頂管施工引起地表豎向變形分析

蘇 越，張 敏，李更召，張成君，邢衛(wèi)民

(天津市勘察院， 天津 300191)

城市市政基礎(chǔ)建設(shè)中，由于路面交通繁忙，人員密集，地面建(構(gòu))筑物及地下管線復(fù)雜，敷設(shè)新的地下管道采用以往的開槽方案已經(jīng)越來(lái)越困難，為了減少對(duì)正?；顒?dòng)的干擾以及房屋的拆遷，非開挖施工已經(jīng)成為市政管道施工的最佳方案。頂管法是地下管道非開挖施工的一種，利用主頂油缸或管道間中繼站的推力，把掘進(jìn)機(jī)和管道從工作井內(nèi)推入土層并一直頂推到接收井內(nèi)，其優(yōu)越性在修建穿越河流、道路和已有構(gòu)筑物的地下通道、管道等地下工程得到體現(xiàn)，但頂管施工也不可避免地造成地面和地下土體的移動(dòng),即沉降和位移。

李慶臻[1]、肖雁征等[2]、曹明明[3]通過(guò)分析具體案例的地表變形情況，探索頂管施工對(duì)周圍土體變形影響機(jī)理及影響范圍。吳大國(guó)等[4]、高坤[5]、劉營(yíng)[6]、張海生[7]、宋建學(xué)等[8]通過(guò)三維數(shù)值模擬，探索頂管引發(fā)周圍土體變形的主要影響因素，并對(duì)實(shí)際項(xiàng)目變形提供預(yù)測(cè)分析。關(guān)永平[9]、夏永發(fā)[10]、何橋等[11]通過(guò)模擬計(jì)算，分析不同土體參數(shù)及環(huán)境參數(shù)對(duì)變形的影響，認(rèn)為頂管與建筑物水平間距、建筑物基礎(chǔ)埋深以及土體參數(shù)是控制變形量的主要參數(shù)。任毅[12]、劉航軍等[13]通過(guò)實(shí)際工程案例，探索地表變形隨時(shí)間發(fā)展情況，認(rèn)為頂管引發(fā)地表變形分為機(jī)頭到達(dá)前沉降、施工擾動(dòng)沉降、管土間隙沉降及土體固結(jié)沉降四個(gè)階段。董曉娟等[14]、韓國(guó)良[15]、潘建立[16]對(duì)前人工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，提出了刀盤附加推力、摩阻力、注漿壓力和土體損失是造成土體變形的主要影響因子，并提供了若干計(jì)算方法。

本文對(duì)前人工作進(jìn)行總結(jié)，假定土體不排水，利用彈性力學(xué)Mindlin解推導(dǎo)了正面附加推力、設(shè)備與周圍土體的摩擦力對(duì)地表垂直變形的影響，結(jié)合土體損失引起的豎向變形，得到頂管施工引起的總的土體垂直變形計(jì)算方法，并通過(guò)天津某地區(qū)頂管施工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果匹配度較高。

1 工程概況

天津某雨污水管道工程某標(biāo)段，管線沿道路中心線穿越城區(qū)一交通要道，采用頂管施工，車輛照常通行。本場(chǎng)地地勢(shì)總體較平坦，地基土分布較尚穩(wěn)定，埋深20 m范圍內(nèi)主要土層如下：①2素填土層，厚度1.5 m，可塑狀態(tài)，中壓縮性土；④1粉質(zhì)黏土層，厚度2.5 m，軟塑—可塑狀態(tài)，中壓縮性土；⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，厚度8.5 m，軟塑—流塑狀態(tài)，高壓縮性土；⑥4粉質(zhì)黏土層，厚度7.5 m，中壓縮性土；表層地下水屬潛水類型，靜止水位埋深1.0 m。

該標(biāo)段頂管長(zhǎng)度53 m，管頂覆蓋土層厚度2.6 m，采用泥水平衡頂管方法進(jìn)行施工，頂管外徑2.4 m，管節(jié)厚180 mm，采用預(yù)制C40混凝土管節(jié)，每節(jié)長(zhǎng)度為3 m，如圖1所示。

圖1頂管剖面示意圖

2 頂管施工對(duì)地表豎向位移影響因素分析

頂管施工中引起土體變形的因素主要有：

(1) 地層損失造成沉降。頂管頂進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)面土體應(yīng)力較大，土體會(huì)向頂管內(nèi)移動(dòng)塌落，由于土體的松動(dòng)范圍超出工具管范圍，會(huì)造成頂管周圍的土層也被松動(dòng)，因此地層有了損失。注漿填充可減緩?fù)馏w損失但并不能完全消除此因素影響。

(2) 正面附加推力與土壓力無(wú)法保持平衡。開挖臨空面依靠附加推力與土壓力的平衡保證穩(wěn)定的出土，實(shí)際操作中，由于臨空面土質(zhì)條件復(fù)雜，會(huì)有附加推力與土壓力偏差較大情況出現(xiàn)。若附加推力大于土體的被動(dòng)土壓力，會(huì)造成土體的擠壓變形，若附加推力小于土體的主動(dòng)土壓力，則會(huì)造成土體的坍塌。

(3) 頂管與土體摩擦力帶動(dòng)周圍土體移動(dòng)。頂進(jìn)過(guò)程中掘進(jìn)機(jī)以及后續(xù)管節(jié)均會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生摩擦力，一般情況掘進(jìn)機(jī)與土體的接觸面積更大從而產(chǎn)生更大的摩擦力，后續(xù)管節(jié)通過(guò)注漿等工序可以降低摩擦力。

3 頂管施工引發(fā)土體變形計(jì)算

3.1 基本假定

(1) 本文僅考慮施工期間的變形，土體為不排水固結(jié)變形。

(2) 為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)頂管上方土體參數(shù)取加權(quán)平均值，簡(jiǎn)化為均質(zhì)線彈性半無(wú)限體黏性土。

(3) 頂管推進(jìn)面附加推力為圓形均布荷載。

(4) 頂管與周圍土體的摩擦力均勻分布。

3.2 地層損失造成沉降計(jì)算

Peck提出地面沉降槽呈正態(tài)分布，假定土體體積不可壓縮，則土體損失量即為沉降槽體積，地面沉降計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：x為計(jì)算點(diǎn)沿頂管方向坐標(biāo)，m；xi為隧道開挖面起始點(diǎn)，m；xf為當(dāng)前隧道開挖面位置，m；Ф為由標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)查表獲得；S(x)為沿頂管方向計(jì)算點(diǎn)豎向沉降量，m；Smax為頂管軸線正上方最大豎向沉降量，m；i為地面沉降槽寬度系數(shù)，m，取值如下：

i=R(h/2R)n

(3)

R為掘進(jìn)機(jī)外半徑，m；h為頂管軸線至地面距離，m；軟黏土中，n=1。

Vloss為隧道單位長(zhǎng)度土體損失量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法[5]選擇合適的挖掘面百分率來(lái)估算土體損失：

Vloss=πR2η

(4)

黏土中，η取值為0.5%～2.5%，結(jié)合本地區(qū)施工及監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，本次計(jì)算η取值為1.5%。

3.3 正面附加推力造成土體垂直變形計(jì)算

圖2為正面附加推力造成土體垂直變形計(jì)算模型，采用彈性力學(xué)明德林解計(jì)算圓形均布荷載作用下，土體中任一點(diǎn)(x,y,z)在z方向產(chǎn)生的位移計(jì)算如下：

圖2力學(xué)模型簡(jiǎn)圖

(5)

式中，

式中：P為掘進(jìn)正面附加推力，kPa；D為掘進(jìn)機(jī)外圈直徑，m；h為管道中軸線至地面距離，m；G為土的剪切模量，MPa。

(6)

式中：Es為土體壓縮模量，MPa；K0為靜止土壓力系數(shù)；μ為土體泊松比。

3.4 摩擦力造成土體垂直變形計(jì)算

由模型圖2可以看出，頂管對(duì)周圍土體的摩擦力，分為掘進(jìn)機(jī)和后續(xù)管道兩部分，因兩者均是圓柱體，取表面微分面積Rdrdθ，利用明德林解積分土體中任意一點(diǎn)(x，y，z)沿z方向的位移為：

(7)

式中，

式中：p為圓柱體與周圍土體之間單位面積摩擦力，kPa，等于法向應(yīng)力乘以摩擦系數(shù)，法向應(yīng)力近似取最大埋深處的垂直土壓力，摩擦系數(shù)根據(jù)樁土界面系數(shù)取值。

3.5 土體總的垂直變形計(jì)算

去除注漿、糾偏等施工過(guò)程中不可控因素，地表豎向變形主要由以上三部分即地層損失、正面附加推力、摩擦力造成，總的地表豎向變形為：

w=Sloss+w1+w2

(8)

4 計(jì)算結(jié)果分析

本項(xiàng)目參數(shù)取值：h=3.8 m，R1=1.2 m，D=2.42 m，L=3 m，L1=50 m，P=20 kPa，p掘進(jìn)機(jī)=20 kPa，p后續(xù)管道=4 kPa，Es=2.5 MPa，μ=0.35，K0=0.51，G=0.6 MPa，η=1.5%，i=1.9 m，xi=-53.0 m，xf=0 m。

計(jì)算y=0時(shí)土體損失、正面附加推力、掘進(jìn)機(jī)及后續(xù)管道摩擦力單獨(dú)作用以及共同作用下引起的地面縱向垂直變形，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3各因素引發(fā)地表縱向變形曲線

圖中計(jì)算結(jié)果顯示如下規(guī)律：

(1) 地面沉降主要由土體損失造成，當(dāng)x>3D時(shí)，地表變形受土體損失影響較小接近于0，當(dāng)x≤3D，沿x軸反方向沉降逐漸增大，開挖面位置沉降量為最大沉降量的50%，至x=-3D沉降達(dá)到最大值并趨于穩(wěn)定。

(2) 正面推力造成地表豎直變形表現(xiàn)為前方隆起，后方沉降，并以開挖面為軸線反對(duì)稱分布。

(3) 摩擦力造成地表豎直變形同樣表現(xiàn)為前方隆起，后方沉降，但是對(duì)稱軸線分別為掘進(jìn)機(jī)中線位置和后續(xù)管道中線位置。

(4) 受綜合因素影響，地表縱向變形曲線可分為：隆起區(qū)—急速沉降區(qū)—沉降穩(wěn)定區(qū)—沉降回彈區(qū)，最大隆起位置在開挖面前方2.5D位置處，最大沉降值出現(xiàn)在距離開挖面1.3h后方。

計(jì)算不同縱斷面處地表沿橫斷面變形曲線，選取y=-5 m、0 m、+5 m，分別對(duì)應(yīng)縱向沉降極值位置、開挖面位置、縱向隆起極值位置，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4不同縱斷面處地表沿橫斷面變形曲線

由圖4計(jì)算結(jié)果顯示如下規(guī)律：

(1) 無(wú)論是隆起或是沉降，頂管正上方位置變形最大，向兩側(cè)方向逐漸消散。

(2) 在橫斷面5h范圍之外，地面變形接近于無(wú)，可認(rèn)為5倍頂管深度范圍外變形不受頂管影響。

5 實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

為對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，頂管施工期間在地表布設(shè)豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量地面變形，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)如圖5所示。

圖5監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖

監(jiān)測(cè)點(diǎn)以頂管軸線對(duì)稱布置，各測(cè)點(diǎn)距離中軸線分別為2 m、5 m、10 m、15 m。共布設(shè)5個(gè)斷面，分別位于頂進(jìn)面正上方、正前方5 m、20 m、正后方5 m、15 m、25 m、35 m、45 m、55 m。測(cè)量此施工節(jié)點(diǎn)各測(cè)點(diǎn)變形穩(wěn)定值，并與計(jì)算結(jié)果對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6地表橫斷面變形實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比圖

圖7地表縱斷面變形實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比圖

由以上結(jié)果可以看出，各斷面最大變形實(shí)測(cè)值略小于計(jì)算值，是因頂管推進(jìn)過(guò)程中樁土界面摩擦系數(shù)減小導(dǎo)致，曲線形狀基本吻合，說(shuō)明本文計(jì)算方法正確，理論值偏于保守。

6 結(jié) 論

本文假定土體為均質(zhì)線彈性半無(wú)限體，變形形式為不排水固結(jié)，并假定頂管與土體之間作用力均勻分布，引入Peck公式計(jì)算土體損失引起的變形，并采用明德林解積分正面推力以及摩擦力造成的土體變形，此三者共同作用，使得頂管上方地表呈現(xiàn)規(guī)律性的垂直位移，并把計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了本計(jì)算方法的正確性。

此次研究?jī)H針對(duì)某一特殊節(jié)點(diǎn)地表的變形分布規(guī)律，關(guān)于頂管施工期間地表變形隨時(shí)間的推進(jìn)而呈現(xiàn)的變化規(guī)律未作研究，另外，因現(xiàn)場(chǎng)條件限制，未能對(duì)比地表下土體的變形規(guī)律，可作為今后研究方向。