有限元滲流分析法在頂管穿堤施工質(zhì)量控制中的應(yīng)用

張 慶 姜 鵬

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

頂管施工技術(shù)屬于非開(kāi)挖工程的一種，不需要進(jìn)行明挖，補(bǔ)水管道就能穿越公路、地面建筑物等，近年來(lái)，在城市市政工程建設(shè)中應(yīng)用比較廣泛，但其施工不可避免地會(huì)對(duì)頂管周?chē)耐馏w產(chǎn)生擾動(dòng)，同時(shí)會(huì)改變管道周?chē)臐B流場(chǎng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起滲透破壞，頂管施工在鉆孔過(guò)程中，受擾動(dòng)周?chē)翆颖凰酀{充填，可通過(guò)分析施工期間管道周邊被泥漿充填土層的水力坡降與其臨界水力坡降的關(guān)系判斷施工期間是否會(huì)發(fā)生滲透破壞，本文依據(jù)南昌一級(jí)補(bǔ)水管道穿贛江南大道段工程，建立等尺度三維有限元模型，分析頂管施工期間的滲流場(chǎng)，判斷是否發(fā)生滲透破壞，可為類似工程提供指導(dǎo)性建議，確保工程施工質(zhì)量。

1 工程概況

一級(jí)補(bǔ)水干管穿贛江南大道，頂管段樁號(hào)為SG0+168.369～SG0+250.377，管道近似垂直穿過(guò)贛江南大道，頂管段補(bǔ)水管道采用2根DN1200K9級(jí)球墨鑄鐵管頂管，長(zhǎng)度約70m，管軸中心高程20.40m，管道埋深4.3m，管頂與贛江南大道埋深最深的雨污管道凈距1.0m。穿贛江南大道頂管段包括工作井、頂管管道、接收井等，頂管穿越地層主要為人工填土。

2 頂管施工設(shè)計(jì)方案

頂管施工會(huì)對(duì)管道周?chē)耐馏w產(chǎn)生擾動(dòng)，可能引起贛江南大道地面的沉降變形并導(dǎo)致贛江大堤沿頂管段管道周?chē)纬蓾B漏通道，根據(jù)本工程的地質(zhì)條件及地下水位埋深，選擇有平衡功能的頂管機(jī)進(jìn)行施工。為減小頂進(jìn)阻力，在間隔一根管節(jié)的同一截面上設(shè)3個(gè)灌漿孔，頂進(jìn)過(guò)程中加強(qiáng)同步注漿，泥漿采用膨潤(rùn)土觸變泥漿，在管道周邊盡量形成連續(xù)的環(huán)形泥漿套。管道注漿孔布置示意見(jiàn)圖1，觸變泥漿技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 管道注漿孔布置示意圖

表1 膨潤(rùn)土觸變泥漿技術(shù)參數(shù)

完成頂進(jìn)后通過(guò)采用灌注純水泥漿置換觸變泥漿的措施加固管道周邊土體，防止管道周?chē)鷿B漏通道的產(chǎn)生，為確保頂進(jìn)效果，直線頂管水平軸線允許偏差為130mm，采用經(jīng)緯儀或掛中線用尺控制頂進(jìn)方向；直線頂管內(nèi)底高程允許偏差為60mm，采用水準(zhǔn)儀或水平儀控制頂進(jìn)高程。在施工過(guò)程中，管道偏差測(cè)量每500mm不宜少于1次，在管道糾偏階段不宜少于2次，以確保頂管機(jī)頭在進(jìn)入穿越段之前處于準(zhǔn)確的姿態(tài)。頂進(jìn)結(jié)束后，立即用純水泥漿置換泥漿，灌漿壓力根據(jù)灌漿工藝及地質(zhì)條件確定，宜為0.05～0.1MPa，完成泥漿置換后，采用不銹鋼材質(zhì)的絲堵物質(zhì)封堵灌漿孔。

本文在此基礎(chǔ)上分析施工期間是否會(huì)形成滲漏通道，發(fā)生滲透破壞。

3 三維有限元滲流分析原理

三維有限元滲流計(jì)算滿足水力學(xué)的連續(xù)性條件，水頭函數(shù)需滿足式(1)及初始邊界件：

(1)

式中：Kx、Ky、Kz為x、y、z向的滲透系數(shù)。

水頭邊界條件：

-h|Γ1=h(x,y,z)

(2)

流量邊界條件：

(3)

求解上述問(wèn)題的有限元方程可寫(xiě)成：

[K]{h}={F}

(4)

式中：[K]為滲透矩陣；{F}為邊界已知流量矩陣。[k]、{F}通過(guò)計(jì)算各單元的[K]e、{F}e后組裝而成。

4 滲流穩(wěn)定計(jì)算分析

4.1 水文地質(zhì)資料

贛江南大道為贛江左岸大堤，防洪標(biāo)準(zhǔn)近期100年一遇，為堤路結(jié)合形式，堤身為素填土，本次勘察期間，擬建場(chǎng)地未見(jiàn)明顯的地表水系，擬建場(chǎng)地距贛江東側(cè)約300m，贛江是本省第一大河流，就其水量而言，是長(zhǎng)江水系的第二大支流，總長(zhǎng)約827km，流域面積8.3萬(wàn)km2，水量充沛。

土層主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

4.2 計(jì)算工況

為驗(yàn)算頂管施工期間，堤身是否會(huì)發(fā)生滲流破壞，計(jì)算時(shí)選取最不利工況，上游水位采用施工期的最大設(shè)計(jì)洪水位24.29m，下游基坑內(nèi)無(wú)水，上下游水頭差為8.296m。

4.3 三維有限元模型建立

建立三維有限元模型對(duì)本工程進(jìn)行等尺度模擬，模擬補(bǔ)水管道段長(zhǎng)70m，工作井以上部分為1∶1自然放坡。上游水位24.29m，下游水位高程與工作井底高程一致，模型底部為固定邊界，上游施加位置水頭邊界條件，為重點(diǎn)分析補(bǔ)水管附近土體的滲流場(chǎng)，模型建立時(shí)在補(bǔ)水管外側(cè)建立3cm厚的薄壁單元來(lái)模擬施工期的觸變水泥漿，建立的整體有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 補(bǔ)水管道穿贛江南大道三維滲流場(chǎng)模擬模型圖

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

4.4.1 頂管施工前

為進(jìn)行對(duì)比分析，首先對(duì)頂管施工前的滲流場(chǎng)進(jìn)行分析，頂管施工前在施工期設(shè)計(jì)洪水位工況下滲流場(chǎng)流速分布見(jiàn)圖3，擬進(jìn)行頂管施工部位土體流速分布見(jiàn)圖4。

圖3 頂管施工前施工期設(shè)計(jì)洪水位工況下流速矢量圖

從圖3整個(gè)滲流場(chǎng)分析，工程最大流速發(fā)生在下游工作井基坑，最大流速為5.703×10-8m/s，根據(jù)達(dá)西定律，已知素填土的滲透系數(shù)K=3×10-5cm/s，可以反推施工前基坑最大滲透坡降為J=0.19，地質(zhì)提供土層允許滲透坡降[J]=0.32，J<[J]，可以判斷工程在頂管施工前、開(kāi)挖工作井、遭遇施工期設(shè)計(jì)洪水位時(shí)基坑內(nèi)不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

圖4 頂管施工前施工期設(shè)計(jì)水位工況下擬穿管位置流速矢量圖

根據(jù)圖4取出的擬穿管部位模擬單元的滲流場(chǎng)分析結(jié)果，堤防擬穿管位置最大流速為3.802×10-8m/s，小于滲流場(chǎng)最大流速，該位置不是最危險(xiǎn)部位，反推最大滲透坡降為J=0.13 ，J<[J]=0.32，擬穿管附近土體施工前不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

4.4.2 頂管施工期間

頂管施工期間在施工期設(shè)計(jì)洪水位工況下三維滲流場(chǎng)流速分布見(jiàn)圖5，頂管外側(cè)觸變水泥漿薄層單元土體流速分布見(jiàn)圖6。

圖5 頂管施工期間設(shè)計(jì)洪水位工況下整體流速矢量圖

圖6 頂管施工期間設(shè)計(jì)洪水位工況下水泥漿薄層流速矢量圖

從圖5整個(gè)滲流場(chǎng)分析，最大流速仍發(fā)生在工作井基坑，最大流速為5.622×10-8m/s，根據(jù)達(dá)西定律反推最大滲透坡降為J=0.19，J<[J]=0.32，整體不會(huì)發(fā)生滲透破壞，其中水泥漿附近最大流速為4.168×10-8m/s，反推最大滲透坡降為J=0.14。

但是考慮到頂管施工期間對(duì)頂管附近防洪堤土體的擾動(dòng)影響，土體參數(shù)會(huì)有所降低，從工程偏安全角度考慮，需將原狀土的允許滲透坡降進(jìn)行適當(dāng)折減，結(jié)合已有研究成果，擾動(dòng)土體滲透系數(shù)乘以0.6的折減系數(shù)是可行的，素填土滲透系數(shù)經(jīng)折減后[J]′=0.192，仍大于水泥漿附近土層的滲透坡降0.14，可初步判斷頂管施工不會(huì)引起原有防洪堤的滲透破壞。

此外通過(guò)對(duì)比分析頂管施工前后滲流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，頂管穿防洪堤施工對(duì)堤防的三維滲流場(chǎng)影響不大，流速矢量圖計(jì)算結(jié)果基本一致，頂管施工期間，由于水泥漿層的影響，基坑處最大流速由5.703×10-8m/s降低至5.622×10-8m/s，水泥漿層最大流速由3.802×10-8m/s增加至4.168×10-8m/s，變化不大，可見(jiàn)該工程頂管施工對(duì)原有堤防的三維滲流場(chǎng)影響較小。

5 結(jié) 論

a.本文通過(guò)對(duì)南昌一級(jí)補(bǔ)水泵站穿贛江南大道段工程的三維滲流場(chǎng)進(jìn)行有限元分析，對(duì)比分析頂管施工對(duì)三維滲流場(chǎng)的影響，根據(jù)計(jì)算結(jié)果求出頂管施工期間的滲透坡降，參考已有研究成果，對(duì)允許水力坡降進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼蹨p，通過(guò)計(jì)算分析，可以確定在施工期設(shè)計(jì)洪水位工況下，頂管施工對(duì)土體的擾動(dòng)不會(huì)引起防洪堤的滲透破壞，為現(xiàn)場(chǎng)頂管施工提供了技術(shù)支撐，控制了該工程施工期間的工程質(zhì)量。

b.頂管施工對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)程度目前無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算，本文僅根據(jù)已有成果對(duì)原狀土的允許滲透坡降進(jìn)行了折減，施工中仍需對(duì)施工影響范圍內(nèi)的防洪堤加強(qiáng)觀測(cè)和監(jiān)測(cè)等技術(shù)措施，進(jìn)而將頂管施工對(duì)管道外土體的擾動(dòng)減到最小，同時(shí)應(yīng)做好封閉措施，防止水泥漿外漏，頂管施工完成后及時(shí)用純水泥漿進(jìn)行置換，避免形成滲漏通道，影響到防洪堤的安全。

c.本文結(jié)合實(shí)際工程研究了頂管施工期間滲流場(chǎng)的情況，可以判斷頂管施工是否會(huì)引起滲透破壞，但本文并沒(méi)有對(duì)贛江大道的地基沉降進(jìn)行分析，這需要在今后的工作中，加強(qiáng)研究，找到一種合適的方式對(duì)頂管穿堤方案引起的地表沉降量進(jìn)行計(jì)算，為工程提供技術(shù)支撐。

d.該工程已實(shí)施完畢，并經(jīng)歷了汛期的考驗(yàn)，項(xiàng)目的成功為類似工程提供了借鑒。