基于FLAC 3D的頂管施工誘發(fā)地表沉降作用機(jī)理研究

劉余欣，易飛，徐裕華，樊莉

（1.南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院，江西 南昌 330006；2.江西工業(yè)貿(mào)易職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330038）

1 引言

頂管施工憑借其無(wú)需開(kāi)挖、對(duì)周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，在城市地下工程中被廣泛應(yīng)用，尤其是在交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下構(gòu)筑物和管線復(fù)雜的市區(qū)。但頂管施工時(shí)易擾動(dòng)其周圍的土層，引起地表的沉降，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致地面建筑物的變形開(kāi)裂[1，2]。頂管施工造成地表沉降的因素眾多，除了施工工藝、土層特性等因素，頂管的半徑大小也是影響地表沉降的一個(gè)重要因素。根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的相關(guān)概念及經(jīng)驗(yàn)公式可知[3，4]：管徑越小，引起的地表最大沉降量越小；管徑越大，引起的地表沉降量越大。

近幾年來(lái)，南昌市的建設(shè)量不斷增加，市政、地鐵等地下工程相繼開(kāi)工，頂管施工被廣泛應(yīng)用于地下工程的建設(shè)中。在此背景下，研究頂管施工在不同管徑條件下的地表沉降規(guī)律是極為有必要的，可以為南昌市的類似工程參考。

圖1 頂管施工實(shí)景圖

2 頂管施工引起地面沉降的因素分析

頂管施工導(dǎo)致地面沉降的根本原因是其對(duì)周圍土體的擾動(dòng)產(chǎn)生的地層損失。頂管施工對(duì)土體產(chǎn)生的擾動(dòng)會(huì)改變土體自身的孔隙水壓力與土壓力，同時(shí)引起地下水位的變化，最終導(dǎo)致地表的沉降。根據(jù)已有的相關(guān)研究，頂管施工過(guò)程中地層損失出現(xiàn)的主要因素有以下幾點(diǎn)[5-7]。

2.1 頂管管節(jié)外圍存在的環(huán)形空隙

為減小頂進(jìn)過(guò)程中的摩擦力，后續(xù)管節(jié)的直徑一般要比工具管小2～5cm，故工具管頂進(jìn)后管道外圍與土體之間存在空隙，如果泥漿不能夠及時(shí)填充，管節(jié)周圍土體會(huì)由于應(yīng)力釋放作用而填充空隙，最終引起地層損失。

2.2 頂管過(guò)程中工具管的糾偏

頂管施工過(guò)程中常需要使用工具管對(duì)頂進(jìn)的方向進(jìn)行糾偏。一方面，糾偏過(guò)程中，預(yù)偏轉(zhuǎn)方向一側(cè)的土體會(huì)在工具管的擠壓作用下產(chǎn)生變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大位移；另一方面，預(yù)偏轉(zhuǎn)方向另一側(cè)的土體會(huì)和管節(jié)間產(chǎn)生空隙，管節(jié)周圍土體可能在重力等作用下填滿空隙，最終造成地層的損失。

2.3 工具管進(jìn)出工作井

工具管進(jìn)出工作井洞口時(shí)，若洞口空隙封堵不及時(shí)往往也會(huì)產(chǎn)生較大的地層損失引起較大的地層損失。

2.4 管節(jié)的回彈

頂管施工過(guò)程中有時(shí)需要對(duì)管節(jié)進(jìn)行更換，此時(shí)主千斤頂系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行卸荷，管節(jié)會(huì)在卸荷的作用下產(chǎn)生回彈，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成開(kāi)挖面土體的坍塌，進(jìn)而引起地層損失。

3 研究方案

根據(jù)頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范中關(guān)于頂管直徑的相關(guān)規(guī)定及參考國(guó)內(nèi)典型工程的頂管直徑大小，本文數(shù)值模擬計(jì)算方案選取圓形頂管的直徑分別為1m、1.5m和2m。為了避免其它因素不統(tǒng)一對(duì)地表沉降產(chǎn)生的影響，本文的頂管埋深統(tǒng)一選取為地下8m，管線施工全長(zhǎng)統(tǒng)一設(shè)為50m，頂進(jìn)速度一致，頂管管道的材質(zhì)統(tǒng)一設(shè)為鋼筋混凝土，穿越的地層均為硬粘土層，表層土均為軟粘土。

圖2 計(jì)算方案示意圖

4 數(shù)值模擬計(jì)算

4.1 數(shù)值模型的建立

結(jié)合南昌市的典型地層特性，建立不同管徑下頂管施工的三維有限元模型。為了避免邊界效應(yīng)對(duì)模型計(jì)算產(chǎn)生的影響，將模型X方向的長(zhǎng)度設(shè)置為40m，Y方向的長(zhǎng)度設(shè)置為50m，Z方向的長(zhǎng)度設(shè)置為40m。使用8節(jié)點(diǎn)六面體等參單元對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行劃分，按照距離頂管管節(jié)的遠(yuǎn)近，將相應(yīng)的土體網(wǎng)格由疏到密進(jìn)行劃分，最終的模型網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分圖

4.2 材料的參數(shù)及其本構(gòu)模型

南昌地區(qū)不同區(qū)域的粘土分布較為廣泛，其表層一般為軟粘土，地下深層廣泛分布有硬粘土。本文通過(guò)一系列室內(nèi)土工試驗(yàn)并參考南昌市地鐵1、2、3號(hào)線的相關(guān)勘察報(bào)告，最終確定了頂管施工中各個(gè)材料力學(xué)參數(shù)的數(shù)值，如上表所示。

土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和屈服準(zhǔn)則在低應(yīng)力條件下應(yīng)分別符合理想彈塑性模型和摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則。具體到本次數(shù)值模擬計(jì)算利用到的材料，硬粘土、軟粘土及注漿材料的本構(gòu)模型均為彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則為摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則。在土體荷載的作用下混凝土材料的應(yīng)變隨應(yīng)力成正比增加，基本處于彈性階段，故管節(jié)的本構(gòu)模型為線彈性本構(gòu)模型。

4.3 數(shù)值計(jì)算中頂管施工的實(shí)現(xiàn)方法

頂管施工在實(shí)際工程中是一個(gè)連續(xù)漸進(jìn)的過(guò)程。在數(shù)值模擬中為了方便對(duì)頂管的施工過(guò)程進(jìn)行模擬，通常將其簡(jiǎn)化成非連續(xù)的分步頂進(jìn)過(guò)程。通過(guò)將頂進(jìn)結(jié)束后模型的區(qū)域設(shè)置為空模型和改變材料的相關(guān)參數(shù)來(lái)體現(xiàn)土體的開(kāi)挖和管節(jié)的頂進(jìn)。在數(shù)值模擬前，應(yīng)預(yù)先在模型中設(shè)置土體的開(kāi)挖單元、管節(jié)單元和注漿體單元。本次模擬以每次頂進(jìn)5m為基礎(chǔ)，管道頂進(jìn)5m時(shí)，將開(kāi)挖結(jié)束后的土體網(wǎng)格單元設(shè)置為空模型，同時(shí)將該段范圍內(nèi)管節(jié)及注漿體的材料參數(shù)進(jìn)行修改以模擬管節(jié)和注漿體。循環(huán)以上操作，直至50m的開(kāi)挖全部完成。

材料物理力學(xué)參數(shù)表

4.4 模擬結(jié)果分析

利用FLAC3D軟件對(duì)以上建立的模型進(jìn)行計(jì)算，獲得頂管施工結(jié)束后不同頂管管徑條件下土體的豎向位移，從平行于Y方向的地表取40個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從40個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中讀取地表的沉降數(shù)值并將其繪制成沉降曲線圖，如圖4所示。

由圖4可知，頂管施工完成后地表面的沉降呈漏斗形，且距離管道中心越近，土體的沉降越大，最大沉降出現(xiàn)在管道的正上方。當(dāng)管徑為1.0m時(shí)，地表土體最大沉降為0.35m；當(dāng)管徑為1.5m時(shí)，地表土體最大沉降為0.57m；當(dāng)管徑為2.0m時(shí)，地表土體最大沉降為0.8m。由以上可知，管徑每增加0.5m，地表最大沉降增加約40%～60%。從圖中還可以看出，頂管管徑在施工過(guò)程中主要影響地表最大沉降量，而對(duì)地表的整個(gè)沉降范圍影響相對(duì)較小。隨著管徑的增加，地表沉降范圍逐漸變大，大約是距管道軸線2～5倍管徑的區(qū)域沉降量超過(guò)2mm。

圖4 頂管頂進(jìn)結(jié)束后地表沉降量

5 結(jié)論

本文首先對(duì)頂管施工引起地面沉降的因素進(jìn)行分析，然后以南昌市典型工程為背景，建立三維有限元模型對(duì)不同管徑條件下頂管施工引起地面沉降的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到的結(jié)論主要如下：

①地表沉降橫向受影響區(qū)域?yàn)榫喙艿垒S線左右2～5倍的管徑范圍內(nèi)，地表最大沉降出現(xiàn)在管道軸線正上方；

②頂管管徑越大，頂管施工引起的地表沉降越大，對(duì)地表的影響范圍越大，反之越小。頂管管徑在施工過(guò)程中主要影響地表最大沉降量，而對(duì)地表的沉降范圍影響相對(duì)較小。