頂管施工對(duì)相鄰平行管線的影響研究

張俊誠

摘 要：頂管施工是繼盾構(gòu)施工后逐步發(fā)展起來的一種地下頂管施工方法，頂管頂進(jìn)施工會(huì)對(duì)周圍的土體造成擾動(dòng)并對(duì)臨近管線產(chǎn)生影響，施工時(shí)應(yīng)控制穿越過程中的地面隆起與頂管頂進(jìn)的路線與變形，避免危及行車安全及周圍建筑物。文章建立頂管-平行管線-土體情況下的 ABAQUS 模型，對(duì)平行管線水平與豎向位移大小進(jìn)行研究，探討頂管頂進(jìn)過程中對(duì)地下管線的影響;同時(shí)對(duì)控制變形的措施進(jìn)行探討，以保證頂管頂進(jìn)施工過程中無不良影響。

關(guān)鍵詞：頂管施工;平行管線;施工影響

中圖分類號(hào)：TU470

1 引言

頂管頂進(jìn)施工是繼盾構(gòu)施工后逐步發(fā)展起來的一種地下頂管施工方法[1]。在施工過程中，土體的許多參數(shù)處于動(dòng)態(tài)狀態(tài)，土體流失和注漿壓力、頂管與周圍土體的摩擦、掘進(jìn)機(jī)前方的附加推力等都會(huì)引起土壓力和孔隙水壓力的變化[2]，而且由于土體開挖導(dǎo)致土體應(yīng)力釋放，會(huì)引起土體發(fā)生位移。地面的位移以及地下土體的變形會(huì)影響到周邊頂管，帶動(dòng)相鄰的地下管線移動(dòng)。頂管頂進(jìn)過程中產(chǎn)生的附加應(yīng)力會(huì)通過周圍土體傳遞到相鄰管線上，并對(duì)其產(chǎn)生側(cè)向干擾，引起頂管頂進(jìn)路線發(fā)生偏差，相鄰管線發(fā)生相對(duì)水平與豎向偏移[3]。這一問題在軟土地區(qū)更為嚴(yán)重[4]。

頂管頂進(jìn)施工對(duì)臨近管線的影響是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)三維過程，它的力學(xué)機(jī)理和環(huán)境影響可以采用現(xiàn)場測(cè)量方法進(jìn)行研究。但因?yàn)楸O(jiān)測(cè)方法和分析手段的限制，采用數(shù)值模擬方法研究頂管的相互干擾更得到學(xué)者的青睞。畢繼紅等[5]以深圳市軌道交通1號(hào)線二期工程為目標(biāo)，探討頂管施工對(duì)臨近既有隧道產(chǎn)生的影響;徐迎伍[6]主要研究了管線受力，并對(duì)雙線平行頂管施工中的接觸壓力、縱向軸向力、環(huán)向彎矩等進(jìn)行了檢測(cè)。

頂管施工引起的平行地下管線位移主要是水平向與豎向位移[7]，本文建立頂管-土體-平行管線情況下的ABAQUS模型，通過對(duì)平行管線水平與豎向位移大小進(jìn)行研究，探討頂管頂進(jìn)時(shí)對(duì)周圍土體產(chǎn)生的擾動(dòng)以及對(duì)地下平行管線的影響規(guī)律，同時(shí)對(duì)控制變形的措施進(jìn)行研究，給出相關(guān)施工建議。

2 頂管施工擾動(dòng)機(jī)理

頂管施工時(shí)，掘進(jìn)機(jī)前方土體承受擠壓力，應(yīng)力增大，土層應(yīng)力狀態(tài)變化相對(duì)較快，這是因?yàn)榫蜻M(jìn)機(jī)與后續(xù)頂進(jìn)頂管的半徑差異所致，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)頂進(jìn)后，頂管與土體之間會(huì)發(fā)生地層損失[8]。頂管施工過程中，隨著頂管頂進(jìn)距離的變化，相鄰管線存在加壓和減壓2個(gè)階次，加壓過程中，頂管的推進(jìn)和擠壓使得相鄰管線表面產(chǎn)生附加荷載，土體則為荷載傳遞的媒體，附加荷載的作用使得管線產(chǎn)生附加彎矩和撓曲變形;減壓過程中，管線彈性恢復(fù);加壓過程主要對(duì)管線的撓曲產(chǎn)生影響[9]。圖 1為頂管施工示意圖。

周圍存在既有管線情況下，頂管施工過程中相鄰管線的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)相對(duì)復(fù)雜，施工中頂管需要錯(cuò)開一定的縱向間距，防止頂管頂進(jìn)時(shí)土體擾動(dòng)較大對(duì)相鄰管線造成不利影響[10]。先施工的頂管叫先行管，會(huì)對(duì)土層造成初次擾動(dòng)，使土體的原始狀態(tài)被破壞，土體通過改變其應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)達(dá)到新的應(yīng)力平衡，并通過應(yīng)力重分布對(duì)先行管產(chǎn)生反作用;后施工的頂管叫后行管，會(huì)對(duì)土體造成二次擾動(dòng)，后行管施工使頂管周邊土被壓實(shí)，破壞了土體的二次應(yīng)力平衡狀態(tài)，土體通過應(yīng)力重分布作用于后行管，并調(diào)節(jié)自身應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)達(dá)到第三次應(yīng)力平衡[11]。

頂管以土體作為傳遞媒介相互影響，因此需要處理好頂管、既有管線和土體三者的相互關(guān)系，才能夠保證施工安全[12]。

3 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

頂管施工的數(shù)值模擬[13-17]主要包括土體及頂管材料的本構(gòu)關(guān)系、地應(yīng)力平衡、管土界面、土體損失和迎土面壓力等。

3.1 基本假定

本文模擬頂管施工建模主要有下列假設(shè)：

（1）土體初始應(yīng)力場均勻分布;

（2）不考慮地下水與地面累積荷載對(duì)頂管的影響;

（3）彈塑性材料均勻各向同性;

（4）不考慮土體固結(jié)引起的土體長期變形，僅考慮平行頂管中地面沉降;

（5）頂進(jìn)力以圓形均布荷載的形式作用于掘進(jìn)機(jī)前方的土體上;

（6）摩阻力沿頂管方向均勻分布;

（7）頂管沿直線頂進(jìn)。

3.2 計(jì)算模型及參數(shù)選取

根據(jù)某實(shí)際工程，建立數(shù)值模型如圖2所示。土體3個(gè)方向長度分別為40m×50m×25m，頂管半徑1m，頂管長度23 m，相鄰平行管線軸線至地面距離7m，頂管距平行管管線圓心凈距6 m，掘進(jìn)機(jī)長度3m。網(wǎng)格共劃分79 280個(gè)單元，其中原有地下管線共劃分912個(gè)單元。土體、掘進(jìn)機(jī)與頂管材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。平行管線常用材料為鑄鐵管、鋼管和PVC管，材料參數(shù)如表2所示。本文使用單一變量法，模擬頂管分2次頂進(jìn)、每次頂進(jìn)1 m情況下對(duì)相鄰平行管線的影響。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 頂管與管線距離對(duì)管線位移影響

計(jì)算中考慮平行管線為鑄鐵材料，頂管與平行管線圓心凈距分別為6 m、7 m和8 m 3種條件下2次頂管頂進(jìn)施工對(duì)平行管線的影響。頂管與平行管線不同間距情況下管線的水平（U1）與豎向（U2）位移云圖如圖3～圖6所示。

從圖3～圖6中可以看出，頂管施工對(duì)平行管線的位移影響隨著頂管與平行管線距離的增大均逐漸減小;在第1次頂管頂進(jìn)且間距為6 m、7 m和8 m 3種情況下，管線的水平位移分別是5.39 mm、3.33 mm和0.28 mm，管線的豎向位移分別是4.34 mm、3.63 mm和2.40 mm;隨著距離的增大，已有管線水平位移的衰減幅度明顯大于豎向位移的衰減幅度，且水平位移幅值普遍大于豎向位移幅值，說明頂管與管線距離的變化對(duì)地下管線的水平位移影響要比豎向位移大。

4.2 不同管材對(duì)管線位移影響

計(jì)算中考慮管材分別為鑄鐵、鋼管和PVC管3種情況下2次頂管頂進(jìn)施工對(duì)平行管線的影響，頂管與平行管線圓心凈距采用7 m。不同管材情況下管線的水平（U1）與豎向（U2）位移云圖如圖7～圖10所示。

從圖7～圖10中可以看出，管線的水平位移與豎向位移受材料的影響同樣較大。同種工況下， PVC 管線較其他2種材料管線出現(xiàn)較大的水平位移與豎向位移。在第1次頂管頂進(jìn)結(jié)束后，鑄鐵管的水平與豎向位移為3.33 mm和0.38 mm，鋼管的水平與豎向位移為4.35mm和0.38mm，PVC管的水平與豎向位移分別是4.60mm和0.45mm，放大了約39%和18%，這說明PVC管與鑄鐵管和鋼管相比，與土體的變形協(xié)調(diào)能力最強(qiáng)，當(dāng)其他條件允許時(shí)可以優(yōu)先選用PVC管。

5 施工措施

（1）在頂管頂進(jìn)施工過程中，為減少阻力，在頂管外壁刷石蠟和注漿，注漿應(yīng)選用頂管專用的鈉基膨潤土。

（2）由于頂管周圍土體被擾動(dòng)過，加之掘進(jìn)機(jī)自重較大，掘進(jìn)機(jī)在出隧道時(shí)，容易產(chǎn)生“叩頭”現(xiàn)象。一般采用如下方法避免這種情況發(fā)生：①在井點(diǎn)處進(jìn)行降水加固洞周土體;②在工作井的軌道上接好第1個(gè)柔性接頭，用拉桿與機(jī)頭鎖緊，增加整體剛度，并用葫蘆鏈捆在軌道上;③在預(yù)留洞口破除一部分后，通過機(jī)頭刀盤的旋轉(zhuǎn)破除剩下部分，當(dāng)達(dá)到合適的土壓力時(shí)，再開始正常出土。

（3）掘進(jìn)機(jī)出洞一定范圍內(nèi)，由于正面土壓力大于摩擦阻力，需要在導(dǎo)軌和鋼管上焊接防倒退裝置，或者在工作井壁兩側(cè)的預(yù)埋件上架設(shè)活動(dòng)斜頂撐，避免油缸回縮下管時(shí)發(fā)生的“倒退”現(xiàn)象;施工場地的土質(zhì)不均勻和頻繁的施工糾偏，容易造成路徑屈曲及機(jī)身“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。為此應(yīng)做到：①操作人員初期每天至少對(duì)預(yù)頂進(jìn)軸線復(fù)核1次，后期每天確保復(fù)核2 次，保證掘進(jìn)機(jī)頭順利進(jìn)洞;②在機(jī)頭前面正中心掛一線錘，配合儀表進(jìn)行正確判斷;③及時(shí)通過刀盤轉(zhuǎn)向控制機(jī)身自轉(zhuǎn)的角度;④按照規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)備安裝，特別是油缸的安裝一定要做到精益求精。

6 結(jié)論

（1）頂管施工會(huì)對(duì)管體周圍的土體造成擾動(dòng)并對(duì)臨近的管線產(chǎn)生影響。頂管施工引起的相鄰管線移動(dòng)具有空間性，產(chǎn)生的縱向位移很小，主要是水平向與豎向位移，且一般情況下水平位移大于豎向位移。

（2）頂管與相鄰管線距離的大小是影響土體與相鄰管線位移大小的原因。一般情況下，頂管施工對(duì)相鄰管線的位移影響隨著頂管與相鄰管線距離的增大而逐漸減小，距離的變化對(duì)相鄰管線的水平位移影響要比豎向位移大。

（3）管線材料同樣也是影響土體與相鄰管線位移大小的重要原因。研究表明，當(dāng)管線彈性模量較小時(shí)，管線與土體會(huì)具有比較良好的變形協(xié)調(diào)能力，因此，在條件合適的情況下可優(yōu)先選擇PVC管材。

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收稿日期 2020-04-09

責(zé)任編輯 朱開明