曲線頂管施工中地表沉降規(guī)律數(shù)值模擬研究

保軍強(qiáng) 王秀葉 周博文 謝 昊

（1.鄭州征遠(yuǎn)建設(shè)工程有限公司，河南 鄭州450007；2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州450001）

頂管法是一種比較成熟的暗挖施工工法，在城市建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。在建筑密集市區(qū)或在穿越江河及江堤地段、下水管道、越江煤氣管道、過(guò)堤出江排水管等工程中已有許多成功案例[1-2]。目前，頂管施工場(chǎng)地周?chē)h(huán)境逐漸復(fù)雜化，穿越線路內(nèi)經(jīng)常遍布重要管線，地鐵運(yùn)營(yíng)線路，重要建筑物，公路高架橋，江河湖泊等[3-5]。這就要求頂管施工嚴(yán)格控制對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，爭(zhēng)取做到微擾動(dòng)施工，但從目前的施工水平和控制工藝來(lái)看，頂管法施工產(chǎn)生的擾動(dòng)仍然較大[6-7]。巖土工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)者對(duì)頂管施工造成的地表沉降做了一定研究，得出了一些有益的結(jié)論[8]，但是對(duì)于曲線頂管施工造成的地表沉降，還沒(méi)有一個(gè)合理的計(jì)算公式進(jìn)行表達(dá)。采用通用的大型有限元數(shù)值分析軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬分析，總結(jié)規(guī)律，勢(shì)必會(huì)為地表沉降的預(yù)測(cè)提供一定的依據(jù)。

1 數(shù)值建模及分析

1．1 模擬假定

本文建立了如下4個(gè)關(guān)于三維有限元模型的基本假定：

1.1.1 假定土體為各向同性的連續(xù)的彈塑性材料，并服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，為便于討論，土體僅分3層考慮；

1.1.2 頂管模型為規(guī)則的矩形截面，不考慮長(zhǎng)寬夾角處的平滑過(guò)渡，考慮到管道接頭之間的影響，采用管道彈性模量折減的方法代替，管道材料為各向同性的線彈性體；

1.1.3 通過(guò)初始地應(yīng)力平衡在開(kāi)挖前已經(jīng)完成土體在自重作用下產(chǎn)生的變形和應(yīng)力；

1.1.4 土體變形的時(shí)間效應(yīng)在管道頂進(jìn)過(guò)程中不予考慮。

1．2 參數(shù)選取

模型尺寸選為70m×48m×40m，土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，注漿層采用彈性體，使用的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。頂推力采用距離開(kāi)挖面底部1/3處的被動(dòng)土壓力，大小為434kPa。摩擦力取7kPa，注漿壓力取0.1MPa。等代層的厚度取為0.2m。

表1 土體的物理力學(xué)指標(biāo)

1．3 網(wǎng)格劃分

模型中，土體網(wǎng)格采用8節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元，頂管網(wǎng)格采用4節(jié)點(diǎn)殼單元。為模擬泥漿套的支撐作用，頂管與外部土體之間的網(wǎng)格采用接觸單元。

2 地表沉降的具體分析

本文從3個(gè)因素對(duì)地表沉降進(jìn)行數(shù)值模擬分析，這3個(gè)因素包括：泥漿套的摩阻力、機(jī)頭壓力、土體抗力。

2．1 泥漿套的摩阻力對(duì)地表沉降的影響

對(duì)泥漿套的質(zhì)量影響比較大的因素包括注漿壓力、注漿的位置、注漿量，其質(zhì)量的高低體現(xiàn)于泥漿的減阻效果，泥漿套的減阻效果通過(guò)頂管與土體間的摩阻力來(lái)模擬。圖1-圖2為不同摩阻力下地表的變形情況。

從圖1可以看出，頂管推進(jìn)過(guò)程中摩阻力較小時(shí)，周?chē)馏w的擾動(dòng)也較小，地表的沉降可以忽略不計(jì)，影響范圍較??；隨著摩阻力的增大，周?chē)馏w的擾動(dòng)開(kāi)始增大，地表的沉降增大，影響范圍也隨之增大。從圖2可以看出，摩阻力越大，機(jī)頭正上方的土體沉降越小，其前方土體的隆起越大，對(duì)前方土體的影響范圍也越大。

圖3-圖4為隨著泥漿套的完整程度發(fā)生變化，泥漿套的位置不一樣時(shí)地表變形的計(jì)算結(jié)果。從圖3可以看出，隨著泥漿套完整度的加大，地表沉降隨之減小。從圖4可以看出，泥漿套完整度越高，機(jī)頭正上方沉降越小，其前方隆起也越低。

圖1 各摩阻力下的地表變形（橫向）

圖2 各摩阻力下的地表變形（縱向）

圖3 不同位置的地表變形（橫向）

圖4 不同位置的地表變形（縱向）

圖5 不同注漿壓力下地表變形（橫向）

圖6 不同注漿壓力下地表變形（縱向）

圖7 不同機(jī)頭壓力下的地表變形(橫向)

圖8 不同機(jī)頭壓力下的地表變形（縱向）

圖9 不同抗力下的地表變形（橫向）

圖10 不同抗力下的地表變形（縱向）

圖5-圖6為不同注漿壓力下的地表變形。從圖4可以看出，注漿壓力對(duì)地表的影響包括沉降和隆起。壓力為0.1Mpa時(shí)，表現(xiàn)為沉降；壓力為0.2MPa時(shí)，地表產(chǎn)生隆起，且隆起量較大。從圖6可以看出，注漿壓力對(duì)已開(kāi)挖部分土體影響較大，而對(duì)前方土體的影響可以忽略不計(jì)。

2．2 機(jī)頭壓力對(duì)地表沉降的影響

圖7-圖8為在不同機(jī)頭壓力作用下，地表的變形結(jié)果。

從圖7可以看出，機(jī)頭壓力的變化對(duì)地表沉降的影響不是太明顯。從圖8可以看出，隨著機(jī)頭壓力的增大，前方土體的隆起也增大，隆起值最大的位置逐漸向機(jī)頭位置靠近。

2．3 土體抗力對(duì)地表沉降的影響

圖9-圖10為不同土體抗力下地表沉降的變形結(jié)果。從圖9、圖10可以看出，土體抗力在橫向?qū)Τ两涤幸欢ǖ挠绊懀诳v向?qū)Τ两档挠绊懣梢院雎圆挥?jì)。

3 地表沉降模式與動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)

根據(jù)本文有限元的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合地表沉降曲線實(shí)測(cè)值，通過(guò)回歸分析可得在曲線頂管情況下地面沉降SV的計(jì)算公式如下：

式中，Xc——與頂管曲線半徑有關(guān)的回歸系數(shù)；SV——距離頂管中心線x處的地面沉降量；Smax——地面最大沉降量（x=Xc時(shí)）；i——沉降曲線的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

根據(jù)文獻(xiàn)研究，找出與上述抗力相對(duì)應(yīng)的頂管曲率半徑，再根據(jù)以上的擬合結(jié)果，得到回歸系數(shù)與頂管曲率半徑的關(guān)系曲線。再對(duì)該曲線擬合，可以得到二者的關(guān)系式如下：

對(duì)于值的估計(jì),根據(jù)文獻(xiàn)[9]的研究，根據(jù)上海等地區(qū)的頂管工程沉降實(shí)測(cè)資料，用O’Reilly和New的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的值與實(shí)測(cè)值較為接近：

式（3）適用于粘土，式（4）適用于粒狀土。

4 結(jié)論

本文利用ABAQUS進(jìn)行了一系列的數(shù)值模擬分析，得出了如下結(jié)論：

4.1選擇合理的注漿壓力可以控制地表沉降的發(fā)生，在提高掘進(jìn)速度的情況下，及時(shí)注漿充填可以控制地表沉降。

4.2曲線頂管施工，地表沉降最大的位置不是通常我們認(rèn)為的管道正上方，而是曲線的圓心一側(cè)。偏離曲線的距離與土體抗力有關(guān)，土體抗力越大，偏離的距離越大，反之越小。

4.3泥漿套的完整程度對(duì)地表沉降有重要的影響。泥漿套越完整，則地表的沉降量越小，反之越大。

4.4三維曲線頂管情況下，地面沉降SV可采用式（1）進(jìn)行估算。

［1］溫鎖林.大斷面矩形頂管施工對(duì)環(huán)境影響研究［J］.中國(guó)市政工程，2011（5）:37-39+89-90.

［2］張文瀚，謝雄耀，李攀.淺層頂管隧道施工對(duì)路基變形影響數(shù)值分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011（S2）:1619-1624+1652.

［3］黃宏偉，胡昕.頂管施工力學(xué)效應(yīng)的數(shù)值模擬分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003（3）:400-406.

［4］房營(yíng)光，莫海鴻，張傳英.頂管施工擾動(dòng)區(qū)土體變形的理論與實(shí)測(cè)分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003（4）:601-605.

［5］朱合華，吳江斌，潘同燕.曲線頂管的三維力學(xué)模型理論分析與應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2003（4）:492-495.

［6］羅筱波，周健.多元線性回歸分析法計(jì)算頂管施工引起的地面沉降［J］.巖土力學(xué)，2003（1）:130-134.

［7］馮海寧，溫曉貴，龔曉南.頂管施工環(huán)境影響的二維有限元計(jì)算分析［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2003（4）:56-59+68.

［8］吳修鋒.頂管施工引起的地層移動(dòng)與變形控制研究［D］.南京工業(yè)大學(xué)，2004.

［9］方從啟，李向紅.淺層頂管施工引起地面沉降的預(yù)測(cè)［J］.江蘇理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，20（6）:5-8.