頂管施工中地面沉降分析及環(huán)境對(duì)策

陳錦華 常學(xué)林

（1蘭州交大工程咨詢有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州730070；2蘭州市市政工程管理處，甘肅 蘭州730050）

1 計(jì)算模型

半解析元法是一種基于變分原理的半解析數(shù)值方法，其特點(diǎn)是在運(yùn)動(dòng)規(guī)律明確的方向采用解析函數(shù)，而在運(yùn)動(dòng)規(guī)律尚不明確的方向進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，從而減少計(jì)算單元的數(shù)目。將土介質(zhì)與項(xiàng)管結(jié)構(gòu)作為一個(gè)系統(tǒng)，根據(jù)土體的位移變化規(guī)律，在兩個(gè)方向選取適當(dāng)?shù)奈灰坪瘮?shù)以建立解析解函數(shù)，在另一個(gè)方向?qū)⑾到y(tǒng)離散并采用分片插值函數(shù)。這一過(guò)程把土介質(zhì)與頂管結(jié)構(gòu)作為一個(gè)系統(tǒng)沿軸向劃分成段單元或環(huán)單元，單元中環(huán)向和徑向的解析函數(shù)族與軸向的分片插值函數(shù)一起構(gòu)成半解析解函數(shù)，即

式中Rm(r),Θn(θ)分別表示徑向和環(huán)向解析函數(shù)，可根據(jù)所研究問(wèn)題的位移規(guī)律恰當(dāng)選取；Nk(x)為軸向離散的分片插值函數(shù)；αkmn為廣義自由度，它是離散化方程中的未知量，在本文中它是位移；αmnk={u v w}。作為解析函數(shù)的構(gòu)成要素，akmn不是獨(dú)立的，它是與解析函數(shù)Rm(r），Θn(θ)和離散插值函數(shù)Nk(x)均有關(guān)的變量。解析方向的解析函數(shù)和離散方向的插值函數(shù)的共同調(diào)整使得控制方程和邊界條件得以滿足。

這樣，原來(lái)的三維問(wèn)題轉(zhuǎn)換成了只在一個(gè)方向離散的數(shù)值計(jì)算，從而減小了單元的數(shù)目和計(jì)算時(shí)間，提高了計(jì)算效率。

在頂管軸線方向，亦即施工中的前進(jìn)方向。由于位移的變化規(guī)律尚不清楚，故將該方向作為離散方向。這樣，在沿頂管軸線方向用一系列垂直于軸線的平面將系統(tǒng)離散成環(huán)單元。

2 半解析元法分析過(guò)程

2.1 半解析函數(shù)

基于上述徑向和環(huán)向解析，軸向離散的半解析分析方案構(gòu)造如下位移函數(shù)：

當(dāng)r≥R時(shí)

環(huán)向解析函數(shù)采用三角函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是收斂較快；p，q分別為環(huán)向、徑向解析函數(shù)所取的級(jí)數(shù)的總項(xiàng)數(shù)；Nk(ξ)是離散的軸向插值函數(shù)，其中：

s為分片多項(xiàng)式插值函數(shù)Nk(xi)的插值項(xiàng)數(shù)，在此處的半解析元中，結(jié)點(diǎn)變成結(jié)面。Nk(xi)的確定原則為當(dāng)xi取第k個(gè)結(jié)面xik時(shí)有：

其中ukmn,vkmn,wkmn,Nk(xi)與項(xiàng)數(shù)s有關(guān)。將式(2)，(3)寫成矩陣形式，有

式中N1，N2，N3為軸向離散插值函數(shù)。

上式中，當(dāng)s=3時(shí)，有

2.2 半解析單元應(yīng)變列陣

半解析單元應(yīng)變列陣為

式中[B]為幾何矩陣。

3 鄰近施工中所預(yù)料的問(wèn)題點(diǎn)

因掘進(jìn)機(jī)而造成的地基變形，根據(jù)掘進(jìn)機(jī)所在位置，可做如下分類：

(1)掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖面前的地基變形

(2)掘進(jìn)機(jī)通過(guò)中的地基變形

(3)掘進(jìn)機(jī)脫出后的地基變形

除此以外有時(shí)因地下水位降低或流沙涌出產(chǎn)生大范圍下沉。一旦在軟弱粘性土地基中掘進(jìn)時(shí)明顯擾動(dòng)了地基，管道通過(guò)后數(shù)個(gè)月內(nèi)往往會(huì)發(fā)生持續(xù)下沉。若發(fā)生上述的地基變形，原有構(gòu)筑物的外在條件、支撐狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，原有構(gòu)筑物就會(huì)受到影響。

外力條件的變化引起地基的變形基本上可分為四類：

(1)由于圍巖的應(yīng)力釋放引起的彈塑性變形→地基反力的大小和分布的變化。

(2)由于有效覆蓋土壓力的增加而引起壓密下沉→垂直土壓力的增加。

(3)由于土壓力荷載引起的彈塑性變形→作用土壓力的增加。

(4)由于土質(zhì)變化引起的彈塑性下沉、蠕變下沉→地基反力的大小和分布的變化。由于這樣的外力條件的變化，原有構(gòu)筑物就會(huì)受到影響，就會(huì)發(fā)生下沉、傾斜和斷面變形等，但是否產(chǎn)生上述現(xiàn)象以及其大小程度，則取決于原有構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)條件、中間地基的土性值以及原有構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)條件、剛度等。研究鄰近施工的影響時(shí)，要在充分考慮了這些事項(xiàng)之后，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)可能發(fā)生的現(xiàn)象，才能進(jìn)行分析及評(píng)價(jià)其影響。

3.1 地基和鄰近構(gòu)筑物的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)

當(dāng)判定為臨近施工時(shí)，必須預(yù)測(cè)構(gòu)筑物隨著工程的進(jìn)展會(huì)發(fā)生怎樣的變形，定量掌握影響程度。

一般施工中采用處在地基土中構(gòu)筑物的模型，對(duì)隨著管道頂進(jìn)中地基的變形和構(gòu)筑物的動(dòng)態(tài)同時(shí)進(jìn)行分析方法被廣泛采用。具體做法是使用有限元法，在地基中把構(gòu)筑物作為梁編入。由于可直接得到截面應(yīng)力，所以可說(shuō)是一種簡(jiǎn)便的方法。但是在此方法中，由于把地基和構(gòu)筑物作為連續(xù)體進(jìn)行分析，在脫離構(gòu)筑物方向上的地基發(fā)生位移的部分，往往和實(shí)際狀態(tài)是不同的。因此對(duì)于不給地基位移造成影響的剛度小的構(gòu)筑物是有效的，在應(yīng)用剛度較大的構(gòu)筑物時(shí)，必須在地基土和構(gòu)筑物的邊界條件上進(jìn)行修正，以便適應(yīng)實(shí)際土質(zhì)和構(gòu)筑物的動(dòng)態(tài)。

3.3 處理對(duì)策

作為處理對(duì)策大致分三種情況，一是對(duì)掘進(jìn)機(jī)實(shí)施改進(jìn)的情況，另一種是對(duì)按有構(gòu)筑物進(jìn)行處理的情況，再有就是對(duì)介于上述兩者之間的中間地基實(shí)施處理的情況。其中對(duì)原有構(gòu)筑物側(cè)進(jìn)行處理是最終的手段。

對(duì)于掘進(jìn)機(jī)改進(jìn)，主要是關(guān)于施工方法的。例如由于土質(zhì)較硬，防止地面隆起將多刀盤掘進(jìn)機(jī)改為大刀盤掘進(jìn)機(jī)，或者為防止曲線段土體較軟，土體反力達(dá)不到要求時(shí)產(chǎn)生橫向位移而在管口加設(shè)的間隙調(diào)節(jié)器。

3.4 效果確認(rèn)

上述的處理對(duì)策，在管道頂進(jìn)之前要進(jìn)行試驗(yàn)施工，以確認(rèn)其效果滿足所期望的目標(biāo)。有時(shí)試驗(yàn)往往達(dá)不到足夠的效果，必須重新進(jìn)行分析，取定新的處理對(duì)策，直至試驗(yàn)成功。

[1]《頂管施工技術(shù)》，俞彬泉等著，人民交通出版社，1998。

[2]《推進(jìn)工法設(shè)計(jì)及施工》，南野九輝著，日本森北出版社，2007