雙頂管施工下穿既有電力方涵的安全影響分析

吳至帆

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引言

隨著我國(guó)市政道路的增多，城市路網(wǎng)不斷加密，地面以及地下的（建）構(gòu)筑物、管線越加復(fù)雜，采用明挖法施工敷設(shè)新的地下管線的方案越來(lái)越困難。為了減少對(duì)地下構(gòu)筑物安全的影響，非開(kāi)挖的管線施工方式已成為市政給排水管道的最佳施工方案之一[1]。頂管施工技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)周?chē)h(huán)境影響小、綜合成本較為經(jīng)濟(jì)、施工工期較短等。但是隨著頂管尺寸、數(shù)量的增加，頂管施工所產(chǎn)生的路面沉降的問(wèn)題也日益突出。如果頂管下穿工程的施工，不能有效地控制沉降、變形，那么會(huì)很容易對(duì)既有的地下構(gòu)（建）筑物的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，從而造成安全隱患。

本文以南昌市某新建道路排水工程（以下簡(jiǎn)稱本工程）為背景，采用Midas/GTS軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，結(jié)合其他研究人員的結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)排水管道頂管施工下穿時(shí)的上部電力方涵結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行了分析，以期指導(dǎo)本工程實(shí)施，也為今后類似工程設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 工程概況

本工程原排水設(shè)計(jì)方案為4.5m×1.5m雨水箱涵，基坑深度開(kāi)挖約為7m，基坑支護(hù)采用12m長(zhǎng)拉森鋼板樁明挖支護(hù)方案。然而基坑開(kāi)挖過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該箱涵排入河道出水口段上部存在一處5.15m×1.8m電力方涵，電力方涵為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，方涵內(nèi)有電力纜線，涵頂距離現(xiàn)狀路面下約60cm，橫跨本工程該段雨水箱涵施工范圍。因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整，采用2根DN2000鋼頂管下穿電力方涵后，排入河道。雙頂管間凈距為2.5m，頂進(jìn)長(zhǎng)度為12m，頂管工作井內(nèi)凈尺寸為8.9m×5m，工作井基坑采用拉森鋼板樁+內(nèi)支撐的支護(hù)方式。頂管工程平面位置關(guān)系見(jiàn)圖1，剖面豎向位置關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖1 頂管平面布置圖

圖2 頂管剖面圖（單位：m）

工程擬建場(chǎng)地地貌單元屬贛撫沖積平原贛江Ⅰ級(jí)堆積階地。地層構(gòu)成主要由第四系上更新統(tǒng)沖積相粘性土及砂礫層和第三系下統(tǒng)新余群粉砂巖組成。土層分布自上而下依次為：1層素填土：主要成分為粘性土，少量碎石、細(xì)砂；2層淤泥質(zhì)黏土：軟塑，工程地質(zhì)特性較差；3層粉土：干強(qiáng)度、韌性低；4-1層粉質(zhì)黏土：干強(qiáng)度、韌性中等，底部砂性重；4-2層粉質(zhì)黏土：干強(qiáng)度、韌性中等，底部砂性重；5層細(xì)砂：顆粒大小均勻，級(jí)配差。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件及本次勘察查明，擬建區(qū)間地下水類型主要為上層滯水、第四系松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙水三種類型，場(chǎng)地混合穩(wěn)定水位埋深7.25m，混合穩(wěn)定水位標(biāo)高平均值為12.76m。本工程DN2000鋼頂管主要在2層淤泥質(zhì)黏土及4-1層粉質(zhì)黏土層內(nèi)頂進(jìn)施工。各土層相應(yīng)物理參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 主要土層物理參數(shù)

2 三維模擬模型建立

2.1 建立有限元模型

采用MidasGTS有限元分析軟件建立三維有限元模型見(jiàn)圖3、圖4。綜合考慮本項(xiàng)目的整體范圍，模型長(zhǎng)度為100m，寬度為50m，高度為35m。土層采用摩爾庫(kù)倫模型，三維實(shí)體單元，頂管管節(jié)采用線彈性模型，板單元[2]。

圖3 三維模型整體示意圖

圖4 頂管模型圖

2.2 計(jì)算假設(shè)

結(jié)合本工程實(shí)際情況及參考其他研究人員對(duì)頂管施工的施工模擬研究論著[2-4，7]，對(duì)頂管模擬模型做出如下假定:

（1）土體模型采用基于摩爾-庫(kù)倫模型，土層為均質(zhì)、各向同性、理想彈塑性體；土體模型的側(cè)邊和底邊施加位移邊界條件，均為法向約束，而模型頂面為自由邊界不約束位移；

（2）頂管結(jié)構(gòu)采用各向同性的線彈性體，不考慮管道接頭的影響；

（3）為簡(jiǎn)化計(jì)算，采用圓形均布荷載模擬頂管正面推進(jìn)力，地層損失沿管道軸向均勻分布；

（4）頂管頂進(jìn)過(guò)程中只考慮頂進(jìn)空間位置的變化，不考慮土體時(shí)間效應(yīng)；

（5）頂管施工過(guò)程中引起的土體損失率為根據(jù)地質(zhì)與地區(qū)經(jīng)驗(yàn)估算：本工程頂管位于粉質(zhì)黏土層中，土體損失率一般為0.5%～2.5%。

2.3 計(jì)算工況

由于考慮到頂管施工的各個(gè)階段都會(huì)對(duì)路面及周?chē)鷺?gòu)筑物產(chǎn)生一定的影響，因此本次分析僅模擬頂管頂進(jìn)施工過(guò)程，工作井基坑在頂管頂進(jìn)前已施工完成[6]。計(jì)算工況主要分為：（1）未施工前的原始應(yīng)力狀態(tài)；（2）1#頂管與2#頂管分先后順序進(jìn)行施工作業(yè)（暨1#頂管施工完畢后再施工2#頂管）；（3）兩根頂管同時(shí)施工作業(yè)。在不同工況下得到對(duì)應(yīng)的既有電力方涵的沉降數(shù)據(jù)，繪制其變化曲線，并進(jìn)行分析。

3 結(jié)果分析

頂管施工引起路面沉降或結(jié)構(gòu)變形的過(guò)程是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，其中包含了變形的傳遞以及應(yīng)力的傳遞。頂管頂進(jìn)施工時(shí)會(huì)首先引起頂管周?chē)膽?yīng)力產(chǎn)生變化，而后應(yīng)力重新分布的過(guò)程引起周?chē)馏w的變形甚至破壞[4]。

當(dāng)1#頂管與2#頂管分先后順序依次頂進(jìn)施工時(shí)，既有電力方涵的沉降值見(jiàn)圖5。由圖中可得，整個(gè)施工過(guò)程中對(duì)電力方涵產(chǎn)生的沉降值基本呈現(xiàn)為正態(tài)分布。1#頂管施工時(shí)，電力方涵的最大沉降值為4.2mm，而2#頂管頂進(jìn)時(shí)的電力方涵最大沉降值為7.5mm。2#頂管作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的影響更大。

當(dāng)1#頂管與2#頂管同時(shí)頂進(jìn)施工時(shí)，既有電力方涵的沉降值見(jiàn)圖6。由圖中可知，整個(gè)施工過(guò)程中對(duì)電力方涵產(chǎn)生的沉降值基本呈現(xiàn)為正態(tài)分布。2根頂管同時(shí)施工時(shí)，電力方涵的最大沉降值為8.5mm，大于分先后順序施工產(chǎn)生的沉降值。

圖5 雙頂管依次頂進(jìn)引起的電力方涵沉降曲線圖（單位：mm）

圖6 雙頂管同時(shí)頂進(jìn)引起的電力方涵沉降曲線圖（單位：mm）

參考規(guī)范《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS 246:2008）中第13.2.4條款：頂管造成的地面沉陷不應(yīng)造成道路開(kāi)裂，公路沉陷量小于或等于20mm。考慮此電力方涵的重要性，結(jié)構(gòu)沉降變形的控制值取為10mm，因此，模擬計(jì)算得出的電力方涵沉降值可滿足相關(guān)要求。

綜上所述，并排的多根頂管同時(shí)作業(yè)對(duì)既有電力方涵產(chǎn)生的影響大于單一頂管施工所產(chǎn)生的影響，但是其中的差值并不特別大。

4 結(jié)論

本文依托南昌市某新建道路排水工程，通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析，分析了雙頂管施工對(duì)上部既有電力方涵結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果表明：雙頂管同時(shí)并行施工和單一先后施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)沉降的影響有著差異，雙頂管同時(shí)并行施工產(chǎn)生的影響更大。在實(shí)際工程中，因?yàn)楣て诘染C合因素，也可采用雙頂管施工，但是需加強(qiáng)施工期間對(duì)于既有構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)沉降的監(jiān)測(cè)，并做好相關(guān)的保護(hù)措施。上述規(guī)律與結(jié)論，對(duì)于今后雙頂管下穿既有構(gòu)筑物過(guò)程中的變形控制及周邊環(huán)境影響評(píng)估具有一定的參考價(jià)值。