濱海軟土淺埋大斷面矩形頂管施工力學分析

黃建華，王蘊晨，楊鹿鳴

(1.福建工程學院 土木工程學院，福建 福州350118；2.地下工程福建省高校重點實驗室，福建 福州350118)

伴隨中國城市化進程迅速發(fā)展，地下工程的增多以及城市交通的擁擠，傳統明挖法施工由于占用大量地面空間，嚴重影響正常商業(yè)運行和車輛通行，給居民日常生活帶來不便[1]。頂管法施工在管道和通道建設過程中可降低地表和地下環(huán)境的影響破壞，對加強城市建設和環(huán)境保護及地下管網規(guī)范化建設具有積極作用[2]。

既有的頂管施工力學特性研究中，國內外專家學者對頂管施工力學特性推導出系列理論公式[3-7]，對實際工程的施工起到了較好的指導作用。近年來，有限元分析也逐漸被運用于頂管工程施工力學的研究。龐臣軍[8]采用有限元軟件分析頂管施工中頂推力的變化對地表沉降的影響。喻軍[9]通過有限元模擬方法, 優(yōu)化施工中摩阻力、機頭壓力、土體摩擦力等參數，有效控制施工中的地表沉降。董俊[10]通過數值模擬，提出控制施工中地表變形的措施。鄧長茂[11]結合頂管工程監(jiān)測數據以及數值模擬研究，提出控制頂管的頂推力以及土體的損失程度可以降低地表隆起量。但針對濱海軟土地層淺覆土大斷面矩形頂管的施工工況研究還較少。本文結合福州某頂管實際工程，通過數值模擬與現場相結合的研究方法，對濱海軟土地層中淺覆土大斷面矩形頂管施工中造成的地表豎向位移和頂管應力變化的力學特性進行分析，研究成果對今后相類似的工程具有參考意義。

1 工程概況

頂管工程施工場地位于城市主干道的交匯地段，周圍均是人流量密集的商業(yè)廣場，地下管線眾多，緊鄰地鐵車站與商業(yè)廣場，頂管左側緊鄰地表水系，工程地質地貌極其復雜。頂管長度為47.25 m，斷面尺寸為9.02 m×9.26 m(寬×高)，地表最淺覆土僅有2.5 m，屬于超大斷面淺埋矩形頂管。頂管工程存在斷面大、埋深淺、土質條件較差的特點。頂管平面布置如圖1(a)所示。

施工區(qū)間范圍內上覆第四系人工堆積土、沖洪積土、淤積層，下伏花崗巖風化層。主要分布土層為：雜填土、粉質黏土、淤泥、中砂、淤泥質粉質黏土。本工程頂管頂部最小覆土深度2.5 m，最大覆土深度6.0 m。所在土層由地表向下依次為：雜填土、淤泥、中砂(夾薄層淤泥)、淤泥質粉質黏土。頂管的管節(jié)主要在雜填土、淤泥以及中砂土層中施工，其縱斷面如圖1(b)，橫斷面如圖1(c)。

(a)頂管平面布置圖(單位：m)

(c)頂管橫斷面圖(單位：mm)圖1 頂管施工平面與縱橫斷面圖Fig.1 Plan and longitudinal-cross section of pipe jacking project

2 數值模擬

2.1 三維模型建立

基于有限元軟件ABAQUS建立三維模型模擬頂管施工過程，對頂管施工過程引起的地表豎向變形特征以及頂管應力變化規(guī)律進行系統分析。矩形大斷面頂管工程施工引起土體應力變化影響范圍一般為3～5倍頂管斷面高度與寬度中的較大值[12-14]，因此模型尺寸設定為80 m×47.25 m×50 m(長×寬×高)。模型的網格劃分采用C3D8非協調單元的網格劃分方式。模型的上表面設為自由邊界，模型兩側限制水平位移，底面限制水平和豎直兩方向的位移。采用DP模型進行分析，三維模型網格劃分如圖2所示。

圖2 三維模型網格劃分圖Fig.2 Grid mesh of 3D model

2.2 模型參數選取

現場取樣得到土層的物理力學計算參數如表1所示。

表1 地層物理參數

3 數值模擬分析

3.1 地表豎向位移分析

選取距始發(fā)井13 m處設為斷面A，對頂管施工造成的地表豎向位移情況進行分析。圖3為施工時，頂管頂進10、20、30 m以及貫通時的土體地表豎向位移云圖。

分析結果表明，頂管的頂進會造成土體表面較大的沉降，土體受影響范圍隨頂管頂進距離的增加而不斷擴大。圖3(a)中，由于頂管機接近斷面A并對前方掌子面產生頂進作用力，使前方土體受到擠壓而產生一定的隆起，隆起的最大值達到6.041 mm。而在頂管機通過斷面A后，隨著距離不斷增加(圖3(b-d))，周圍土層的地表由隆起轉變?yōu)槌两担两底冃魏头秶饾u增加，最終達到42.11 mm。

(a)頂管頂進10 m

(b)頂管頂進20 m

(c)頂管頂進30 m

(d)頂管貫通圖3 頂管項進過程地表豎向位移云圖Fig.3 Vertical displacement diagram of ground surface during pipe jacking

將距離頂管始發(fā)井13、18、23、28 m 4個位置分別設為斷面A、B、C、D，斷面具體位置如圖4所示。

圖4 斷面A、B、C、D位置圖(單位：m)Fig.4 Location diagram of section A、B、C、D

在斷面A、B、C、D上，分別將頂管頂進10、15、20、25、30、35、40 m，而后對頂管貫通時的地表沉降曲線變化規(guī)律進行分析，如圖5所示。

(a)斷面A

(b)斷面B

(c)斷面C

(d)斷面D圖5 頂管頂進過程中各斷面處地表沉降曲線Fig.5 Surface settlement curve of each section during pipe jacking

分析結果表明：(1)在斷面A和B處，當頂管機接近斷面時，頂管上方土體出現少量隆起，是由于頂管頂推力作用使頂管機前方土體受到擠壓而產生。(2)當頂管機通過斷面后，頂管機與后續(xù)管節(jié)的管徑差造成地層損失使地表出現較大的沉降，隨頂管不斷向前頂進，地表土體沉降量以及沉降范圍逐漸擴大，頂管機貫通時所產生地表沉降值最大。(3)頂管施工的橫向影響范圍約8D(D為頂管的寬度)，離頂管中軸線越近頂管上方土體的沉降量就越大，在頂管中軸線左右超過4D的范圍，頂管頂進幾乎不對地表土體產生影響。(4)斷面上的最大沉降點始終在頂管中軸線正上方的位置，沉降值隨中軸線向兩側逐漸遞減。

將斷面A處位于頂管中軸線上的測點設為a。圖6為測點a隨頂管頂進10、15、20、25、30、35、40 m以及頂管貫通時的地表豎向位移曲線圖。

圖6 測點a地表豎向位移曲線Fig.6 Vertical displacement curve of monitoring point a

頂管頂進過程中，當頂管機接近監(jiān)測點a時，由于頂管機對前方掌子面產生頂進作用力，測點a處的地表土體受到擠壓而產生隆起。當頂管機通過測點a之后，地表從隆起迅速轉變?yōu)槌两?，隨頂管逐漸向前頂進對周圍土體產生持續(xù)擾動，地表沉降值逐漸增大，在頂管貫通時沉降值達到最大。

3.2 頂管應力分析

圖7為位于頂管機后方距離為5、10、15、20、25 m 5個斷面處頂管上側、左側以及下側管壁在頂管施工過程中最大主應力的變化規(guī)律。

(a)上側管壁

(b)左側管壁

(c)側管壁圖7 各個側面管壁最大主應力值Fig.7 Maximum principal stress on all sides of the pipe wall

分析結果表明，5個斷面的最大主應力變化規(guī)律基本相同，頂管剛頂進時，最大主應力迅速增加。隨頂管逐步頂進，由于漿液的潤滑效果，最大主應力的增長速率逐漸下降，但最大主應力值仍然在緩慢增加。頂進完畢時，頂管上側管壁的最大主應力值達到4.11 MPa，頂管左側管壁的最大主應力值達到4.37 MPa，頂管下側管壁的最大主應力值達到8.96 MPa。頂管下側管壁最大主應力較頂管上側和左側管壁最大主應力值有較大的提高，原因是頂管下側管壁在頂管頂進時受到頂管上部土壓力以及頂管自身的重力作用。

通過對實際工況數值模擬分析，大斷面矩形頂管施工力學特性有：(1)掘進機接近監(jiān)測斷面時，由于頂管機對前方土體的擠壓，使斷面周圍土體產生略微隆起；(2)頂管施工對周圍地表的橫向影響約為8D，造成地表沉降最大值在頂管中軸線的正上方；(3)頂管應力在頂管剛頂進時迅速增大，隨著后續(xù)漿液注入產生的潤滑效果降低了管土之間的摩擦力，應力的增大速率降低但仍然在繼續(xù)增大；(4)頂管頂進時受到上部土壓力及自身的重力作用，使得頂管下側管壁所受應力大于上側和左側位置。

4 實測數據分析

4.1 施工監(jiān)測方案

為保證工程的順利實施，對頂管施工影響范圍內土體的地表豎向位移變化情況進行監(jiān)控量測，在頂管施工地表附近區(qū)域布置了沉降監(jiān)測網點。監(jiān)測點具體布置情況如圖8所示，監(jiān)測點主要布置在頂管頂進路線周圍的兩側以及頂管中軸線的正上方，共計17個測點，測點編號為D1～D17。D1測點距離頂管起始位置3 m，其余各監(jiān)測點之間的距離為5 m左右。一共布置兩排一列測點，在距離頂管始發(fā)井13、28 m位置處有兩排橫向監(jiān)測點，在頂管的中軸線正上方有一列縱向測點。施工中使用J2型經緯儀測量地表豎向位移變化情況，并采用fx4500P計算器編排程序計算地表土體豎向位移的變化值。

圖8 地表沉降測點布置圖Fig.8 Layout of measuring points for surface settlement

4.2 頂管橫斷面地表沉降分析

圖9是距始發(fā)井13 m處監(jiān)測斷面在頂管分別頂進10、15、20、25、30、35、40 m以及頂管貫通時地表豎向位移變化曲線。

圖9 距始發(fā)井13 m斷面處地表豎向位移曲線Fig.9 Vertical displacement diagram of ground surface at the 13m section from the original well

從圖9可看出：(1)頂管頂進10 m時，頂管機還未達到監(jiān)測斷面，由于頂管機的頂推力使監(jiān)測斷面上方的土體呈略微隆起，最大隆起值在頂管中軸線正上方，并且距離中軸線越遠，土體的隆起越小。(2)在頂管頂進15 m時，由于施工方對注漿量以及注漿壓力的施加較小，在路面荷載的作用下，頂管監(jiān)測斷面上的各測點開始出現沉降趨勢。(3)在頂管頂進25、30、35 m時，地表產生了較大沉降，是因為頂管機頂進到18 m位置處刀盤受阻，施工方采用開槽清除障礙物的方法對周圍土體產生較大的擾動，而之后頂管頂進對周圍土體進行二次擾動，從而產生了較大的地表沉降。(4)在頂管頂進35、40 m以及頂管貫通時，監(jiān)測斷面上的部分監(jiān)測點在原有沉降的基礎上各自出現了略微的隆起，這是由于地下承壓水的上浮力對頂管產生的作用，使頂管產生上浮，致使監(jiān)測斷面上的各個監(jiān)測點在原位沉降的基礎上各自出現了略微的隆起。

4.3 地表監(jiān)測點沉降時程分析

根據現場實測布置情況，選取距離始發(fā)井13、28 m處兩排橫向監(jiān)測點分析地表沉降時程變化規(guī)律，如圖10所示。

圖10 監(jiān)測斷面上各測點施工過程地表變形Fig.10 Surface deformation of measuring points on sections during construction

從圖10的沉降變化曲線可以看出：(1)頂管機距離監(jiān)測斷面較遠時，監(jiān)測斷面的地表變形隨頂管的頂進而逐漸增大，主要是由于頂管機通過頂管斷面時，切削監(jiān)測斷面下方附近的土體使土體原有的平衡遭到破壞，從而產生地表沉降。(2)頂管機靠近監(jiān)測斷面時，地表土體會產生一定的隆起，這是由于頂管機對周圍土體產生的擠壓作用。(3)頂管機通過監(jiān)測斷面后，由于頂管機的斷面尺寸大于后續(xù)的頂管管節(jié)而產生空隙，使土體存在地層損失，最終導致明顯的沉降?？梢栽陧敼軝C頭通過的位置進行減摩注漿的填充，以減少地表沉降量，降低頂管頂進對地表照成的影響。(4)在頂進35 d后，各個測點的沉降值突然增大，是因為頂管頂進到35 d 后，頂管的掘進機發(fā)生了刀盤受阻的現象，施工方采用開槽清除障礙物的方法對掘進機周圍的土體產生了較大的擾動。

4.4 模擬結果與現場實測對比

圖11(a)和圖11(b)分別選取距離始發(fā)井13 m監(jiān)測斷面處，當頂管頂進10、15 m時的數值模擬結果和現場實測的地表沉降情況對比圖。

通過圖11(a)和圖11(b)可知，有限元分析和現場實測曲線發(fā)展基本一致，實測與分析數據相比略有波動，地表的隆起和沉降的最大值都出現在頂管中軸線正上方，并且離中軸線越遠，頂管對地表沉降的影響也越小。

圖11(a)為頂管頂進10 m時地表豎向位移曲線，地表呈現隆起趨勢。斷面上的曲線呈現正態(tài)分布的規(guī)律，在頂管中軸線正上方隆起值最大，模擬值6.12 mm與現場監(jiān)測值7.36 mm相近。中軸線左右兩側測點均略小于模擬值，是由于施工場地位于人流量較大的商業(yè)區(qū)，頂管施工過程中易受到不均勻路面荷載影響而導致的?？傮w來看，實際監(jiān)測值與有限元分析計算值變化趨勢大致相同。圖11(b)為頂管頂進15 m時地表豎向位移曲線，地表呈現下沉趨勢。頂管中軸線正上方測點的沉降值最大，模擬值為-23.41 mm，與實測值-21.62 mm較為相近。斷面上的沉降曲線呈現拋物線分布，實測曲線在模擬曲線周圍輕微波動與模擬曲線基本相同，數值模擬結果基本正確，滿足工程實際要求。

(a)10 m處

(b)15 m處

(c)中軸線正上方圖11 頂管頂進過程中實測值與模擬沉降值對比Fig.11 Comparison of settlement between measured and simulated values during construction

圖11(c)為距離始發(fā)井13 m處的監(jiān)測斷面在頂管中軸線正上方測點隨頂管頂進過程中的數值模擬結果和現場實測的地表沉降情況對比圖。根據圖11(c)的分析結果，頂管頂進10 、15 m時，數值模擬計算結果和實測數據的監(jiān)測值擬合度較高；但頂管頂進15 m之后，地表產生了較大沉降，是因為頂管機頂進到18 m處由于刀盤受阻，施工方采用了開槽清除障礙物的方式對周圍土體的擾動較大，使數值模擬結果與現場實測數據差別較大。

由于數值模擬時簡化了土層參數及施工現場不規(guī)律的車流量等施工擾動因素，使地表沉降監(jiān)測值與數值模擬雖大體上擬合，但也存在略微差距。同時，現場施工中頂管機前方塊石和拋石開槽清理對周圍的土體擾動影響較大，造成地表土體沉降變形無規(guī)律可循，不利于頂管施工順利進行。

5 結論

1)對比現場監(jiān)測數據以及數值模擬結果可以發(fā)現，當頂管機靠近監(jiān)測斷面時，頂管上覆土體產生略微的隆起現象；當頂管機通過監(jiān)測斷面后頂管上覆土體逐漸開始沉降，隨著頂管的繼續(xù)深入，由于頂管機與后續(xù)管節(jié)的管徑差造成地層損失，地表出現較大的沉降。地表最大沉降量位于頂管中軸線的上方，頂管的沉降影響范圍約8倍的頂管寬度。

2)當頂管機接近頂管中軸線上的測點時，由于下方頂管機的頂推力使測點處地表產生一定的隆起；當頂管機通過測點后，測點處地表從隆起迅速轉變?yōu)槌两?，并且隨頂管機向前頂進，地表的沉降值不斷增大，頂管施工完成時，測點處地表沉降達到最大。

3)頂管剛剛頂進時，最大主應力迅速增加。隨著管節(jié)的逐步頂進，最大主應力的增長速率逐漸下降，頂進完畢時，應力值達到最大。由于頂管的下側管面在頂管頂進時受到頂管上部土壓力以及頂管自身的重力作用，使頂管下側管壁最大主應力大于頂管上側和左側管壁。

4)通過開槽的方式清理掘進機前方障礙物對周圍的土體擾動影響較大，造成地表土體呈現出不合理的沉降，不利于頂管施工順利進行。在頂管施工前應做好地質勘察，避免長時間開槽導致工期延后以及過大的土體擾動。