壞鄰近的管道，因此當(dāng)鄰近的管線距離小于0.8 cm 或埋深小于0.8 m 時，建議不要使用該方法，或采取相應(yīng)的保護措施[3]。

總結(jié)上述的問題，因為頂管施工時，頂進管道過程中會造成一定程度的土體擠壓，所以對路基和相鄰管線有一定影響。該文擬通過有限元模擬分析頂管過程中的受力過程，得出頂管過程中管道對土體的影響，并通過有效的技術(shù)手段，擴大頂管法的適用范圍。

1 理論計算

1.1 基本理論

管道進入施工中引起土體變形的因素主要包括：

（1）地層損失造成沉降管道進入時，掘進面土體應(yīng)力較大，土體會向管內(nèi)移動塌落，由于土體的松動范圍超出工具管范圍，會造成進管周圍的土層也被松動，因此地層有了損失。

（2）正面附加推力與土壓力無法保持平衡，開挖面依靠附加推力與土壓力的平衡保證穩(wěn)定的出土，實際操作中，由于開挖面土質(zhì)條件復(fù)雜，會有附加推力與土壓力偏差較大的情況出現(xiàn)。若附加推力大于土體的被動土壓力，會造成土體的擠壓變形；若附加推力小于土體的主動土壓力，則會造成土體的坍塌。

（3）管道進入與土體摩擦力帶動周圍土體移動。進管過程中掘進機以及后續(xù)管節(jié)均會對周圍土體產(chǎn)生摩擦力，一般情況下掘進機與土體的接觸面積更大從而產(chǎn)生更大的摩擦力。

（4）總豎向位移。地表豎向變形主要由地層損失、正面附加推力、摩擦力三部分即造成，因此總的地表豎向變形如下式所示：

式中，P—掘進正面附加推力（kPa）；D—掘進機外圈直徑（m）；h—管道中軸線至地面距離（m）；G—土的剪切模量（MPa）。

經(jīng)計算，地層土體損失+正面附加推力+側(cè)面非均布摩擦力三者之和引起的豎向位移如表1 所示。

表1 沿縱斷面變形量圖——豎向總位移

1.2 計算研究結(jié)果分析

（1）管道進管對x、y 方向上的土體均有影響。

（2）對于y 和z 方向上位移關(guān)系，表現(xiàn)為距離管道操作斷面距離越大，z 方向上土體位移越小，即影響越小。

（3）對于x 和z 方向上總位移關(guān)系，表現(xiàn)為z 方向上土體位移隨x 不斷變化，距離管道操作斷面距離0~±8~9 m 不斷增大，到±8~9 m 時出現(xiàn)極大值，然后不斷減小，到±30 m 以上趨近于0。

2 模擬搭建

公式法依然有以下幾個問題不能解決：

（1）公式法計算包括計算土體沉降、管道與土體之間的摩擦力、正面附加推力三部分內(nèi)容，在計算正面附加推力時，由于現(xiàn)有公式無法計算已有管道通道的情況，因此在計算已有通道的管道進入時，采用的是折算迎面土壓力Nf的方式來計算，雖然通過多組數(shù)據(jù)對比證明計算在常識上合理，但仍有邏輯不嚴謹?shù)牡胤健?/p>

（2）公式法無法計算管道破壞后對地面承載力的影響，因此也無法驗證采用何種手段加固的有效性。

（3）管道進入過程中，管道的頂、拉的力是一直變化的，而在公式法中管道的頂、拉力在一定的客觀條件下被設(shè)定為恒定，這也是公式法存在的問題。

2.1 模型搭建

根據(jù)第一章公式法計算的結(jié)果表明，頂進管道、拖拉管道施工引起地面變形的因素主要包括土體損失、正面附加推力、管道與土體之間的摩擦力。其中，土體損失一般為土體產(chǎn)生沉降的主要原因，而正面附加推力、管道與土體之間的摩擦力會導(dǎo)致土體隆起。

為了克服傳統(tǒng)公式法計算的問題，該文利用有限元軟件對頂、拉管過程進行了三維動態(tài)模擬，采用位移貫入法克服了管道前進過程中推、拉力不斷變化的問題，分析了頂管摩擦力對地表土體豎向位移的影響程度及范圍，為施工對土體及周圍建筑物的影響及其危害程度提供了參考。

2.1.1 模擬實驗設(shè)計

該文擬研究管道在土體行進過程中對周圍土體的影響，得出管道行進垂直方向（y、z 軸）上土體的位移[4-5]。研究包括：

（1）對比推入和拉入管道情況下的土體位移。

（2）對比是否預(yù)先排土情況下的土體位移。

（3）對比不同管中埋深下的土體位移。

2.1.2 模型參數(shù)

設(shè)定進入管道為鋼管Q235，管壁厚18 mm 單根管節(jié)長6 m。設(shè)定自上而下地層依次如下：①層—淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土（厚4.0 m）；②層—粉砂（厚0.5 m）；③層—粉土。考慮頂管工程對土體影響的橫向?qū)ΨQ性，取1/2 土體進行模擬，土體范圍為x 方向取-8~0 m，y 方向取-6~6 m，z 方向取0~12 m。

由于只考慮摩擦力對土體豎向位移的影響，因此模擬時不考慮土體的重力作用，同時假設(shè)同層土體為各項同性，各土層之間為水平分層。對開挖的土體采用生死單元進行模擬，如圖1 所示，即開挖的單元隨頂管的頂進逐步由活單元狀態(tài)變?yōu)樗绬卧獱顟B(tài)?？紤]到模型中頂力施加的變化，采用位移貫入法給定單位時間位移使頂管沿給定方向移動一定的距離（該文對頂管的動態(tài)模擬過程共采用了520 個增量步）。頂管及刀盤采用線彈性模型模擬，土體采用線性Mohr—Coulomb 彈塑性模型模擬，而在Marc 中Mohr—Coulomb 準則的屈服函數(shù)與Drucker—Prager 準則的屈服函數(shù)相同，其屈服函數(shù)F及相關(guān)參數(shù)α、бy分別如下：

圖1 管道計入過程模型建模圖

式中，I1——應(yīng)力狀態(tài)第一不可變量；J2——偏應(yīng)力張量第二不可變量；α、бy——應(yīng)力不變量的函數(shù)；φ——內(nèi)摩擦角；c——土體黏聚力。

該文采用Marc 軟件中的庫侖摩擦模型進行摩擦模擬。由于頂管處于層②中，因此僅考慮頂管鋼管與層②的摩擦，對層①、層③與層②之間均采用黏合的接觸分析。Marc 軟件中對殼體單元的庫侖定理描述如下：

式中，ft——剪切力；μ——摩擦系數(shù)；fn——法向反作用力；vr——相對滑動速度向量；rv——發(fā)生滑動時接觸體之間的臨界相對速度；t——相對滑動速度方向上的切向單位向量。

2.2 模擬結(jié)果及分析

2.2.1 對比是否預(yù)先排土情況下的土體位移

在相同管徑、相同土體、相同埋深、相同推拉方式的前提下，預(yù)先排土與不預(yù)先排土兩種情況在垂直方向上土體位移的比較，并得出相關(guān)結(jié)論，見表2。

表2 預(yù)先排土和不預(yù)先排土情況下的土體位移 /m

從表2 數(shù)據(jù)分析可以得出結(jié)論：

（1）在相同管徑、相同土體、相同埋深、相同推拉方式的前提下，預(yù)先排土情況下的土體位移相較于不預(yù)先排土要大得多，比如在H=3 m、D=1.8 m 情況下，預(yù)先排土位移值為0.056 m，而不預(yù)先排土的位移值達到了0.108 m。

（2）由于預(yù)先排土在土體位移數(shù)據(jù)上明顯優(yōu)于不預(yù)先排土的情況，因此后面的實驗均在預(yù)先排土的假設(shè)下開展。

2.2.2 預(yù)先排土情況下，對比不同管道埋深下的土體位移

在相同管徑、相同管材、相同土體、預(yù)先排土情況下，比較管道埋深為2 m、3 m、4 m、5 m、6 m 五種情況在垂直方向上土體位移（不同進管距離）的比較，并得出相關(guān)結(jié)論，見表3。

表3 不同管中埋深下的土體位移 /m

從表3 數(shù)據(jù)分析可以看出，管道上方土體位移隨著管道埋深增大而減小、隨著管徑增大而增大。

2.3 結(jié)論

經(jīng)過上面的有限元實驗，得出下面的結(jié)論：

為了保證頂管工藝對土體上面的影響降到最低，在頂管前預(yù)先排土是必要條件。管道上方土體位移隨著管道埋深增大而減小、隨著管徑增大而增大；為了讓實施過程對路面有更小的影響，應(yīng)探索能讓土體位移更小、地面承載力損失更小的工程手段。

3 土體預(yù)先加固研究

管道在頂進過程中，對周圍土體有一定影響，進而影響管道處正上方地面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。下述旨在量化管道頂進過程中地面的受力，并研究使用超前小導(dǎo)管方法對土體進行加固后地面的受力，從而驗證措施的作用和合理性。

3.1 管道穩(wěn)定性研究

在相同土體情況下，分別比較1 000 m、1 500 m、1 800 mm 兩種管徑在管中埋深為2 m、4 m、6 m 三種情況下的地面的受力，見表4。

表4 不同管徑在不同覆土下頂管的路面受力情況比較/kPa

3.2 小導(dǎo)管加固方法下道路穩(wěn)定性研究

在相同管徑、相同土體情況下，采用超前小導(dǎo)管加固后，比較管中埋深為2 m、4 m、6 m 三種情況下采用不用加固厚度（10 cm、20 cm）情況下的地面的受力，計算結(jié)果見表5。

表5 不同管徑在不同覆土下頂管的路面受力情況比較/kPa

小導(dǎo)管加固的結(jié)論：

通過注漿加固的位移分布圖和應(yīng)力分布圖，找到管道斷面上的薄弱環(huán)節(jié)，在設(shè)置注漿加固方式時，在薄弱位置密集設(shè)置小導(dǎo)管，達到優(yōu)化布置小導(dǎo)管的目的；通過施工前后、小導(dǎo)管加固前后的地面承載力對比，得出非開挖施工方法對路面承載力影響的數(shù)學(xué)關(guān)系，可用于判斷具體實施方案的可行性。

4 結(jié)語

該文通過理論計算和仿真，量化性地研究了管道在非開挖擴容過程中管道對于路面的影響，對于研究管道頂管過程中的受力有著非常積極的作用：

（1）管道推入和拉入管道情況下，工藝對路面和周圍管線的影響沒有區(qū)別。

（2）不論管徑大小，預(yù)先排土對控制地面形變和周圍管線都有減小土體位移的作用。

（3）同樣管徑下，不同管中埋深下的土體位移也不一樣，管中埋深越大，土體位移也越大。

（4）采用小導(dǎo)管加固能顯著減少管道周圍的土體位移，提高該施工方法的適用范圍。