復(fù)雜環(huán)境下大口徑頂管施工對(duì)周圍環(huán)境的影響研究

白雨千

（中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司， 天津 300459）

1 引言

頂管施工在1896 年開始于美國北太平洋公司， 而我國引入的時(shí)間則相對(duì)較晚， 北京地區(qū)在1953 年開始國內(nèi)的第一項(xiàng)頂管施工工程。 經(jīng)過幾十年的發(fā)展， 我國的頂管施工技術(shù)已經(jīng)有了較大的提高， 尤其是對(duì)于城市中長(zhǎng)距離和大直徑的頂管工程［1-3］。 作為一種不開挖的掘進(jìn)施工， 頂管施工過程中所需占地較小， 施工時(shí)的噪音等也較小。 在建筑物較多以及交通較為繁忙的路段開展施工具有較大的優(yōu)勢(shì)。 但頂管施工時(shí)容易對(duì)周圍土體造成一定的擾動(dòng)， 而土體的擾動(dòng)容易導(dǎo)致周圍建筑物產(chǎn)生一定的安全隱患， 為此， 在開展頂管施工時(shí)必須對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行分析。

2 有限元分析

建模背景參考某頂管工程， 該工程所處地貌為河口相沖積平原， 有著較為平坦的地勢(shì)環(huán)境，工程沿線覆蓋有較多的填土， 沉積物為主要的下部填土類型， 并且主要為粉質(zhì)土， 因地下土層具有不均勻的復(fù)雜性， 故在建模時(shí)將其劃分為三層進(jìn)行考慮。 鑒于本文的研究重點(diǎn)在于頂管與地表沉降的關(guān)系， 故本文選取該項(xiàng)目的直線段作為代表進(jìn)行分析。 該直線段所處區(qū)域有著0.555%的坡度， 鑒于該坡度較小， 故本文在建模時(shí)將忽略不計(jì)， 全程模擬水平頂進(jìn)的情況。 工程鎖采用的圓形頂管機(jī)具有4180mm 的外徑， 所采用管節(jié)的混凝土強(qiáng)度為C50， 內(nèi)外徑分別為3500mm，4140mm， 每段管節(jié)的長(zhǎng)度均為2500mm。

本次模擬采用的是ABAQUS 有限元分析軟件， 所建立模型如圖1 所示。 頂管垂直下穿電纜溝， 其尺寸如圖2 所示。

圖1 模擬圖

圖2 電纜溝尺寸示意圖

沿頂管軸線以及橫向方向， 土體共有50m 的覆蓋范圍， 并且具有30m 的覆蓋深度， 頂管軸心與地表保持有8m 的間距； 采用鋼筋混凝土管作為頂管材料， 并在模擬時(shí)取25m 進(jìn)行分析； 以20mm 厚度的等代層作為管節(jié)外側(cè)泥漿套。

鑒于該工程主要覆蓋土質(zhì)為粉質(zhì)土， 故本文在對(duì)其進(jìn)行分析時(shí)采用Mohr-Coulomb 的彈塑性模型進(jìn)行分析。 土體彈性模量基于地區(qū)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定， 以3-4 倍的壓縮模量為準(zhǔn)。

土層以三層進(jìn)行簡(jiǎn)化處理， 以深度范圍內(nèi)的平均值作為參數(shù)的取值對(duì)象， 現(xiàn)場(chǎng)取土的參數(shù)如下表1 所示。

表1 土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

限于篇幅， 本文將直接給出模擬結(jié)果。 通過本次有限元計(jì)算分析之后， 得到土體變形分布情況。 通過頂管動(dòng)態(tài)施工過程模擬和變化模型摩阻力以及支護(hù)力數(shù)值大小的方式， 即可獲取土體在多種情況下的變形情況［4-6］。

圖中以X 軸來模擬起點(diǎn)頂進(jìn)位置； 以Y 軸來模擬頂管的中軸線； 以Z 軸來模擬地表沉降，隆起時(shí)以正值表示， 沉降時(shí)以負(fù)值表示。

2.1 地表變形的模擬計(jì)算值

圖3 頂進(jìn)距離與地表沉降的關(guān)系

從圖3 （a） 可知， 土體沉降變形規(guī)律大致表現(xiàn)為頂管機(jī)前方1.5D 位置有所隆起， 而其后方土體則大多處于沉降狀態(tài)， 并且在頂管機(jī)頭后方約為2.5D 處的沉降表現(xiàn)出逐漸趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。從圖3 （b） 中可以看出， 在頂管軸線位置有最大的沉降值， 并且隨著軸線不斷向兩側(cè)推移， 沉降逐漸減小。 在本次模擬中， 因距離頂管機(jī)3D 之外的位置沉降影響較小， 故此處忽略不計(jì)。

2.2 不同摩阻力對(duì)地表沉降的影響

土體在頂管頂進(jìn)時(shí)會(huì)因機(jī)器的拖拽作用而引發(fā)沉降。 頂管與周圍土體的接觸面積隨著頂管的不斷頂進(jìn)而有所增加， 但此時(shí)因存在有泥漿套，會(huì)使得沉降在最終逐漸穩(wěn)定下來。 從圖4 （a） 可看出， 摩阻力對(duì)頂管機(jī)頭后方沉降影響較大， 對(duì)前方隆起影響較小， 具體表現(xiàn)為地表沉降顯著加大。 從圖4 （b） 中可看出， 一定范圍內(nèi)的橫斷面沉降受摩阻力的影響較大。

圖4 摩阻力對(duì)地表沉降的影響

2.3 不同支護(hù)壓力對(duì)地表沉降的影響

圖5 不同支護(hù)壓力對(duì)地表沉降的影響

從圖5 （a） 中可看出， 前方土體在靜止土壓力小于支護(hù)壓力時(shí)會(huì)受到擠壓作用， 前方土體的隆起以及后方沉降均與支護(hù)壓力成正比， 前方土體的隆起受到較大影響。 從圖5 （b） 中可看出，不同橫斷面所受到支護(hù)壓力的影響較小。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

頂管施工過程中， 除了要考慮施工的安全性之外， 還因施工過程中對(duì)周圍土體的擾動(dòng)， 而需考慮周圍環(huán)境所受施工的影響。

在頂管不斷推進(jìn)的過程中， 管節(jié)周圍土體被泥漿不斷帶出， 并且因上方土體不斷受到重壓作用而導(dǎo)致土體變形加劇。 對(duì)周圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行處理， 從而掌握頂進(jìn)范圍內(nèi)土體變形情況， 以對(duì)施工做出調(diào)整， 提高頂管施工安全性。 本次監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括有以下幾方面：

3.1 地表沉降

對(duì)于直線頂進(jìn)區(qū)域， 基于現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)， 在工作井周圍朝向頂管推進(jìn)方向30m 范圍內(nèi)， 以5m的間距布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)； 此后則以10m 的間距布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)， 具體如圖6 所示。 若現(xiàn)場(chǎng)條件有限， 可適當(dāng)降低測(cè)點(diǎn)布置數(shù)量或更改布置位置。 地表沉降應(yīng)小于35mm， 隆起應(yīng)小于10mm。

圖6 測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 土體內(nèi)部位移

該部分監(jiān)測(cè)共包括水平位移以及沉降兩方面內(nèi)容。 采取傾斜儀測(cè)量水平位移， 分層沉降儀測(cè)量?jī)?nèi)部沉降。

3.3 土體壓應(yīng)力

頂管是以一定的坡度朝前頂進(jìn)， 在監(jiān)測(cè)時(shí)采取預(yù)埋土壓力盒的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 所以對(duì)頂管上下部位置通常難以監(jiān)測(cè)。 故在頂管左右部位分別以20m 的間距埋設(shè)土壓力盒。

3.4 鄰近建筑物

首先進(jìn)行預(yù)埋件的埋設(shè)， 此時(shí)需將測(cè)點(diǎn)周圍空洞以水泥砂漿進(jìn)行填充。 一般在所測(cè)建筑物的角點(diǎn)上埋設(shè)測(cè)點(diǎn)。 測(cè)點(diǎn)布置完成后， 需要采取保護(hù)措施避免受到損壞。 應(yīng)控制周圍鄰近墻體沉降小于10mm， 測(cè)點(diǎn)的具體布置如圖7 所示。

圖7 測(cè)點(diǎn)布置參照?qǐng)D

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在實(shí)際測(cè)試過程中， 土壓力盒受到擾動(dòng)， 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)無明顯規(guī)律， 而土體內(nèi)部沉降規(guī)律并不顯著，因此本文僅對(duì)其他兩種情況的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.1 地表沉降

（1） 頂管軸線

將各點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)繪制如圖8 所示。 圖中X 軸從頂起時(shí)間起始點(diǎn)算起， 地表變形以Z 軸表示，隆起時(shí)以正值表示， 沉降時(shí)以負(fù)值表示。 限于篇幅， 本文僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖8 頂管軸線沉降曲線

從檢測(cè)數(shù)據(jù)可知， 地表沉降具有相似的規(guī)律， 均表現(xiàn)為隆起后下降， 并在一定距離后逐漸趨于平穩(wěn)， 而對(duì)于靠近接受井的測(cè)點(diǎn)， 該處因頂管施工在沉降穩(wěn)定下來之前就已經(jīng)結(jié)束， 故其表現(xiàn)為持續(xù)的沉降狀態(tài)。 土體受大口徑頂管施工的影響較大， 當(dāng)頂管機(jī)機(jī)頭到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置時(shí)土體有著最大的隆起值， 在頂管機(jī)不斷向前推移的過程中， 土體沉降逐漸加大， 但當(dāng)頂管機(jī)運(yùn)行到某一距離時(shí)， 土體的沉降不斷趨于平緩。 在頂管機(jī)前方最大有著5mm 的隆起， 在其后方最大有著34mm 的沉降。

（2） 頂管橫斷面

由圖9 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知， 在1# 斷面上的軸線最外側(cè)有著12mm 的最小沉降值， 以及軸線上20mm 的最大沉降值； 4# 斷面在軸線最外側(cè)有著9mm 的最小沉降值， 在軸線上有著16mm 的最大沉降值。 當(dāng)橫斷面上有頂管經(jīng)過時(shí)， 軸線上的測(cè)點(diǎn)首先表現(xiàn)出沉降， 并從軸線開始朝向兩邊逐漸發(fā)展。 頂管橫斷面上的沉降隨著不斷往前的頂管施工而逐漸增大， 相比于兩側(cè)沉降， 軸線上有最大的沉降值。 因頂進(jìn)施工的影響因素較多， 導(dǎo)致軸線兩側(cè)沉降也不相同。

4.2 鄰近建筑物

從始發(fā)井頂進(jìn)到接收井的過程中， 頂管軸線右側(cè)存在著建筑物圍墻。 該圍墻平行與頂進(jìn)軸線， 并與其保持有一定距離。 在三個(gè)圍墻上以上述布置方案設(shè)置測(cè)點(diǎn)， 對(duì)其沉降和傾斜進(jìn)行測(cè)量。 將所得結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。

表2 墻體沉降數(shù)據(jù) （單位： mm）

在頂管頂進(jìn)過程中， 沉降首先在測(cè)點(diǎn)1 開始發(fā)生， 并逐漸發(fā)展到測(cè)點(diǎn)2 和3， 與土體受頂管施工的影響規(guī)律相似。 墻體僅具有7mm 的最大沉降量， 小于10mm， 符合設(shè)計(jì)要求。 對(duì)其原因進(jìn)行分析可知， 因其為較大剛度的連續(xù)性結(jié)構(gòu)墻體， 并且其與管道軸線保持有一定距離， 故其僅具有較小的沉降。

表3 墻體傾斜數(shù)據(jù)

通過分析表3 中數(shù)據(jù)可知， 墻體的垂直度因頂管施工受到一定影響。 墻體因?yàn)橥馏w受到擾動(dòng)發(fā)生沉降， 土體因擾動(dòng)情況不一致從而導(dǎo)致墻體有傾斜情況發(fā)生。 對(duì)于該墻體而言， 其本身存在一定的傾斜， 在頂管施工擾動(dòng)了土體之后， 擴(kuò)大了墻體的傾斜， 但墻體的傾斜度在一定時(shí)間之后逐漸趨于穩(wěn)定， 墻體總體傾斜小于0.6%， 滿足要求。

5 結(jié)語

基于上述研究， 本文主要得出以下結(jié)論：

（1） 通過有限元分析的模擬結(jié)果可知， 在8m 埋深條件下的頂管施工中， 在頂管機(jī)頭前進(jìn)方向的1.5D 處有隆起現(xiàn)象出現(xiàn)， 而其后邊的土體則表現(xiàn)出有所沉降， 并在距離2.5D 處沉降開始趨于平緩。 在頂管軸線上有最大的沉降， 并隨著軸線向兩側(cè)距離的增加而逐漸降低。 頂管機(jī)頭前方隆起受摩阻力的影響較小， 但其后方沉降受摩阻力影響較大； 而頂管機(jī)頭前方受支護(hù)壓力的影響較大， 后方沉降受支護(hù)壓力的影響較小。

（2） 基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知， 頂管機(jī)頭前方有5mm 的最大沉降量， 在后方則有34mm 的最大沉降量， 且沉降量在距離頂管機(jī)頭后方約為15m 處開始趨于平緩。 頂管施工場(chǎng)地周圍墻體與管道軸線保持有一定距離， 且因該墻體為剛度較大連續(xù)性墻體， 固頂管施工對(duì)其影響較??； 該墻體水平與頂管軸線， 頂管施工導(dǎo)致其產(chǎn)生的傾斜度較小， 滿足規(guī)范要求。