鋼管頂進順序對地表沉降的影響分析

張效銘 夏云朋 盧彥軍 匡代恩

(中鐵四局集團第五工程有限公司，江西 九江 332000)

鋼管頂進順序對地表沉降的影響分析

張效銘 夏云朋 盧彥軍 匡代恩

(中鐵四局集團第五工程有限公司，江西 九江 332000)

新管幕結合洞樁法在國內首次應用修建地鐵暗挖車站，缺少理論支撐和工程經(jīng)驗。以沈陽地鐵某工程為工程背景，建立有限元模型，研究頂管順序對地表沉降的影響，為后續(xù)施工提供工程經(jīng)驗。

鋼管頂進順序，地表沉降，數(shù)值模擬，F(xiàn)LAC3D

0 引言

隨著城市擁堵現(xiàn)象的加劇，修建地鐵是疏通城市交通的主要方法。但城市建筑物密集，地下管道、管線錯綜復雜。然而開挖地下空間不可避免會引起土體位移，嚴重的甚至會引起地表塌陷，造成工程事故。所以在一些地質復雜風險源較多的地段，需要采用更加安全的施工方法。

STS工法(Steel Tube Slab)是一種用于修建地鐵暗挖車站的新型支護體系。該工法采用頂管施工方法，將單管頂入土體后連接形成管幕，管幕形成支護結構，在管幕的支護下開挖土體，形成主體結構[1]。

本文以沈陽地鐵某工程為工程背景，并且在國內首次應用新管幕結合洞樁法施工，缺少理論支撐和工程經(jīng)驗，加之頂管施工是此工法的關鍵一步。本文建立有限元模型，研究頂管順序對地表沉降的影響，為后續(xù)施工提供工程經(jīng)驗。

1 有限元數(shù)值模型

本節(jié)建立的模型中，結合奧體中心站現(xiàn)場實際情況，初步將頂管的覆土厚度設為2.5 m。頂管設為殼體單元，管徑設定為900 mm，長度為12 m，厚度為22 mm。模型土體選取摩爾庫侖本構模型，土體和鋼管計算參數(shù)見表1，表2。

表1 土體計算參數(shù)

表2 管體計算參數(shù)

2 鋼管頂進順序分析

管幕的施工中，頂管的頂進可以有不同的順序，可以從一側頂進，也可以從中間向兩側頂進，同時也可以跳頂。本節(jié)頂管的頂進順序模擬，結合實際情況，選擇了兩種不同的方式，一是從左往右頂，另一種是從中間往兩側頂。工況一為頂管從一側頂，工況二為頂管從中間往兩側頂進。鋼管頂進順序土體尺寸采用10 m×8 m×12 m，鋼管間凈距10 cm，其余土體參數(shù)和鋼管參數(shù)均和核心土模型保持一致。

2.1工況一：從一側頂

由圖1可知，六根頂管已經(jīng)全部頂入土體之中，此時在第二根到第五根頂管上方沉降較為明顯。頂管下部有隆起現(xiàn)象，說明頂管下部土體在頂管的頂進過程中出現(xiàn)了土體卸載回彈，導致了土體在一定程度上的隆起，但是從總體上來看，地表發(fā)生了沉降，見圖1。

頂管從一側結束后，頂管下部土體在頂管頂進的作用下卸載，土體回彈，發(fā)生隆起，隆起值在0.5 mm～1 mm之間。且距離頂管頂進位置越遠，土體回彈值越小，這同時也說明了頂管的頂進過程中對土體的擾動有一定的范圍。對于地表變形而言，從圖2可以看出，地表最大隆起值在2.2 mm左右，不同斷面隨著頂距的不斷增大，最終都趨于統(tǒng)一的沉降值，見圖2。

由圖3可知，在距始發(fā)位置2d斷面的整體沉降中，隨著頂進根數(shù)的增大，擾動區(qū)范圍不斷沿著頂進的方向向前有序緩慢推進。頂進第一根頂管時，沉降槽的最低端位置在X軸原點位置，沉降最大值約為0.4 mm；頂進第二根時沉降槽向頂進方向偏移，最低端在X=-1 m～0 m之間，最大沉降值約為0.7 mm；頂進第三根頂管時，最大沉降為1.3 mm，沉降槽最低端出現(xiàn)在X=-1 m左右，此時沉降的差值比第二根頂管頂進時差別要大50%；當?shù)谒母敼茼斶M時，沉降槽的最低端出現(xiàn)在X=-2 m～-1 m處，此時沉降值在1.5 mm，沉降差值較小；當?shù)谖甯敼茼斶M結束后，沉降值達到1.8 mm；當頂管全部頂進結束后，沉降槽位置出現(xiàn)在X=-2.25 m處，此時最大沉降為2.2 mm。從以上分析中可以看出，在頂進第四根頂管之后，每頂進一次的沉降差值較為穩(wěn)定，均在0.3 mm左右，說明在頂管頂進到第三根之后，一側的土體已經(jīng)被擾動，再頂進后續(xù)管節(jié)后，因土體擾動引起的地表沉降已經(jīng)較為穩(wěn)定。沉降槽位置的變化見表3。

2.2工況二：從中間往兩側頂

表3 沉降槽位置變化表

頂進管節(jié)地表沉降值/mm沉降槽位置/m10．4X=020．7X=-0．831．3X=-141．5X=-1．851．8X=-2．162．2X=-2．45

從中間往兩側頂入頂管可以減少工期，該工況有利于導向管精度的控制，也有利于鎖扣之間的連接。從工況二整體頂進結束后的位移云圖來看，地表沉降同樣是在第二根和第五根之間出現(xiàn)最大值，頂管下部土體出現(xiàn)了一定程度上的回彈。單從整體的沉降來看，并不能夠區(qū)分出工況一和工況二之間哪種工況更適合頂管的頂進，見圖4。

工況二情況下，頂管從一側頂進，土體整體Z軸唯一云圖與工況一相比，明顯不同，從一側頂進對于土體的擾動范圍更大，Z軸產(chǎn)生的沉降值亦相對較大。但是從管幕施工結束后，2d,6d,10d斷面的沉降圖基本和工況一類似，最大沉降在2.2 mm左右，見圖5。

工況二情況下，頂管的頂進從中間頂管分別往兩側頂管進行頂進。2d斷面和6d斷面均能夠反映出沉降槽的變化特點，對比2d斷面和6d斷面的沉降槽曲線，可以發(fā)現(xiàn)6d斷面的沉降槽曲線變化更為明顯，因此在接下來的分析中以6d斷面為例。第一根頂進后，地面出現(xiàn)了微小的沉降，大約在0.3 mm，沉降槽位于X=-2 m；第二根頂管頂進時，沉降槽往第二根頂進的方向移動，但是沉降槽的最低端并沒有在第二根頂管的正下方，而是在第一根頂管和第二根頂管軸線的中間位置；同樣，后續(xù)頂管頂進都出現(xiàn)了這種趨勢，見圖6。

在6根頂管頂進后，兩種施工工況所產(chǎn)生的地表最終沉降均為2 mm～3 mm。從圖6來看，沉降槽形狀類似，沉降最大的位置位于管幕的中心地帶。單純對地表產(chǎn)生的影響來看，兩種工況差別不大。沉降值基本維持在2 mm～2.2 mm，從沉降槽曲線來看，從一側頂進和從兩側往中間頂進來看各種工況相類似，未出現(xiàn)明顯異同。但是，地鐵建設是一個耗時長、投資大的過程，管幕施工所耗的時間越少越好。因此，在考慮到工期和成本的情況下，優(yōu)先選用從中間往兩側頂進的施工方法。

3 結語

本文依托沈陽地鐵某工程，利用數(shù)值模擬軟件對頂管順序進行模擬分析，得到以下結論：

1)通過對兩種工況的模擬對比分析發(fā)現(xiàn)，工況一和工況二頂進后的地表總體沉降基本一致，在2.3 mm左右，且從工期、成本等角度考慮，工況二方案較優(yōu)。

2)從工況一和工況二沉降曲線看出，不同頂進順序的最大沉降基本在管幕結構的中心處，頂進順序對沉降最大值影響不大，可以忽略不計。

[1] 趙 文.地鐵車站STS新管幕構件抗彎承載力試驗研究[J].工程力學，2016，33(8):167.

[2] 關永平.地鐵暗挖車站STS管幕支護結構的力學性能研究[D].沈陽：東北大學，2015.

[3] 劉春玲,祁生文.FLAC3D分析某邊坡地震穩(wěn)定性[J].巖石力學與工程學報,2004,23(16)：123-124.

[4] 皇甫明,孔 恒.核心土留設對隧道工作面穩(wěn)定性的影響[J].巖石力學與工程學報,2005,24(3)：81-83.

[5] 喬世范,孫 曉,劉寶琛.圓拱形斷面隧道開挖對周圍巖土環(huán)境安全評價[J].土木建筑與環(huán)境工程，2009,31(5)：12-14.

[6] 方從啟，孫 鈞.淺層頂管施工引起的土體移動[J].巖土力學,2000,21(3)：130-131.

Analysisofeffectjackingsequenceofsteelpipeongroundsettlement

ZhangXiaomingXiaYunpengLuYanjunKuangDaien

(TheFiveEngineeringCo.,Ltd.ofCTCEGroup,Jiujiang332000,China)

Combining steel tube slab with pile beam arch is applied to construct the buried excavation subway station, and lack of theoretical support and engineering experience. Based on the subway station in Shenyang, the model is established to study the effect jacking sequence of steel pipe on ground settlement, which provides the engineering experience for subsequent engineering projects.

jacking sequence of steel pipe, ground settlement, numerical simulation, FLAC3D

1009-6825(2017)28-0191-02

2017-07-23

張效銘(1989- )，男，助理工程師

TU921

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