頂管施工引起地表變形規(guī)律的分析

曹 浩

(長沙理工大學交通運輸學院，湖南長沙 410075)

1 概述

近年來，城市頂管隧道廣泛應用于市政工程，頂管法作為一種不開槽施工方法，其最大的優(yōu)勢在于采用不開挖的暗挖方式，從而避免了作業(yè)對地面建筑物或構(gòu)筑物的直接影響、施工對交通和人流的影響以及大開大挖對隧道附近的建筑設施和風景區(qū)的破壞。但是，頂管施工不可避免地會對地層產(chǎn)生擾動，在淺埋隧道中，這種擾動尤其明顯。若這種地層移動與地面沉降過大，會嚴重危及鄰近建(構(gòu))筑物基礎、鄰近建(構(gòu))筑物、路面和地下管線的安全，從而引發(fā)一系列的環(huán)境巖土問題［1-3］。

從已有的文獻看，國內(nèi)外學者提出了許多關于頂管施工與隧洞開挖引起地層移動的研究方法，主要可分為兩種:經(jīng)驗估算研究方法與數(shù)值模擬研究方法。經(jīng)驗估算法得到的數(shù)據(jù)僅限于地表面處的位移，很難滿足實際需要，因而在應用上具有很大的局限性。有限元法不僅能充分地反映土體性質(zhì)的影響，而且還可以考慮地層損失，對頂管施工引起的地表變形進行分析。

2 工程概況及施工過程簡介

10 m，是益陽市的一條重要交通通道。該工程北至資江邊西流灣電排，管徑為2.6 m。沿途橫穿長益路，縱穿建設路，全長391.7 m。采用鋼筋砼管長距離頂管施工。根據(jù)工程需要共設頂管工作井1個，頂管接收井1個，秀峰湖圍堰1個。管道外徑為3 120 mm，內(nèi)徑為 2 600 mm，管道長度為 2.5 m/節(jié)，管道軸線埋深為 6.46 m，覆土厚度為 4.90 m。管道采用手掘式頂管工具管施工。

根據(jù)益陽市建筑設計院提供的益陽市建筑路秀峰水系改造頂管工程地質(zhì)勘察報告(詳勘)，頂管施工區(qū)段內(nèi)地表向下15 m深度范圍內(nèi)的地層可以分為3個大層，管道穿越素填土1層，管道所處位置及各土層分布如圖1所示，各地層計算參數(shù)如表1所示。頂管施工現(xiàn)場如圖2～圖4所示。

圖1 頂管施工斷面圖

益陽市建筑路秀峰水系改造工程，采用頂管法施工。建筑路位于益陽市北部，北接濱江路，南連長益路，西臨319國道和益陽市汽車南站，建筑路西側(cè)有秀峰建材市場和益陽市建筑裝飾公司，東側(cè)有東方紅賓館和市交通局等。建筑路長約400 m，寬約

3 地面變形機理分析

頂管推進過程中產(chǎn)生的地面變形(沉降或隆起)的根本原因是頂管施工對周圍土體的擾動。頂管推進過程中產(chǎn)生的地面變形由以下5個部分組成，見圖5所示。

表1 地層計算參數(shù)表

圖2 頂管工作井

圖3 工作面

圖4 頂管施工出土

圖5 地表變形的一般規(guī)律

3.1 工具管到達前的地面變形

工具管離該斷面比較遠時，由于工具管的振動、切削和攪拌，工具管前方土體中的孔隙水和空氣被擠出，土體顆粒出現(xiàn)較小程度的移動，土體被壓縮，地表產(chǎn)生較小的沉降;隨著工具管的靠近，前方土體不但受工具管的擾動更受后面千斤頂?shù)臄D壓。這種情況下前方土體就會出現(xiàn)一定程度的隆起;試驗證明:工具管離開挖面的距離越近，該斷面土體隆起越快、越大。

3.2 工具管到達時的地表變形

當工具管距離該斷面很近時，工具管正前方的土體受到后方千斤頂?shù)臄D壓、切削、刀盤的切削剪切應力以及振動荷載的作用，應力狀態(tài)十分復雜;刀盤的切削引起正前方斷面土體水平應力減少，而后方千斤頂?shù)捻斖朴质顾綉υ黾?這種情況下:如果水平應力的減少與水平應力的增加大致相等，那么前方正面土體就會處于穩(wěn)定狀態(tài);如果水平應力的減少小于水平應力的增加，那么前方正面土體就會隆起，如果水平應力的減少大于水平應力的增加，那么前方土體就會向工具管移動，引起前方正面土體沉陷。因此，此部分地層位移與工具管的正面壓力有關［4］。

3.3 工具管通過時的地表變形

當工具管通過時，工具管外殼與周圍土層發(fā)生剪切現(xiàn)象，形成剪切滑動面。剪切滑動面周圍的土層出現(xiàn)剪切應力，此剪切應力引起地表的移動。試驗證明:千斤頂頂推速度越快，剪切應力就越大，土體位移也越大。因此，此部分地層位移與千斤頂頂推速度有關。

3.4 工具管通過后的地表變形

當工具管通過后，由于工具管直徑略大于后續(xù)管道直徑約2～5 cm，故當工具管通過后，管道周圍土體向管道移動，以彌補管道與周圍土體之間的孔隙，從而引起土體的移動。為了減少土體的移動、保持土層的穩(wěn)定以及減少頂進過程中的摩阻力，我們在施工過程中必須及時地向管道外壁注入潤滑漿，并保持一定的注漿壓力。因此，此部分地層位移與注漿量、注漿方式和注漿方法有關。

3.5 受擾動土體再固結(jié)引起的地面變形

試驗證明:頂管施工結(jié)束后有很長一段時間的工后沉降，它約占土體總沉降的5% ～30%;工后位移量與瞬時位移量成很好正相關關系，頂管施工瞬時位移量大，工后位移量也會大，反之也成立。因此，工后位移雖然不可避免，但我們可以通過減少施工瞬時位移來減少工后位移。而且，在實際施工中要通過工后位移的數(shù)值大小來決定是否對周圍建筑物或臨近地下管道采取保護措施［5］。

4 頂管施工對地表變形影響的數(shù)值模擬及與監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析

4.1 基本假定

1)土體為均勻的各向同性彈性體，根據(jù)工程實際情況中土體的物理性質(zhì)不同，將土體分為3層，各層材料參數(shù)和層厚見表1。

2)管線為等直徑、等壁厚，且不考慮管道接頭的影響，管道材料為各向同性的線彈性體。

3)土體在自重作用下產(chǎn)生的應力和應變在開挖前己經(jīng)完成;數(shù)值計算所產(chǎn)生的變形為施工過程中的變形。

4)在頂進過程中不考慮土體變形的時間效應，只考慮頂進過程中空間距離的變化。

5)工具管的正面附加推力近似為圓形均布荷載，并將其作用在推進面前方的土體上，根據(jù)設計和現(xiàn)場實際情況，取正面推進力為0.6 MPa。

6)管道與周圍土體緊密接觸，即在變形過程中，管與土不產(chǎn)生相對滑動或脫離。

7)由于頂管機頭的剛度和襯砌遠大于土體剛度以及彈性體位移連續(xù)性的要求，不考慮實際的頂管機頭，而以力、位移和邊界條件來模擬。

8)頂管注漿壓力以均布切向荷載的形式作用在四周的土體上，取為0.15 MPa。

4.2 三維有限元模型的建立

本文根據(jù)益陽建筑路頂管施工的實際情況，模型范圍取值為:x方向取26 m(沿x軸正向和負向各取13 m)，y方向取 19.535 m，z方向取 40 m，頂管頂進方向見圖2。為合理利用資源，對于頂管的三維有限元網(wǎng)格劃分采取關鍵部位網(wǎng)格加密，關鍵部分以外網(wǎng)格稀疏化的方法。土體采用三維8節(jié)點等參數(shù)單元，土體、漿體和管道均采用Solid45單元［6］，物理力學參數(shù)根據(jù)工程概況實際情況選取，網(wǎng)格采用自由劃分，單元數(shù)為10 920個，節(jié)點數(shù)為12 141個，有限元模型如圖6～圖8所示。有限元的計算邊界條件為:地表為自由面;平面x=-13和x=13限制其x方向的位移，底面y=-13處限制其y方向的位移，平面z=0和z=-40限制其z方向的位移。土體開挖斷面直徑為3.270 m，管道外徑為3.070 m，管道內(nèi)徑為2.600 m，管道埋深h為4.9 m，注漿層厚度為 0.1 m。

圖6 頂管頂進坐標示意圖

圖7 模型網(wǎng)格圖

圖8 施加約束條件的模型圖

4.3 現(xiàn)場監(jiān)測點的布置與地表變形曲線

觀測點變形隨時間變化和地表沉降觀測點平面位置見圖9～圖12。

圖9 地表沉降觀測點平面位置圖(單位:m)

圖10 1#～5#點地表沉降變化曲線

圖11 7#～12#點地表沉降變化曲線

圖12 13#～18#點地表沉降變化曲線

4.4 計算模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比分析

這里選取開挖至z=-6 m處的計算結(jié)果與實測結(jié)果進行分析。

4.4.1 地表豎向位移沿頂進方向的變化規(guī)律

為了解在頂進荷載作用下地表土體的位移變化規(guī)律，分別在地表(y=6.535 m)處分別選取:x=0.0 m，1.33 m，2.0 m，3.99 m，6.4 m 處為研究對象，得到的結(jié)果如圖13所示。從圖13可以得出地表隆起值沿頂進方向的變化規(guī)律:在靠近推進面一定范圍內(nèi)，地表隆起迅速增加并達到峰值，隨后逐漸下降，隨著離推進中心線的距離越遠，地表隆起值的增加及衰減速率都有所下降。地面隆起時最大值并不是出現(xiàn)在軸線的正上方，而是在推進面前方2.0 m(約1.0D)左右處。在推進面的后方，由于反對稱性，地表產(chǎn)生沉降，其變化規(guī)律與推進面前方地表隆起的變化規(guī)律相似，但是產(chǎn)生的沉降比推進面前方最大隆起值要大，主要原因是開挖面距離工作井比較近，工作井的土體在工作井施工時受到很大的擾動，并且由于地層損失，引起頂管頂進時沉降值較大，這與實測結(jié)果如圖9～圖12的變化一致，但實測最大隆起值為7點的值為18 mm，計算結(jié)果為2 mm，主要原因是計算模型假定土體為各向同性彈性體。

圖13 地表豎向位移沿z軸的變化規(guī)律

4.4.2 地表豎向位移沿水平方向的變化規(guī)律

土體在推進力作用下受到擠壓作用，該擠壓作用使得頂進軸線上方的土體隆起，左右的土體向兩側(cè)擠壓。由圖14可以得出:沿垂直于管道軸線方向，地表豎向位移在管道軸線方向上最大，表現(xiàn)為地表隆起，向水平方向(即左右兩側(cè))對稱遞減，正面附加推進力使推進面土體產(chǎn)生明顯的“拱”效應，離推進面越近，起“拱”效應越明顯，但地面隆起時最大值并不是出現(xiàn)在軸線的正上方，而是在推進面前方2.0 m(約1.0D)左右處。而在推進面的后方，則出現(xiàn)明顯的沉降槽，曲線形狀與Peck公式計算地面沉降曲線較吻合，且這里沉降槽在z=-2 m處最為明顯，主要是由于z=-2 m處距離工作井很近。這里選取了斷面3的實測沉降曲線如圖15所示，最大沉降值為-18 mm，計算模型為-6.3 mm，這個差別主要由于計算模型的假定引起?！捌鸸啊毙挠绊懛秶?0 m左右以內(nèi)，相當于2～3倍洞徑。圖15左右兩側(cè)沉降不對稱是由于頂管向左側(cè)偏斜引起的。

圖14 地表豎向位移沿x軸的變化規(guī)律

圖15 斷面3地表沉降圖

4.4.3 軸線方向豎向位移沿頂進方向的變化規(guī)律

豎向位移沿z軸的變化規(guī)律見圖16。由圖16可以得出:不同覆土層厚度的豎向位移不同，在接近管壁處(y=0.0 m)的位移最大，其變化趨勢也最明顯，沿著y軸方向，豎向位移減小，其衰減的速度不一樣，在距離管道軸線越遠，衰減的速度越快。地表的位移并不是最大的，主要是由于頂管采用手掘式頂管施工，軸線處和管壁處的土體受到比較大的附加應力而產(chǎn)生大的位移，隨著附加應力沿垂直方向在土體中擴散，地表的位移最小。這個變化規(guī)律與施工現(xiàn)場的監(jiān)測變化趨勢完全吻合(形狀為“弓形”)。此處“弓形”形狀很明顯，主要是由于選取的節(jié)點較多而密集。

圖16 豎向位移沿z軸的變化規(guī)律(x=0.0)

4.4.4 地表水平位移沿水平方向的變化規(guī)律

頂管施工引起的土體變形是三維的，不僅有豎向位移，還有沿推進方向的水平位移。土體在推進力作用下受到擠壓作用，左右的土體則向兩側(cè)擠壓。地表水平位移沿x軸的變化見圖17。由圖17可以得出:最大的軸向水平位移并不是發(fā)生在工具管上方，而是在工具管左右兩側(cè)約4 m處，相當于1.5D(D為管道直徑)處，這與頂進時軸向附加應力引起的擴散效應是相一致的。離工具管越遠軸向水平位移越小，其衰減速度越慢，影響范圍要寬。并且最大橫向位移沿著管道軸線方向并不是在開挖面，而是在頂進面后方約1.5倍管道直徑處。這與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)吻合。

圖17 地表水平位移沿x軸的變化

4.4.5 不同注漿壓力作用下的地表變形規(guī)律

不同機頭壓力下的地表變形(此處機頭位置在z=-6 m處)見圖18。從圖18可以得出:機頭壓力對地表變形產(chǎn)生了重要影響。機頭壓力越大，地表變形的隆起值越大，其隆起的最高點距機頭所在的位置越遠。機頭壓力增大會使機頭前方上體的變形增大，影響范圍也增大;而對于機頭后方的土體，機頭壓力越大，其沉降也越大，但沉降值小于隆起值。

圖18 不同正面推進力作用下的地表變形

5 結(jié)論

本文運用ANSYS有限元軟件分析了頂管施工引起的土體的運動，探討了頂管施工引起地表變形的規(guī)律，得出地表變形的最主要的影響因素是正面附加推力、工具管和后續(xù)管道與土體之間的摩擦力和土體損失。結(jié)論如下:

1)頂管施工引起地表變形主要是上述各因素綜合作用的結(jié)果，在三者共同作用下引起的地表變形不是三者單獨作用下引起的地表位移的簡單相加，而是要比三者單獨作用之和要小，反映了三者對土體作用的藕合性。

2)地表豎向位移沿頂進方向的變化規(guī)律:在推進面前方土體隆起，在推進面后方土體發(fā)生沉降，最大隆起位置位于工具管前方約1.0D處，且地表最大沉降值要大于最大隆起值。

3)地表豎向位移沿垂直于隧道軸線方向有明顯的“拱”效應，影響范圍為約2～3倍洞徑。

4)地表橫向位移最大不是在工具管上方，而是距軸線約1.5D處，且離工具管越近，水平位移越小。

5)正面推進力越大，引起的地表沉降和隆起值越大。

6)由于有限元數(shù)值模擬頂管開挖時做了一些基本假定，計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)有些差距，這也是以后需要進一步探討的問題。

［1］孫 鈞.城市工程活動引起土體沉降對環(huán)境公害的預測與控制［C］.中國土木工程學會第八屆年會論文集，1998.

［2］孫 鈞.城市工程活動的環(huán)境問題(上)［J］.地下工程與隧道，1999(3):2-6.

［3］孫 鈞，方從啟.城市工程活動的環(huán)境問題(中)［J］.地下工程與隧道，1999(4):7-9.

［4］魏 綱，徐日慶.頂管施工引起的土體擾動理論分析與試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2004(2):476-482.

［5］Attewell PB，F(xiàn)armer IW.Ground disturbance caused by shield tunneling stiff fissured overconsolidated clay［M］.In press-Engineering Geology，1974.

［6］李 圍，葉裕光，劉春山，等.ANSYS土木工程應用實例(第二版)［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［7］魏 綱，徐日慶，魏新江.頂管工程技術［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2011.