頂管施工對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)施工會對周圍的土體造成擾動并對臨近管線產(chǎn)生影響，施工時應(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)過程中對地下管線的影響;同時對控制變形的措施進(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：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，會引起土體發(fā)生位移。地面的位移以及地下土體的變形會影響到周邊頂管，帶動相鄰的地下管線移動。頂管頂進(jìn)過程中產(chǎn)生的附加應(yīng)力會通過周圍土體傳遞到相鄰管線上，并對其產(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)施工對臨近管線的影響是一個復(fù)雜的動態(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)場測量方法進(jìn)行研究。但因?yàn)楸O(jiān)測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號線二期工程為目標(biāo)，探討頂管施工對臨近既有隧道產(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。

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)時對周圍土體產(chǎn)生的擾動以及對地下平行管線的影響規(guī)律，同時對控制變形的措施進(jìn)行研究，給出相關(guān)施工建議。

2 頂管施工擾動機(jī)理

頂管施工時，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)相對復(fù)雜，施工中頂管需要錯開一定的縱向間距，防止頂管頂進(jìn)時土體擾動較大對相鄰管線造成不利影響[10]。先施工的頂管叫先行管，會對土層造成初次擾動，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)力重分布對先行管產(chǎn)生反作用;后施工的頂管叫后行管，會對土體造成二次擾動，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 計算模型及計算參數(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個單元，其中原有地下管線共劃分912個單元。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情況下對相鄰平行管線的影響。

4 計算結(jié)果分析

4.1 頂管與管線距離對管線位移影響

計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 不同管材對管線位移影響

計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過，加之掘進(jìn)機(jī)自重較大，掘進(jìn)機(jī)在出隧道時，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，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)活動斜頂撐，避免油缸回縮下管時發(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）頂管施工會對管體周圍的土體造成擾動并對臨近的管線產(chǎn)生影響。頂管施工引起的相鄰管線移動具有空間性，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，管線與土體會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