鄭州東四環(huán)道路管線頂進(jìn)施工路面升降分析

吳彥革 張義昌 侯 帥 王貴春

(1.中交一公局第七工程有限公司 鄭州 451452 ； 2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院 鄭州 450001)

近年來，我國城市建設(shè)快速發(fā)展，地下空間的開發(fā)利用逐漸受到人們的重視。對于城市地下管線，傳統(tǒng)的路面開挖法會造成交通堵塞、環(huán)境污染等問題，嚴(yán)重影響市民的出行和生活。而非開挖技術(shù)則能很好地緩解乃至避免上述問題。頂管施工法作為一種非開挖鋪管技術(shù)在城市道路地下管線鋪設(shè)工程中頗受青睞。該項技術(shù)適用多種土層，包括黏性土、粉性土、砂土、碎礫石及風(fēng)化殘積土等，但通常不適用于淤泥及巖石。管道的頂管施工可能導(dǎo)致較大的路面起伏，因此，準(zhǔn)確分析頂管施工過程中路面起伏狀況，合理指導(dǎo)施工過程，具有重要的理論和工程實踐意義。

頂管施工法最早在美國太平洋鐵路的鋪設(shè)中使用，距今已有100多年[1]。我國首次使用頂管施工技術(shù)是在20世紀(jì)50年代，隨著工程需求不斷提高，管材屬性逐漸提高，頂進(jìn)的長度也逐漸增加，覆土也越來越厚。因此，該項技術(shù)不僅對施工工藝精度要求提高，而且也要求對周圍土體的位移狀況進(jìn)行深入研究[2]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對頂管施工中土體升降問題進(jìn)行了分析，取得了不少成就。何劍星等[3]研究了超淺層曲線頂管施工在不同頂進(jìn)速度下的地表升降，認(rèn)為超淺層曲線頂管在不同的頂進(jìn)速度下地面升降有較大差異，最佳頂進(jìn)速度介于2～3 cm/min之間。張德成等[4]分析了污水管下穿既有互通式公路立交橋?qū)χ車馏w及橋梁樁基礎(chǔ)變形的影響，發(fā)現(xiàn)污水管道穿越施工對高速主線橋群有一定影響，而對立交匝道橋群影響很小。

在本文中，以鄭州市四環(huán)線及大河路快速化工程為背景，應(yīng)用ABAQUS有限元軟件分析雨水管道在頂進(jìn)施工過程中路面的升降規(guī)律，為頂管施工選擇合理的頂進(jìn)參數(shù)。

1 工程概況

鄭州市四環(huán)線及大河路快速化工程金城大道支線位于鄭州市東四環(huán)路，為鄭州市南北向交通主干道之一。道路起訖點樁號分別為K26+300和K27+500，擬鋪設(shè)管線為雨水和污水排泄管，前者管徑1.2 m,后者管徑0.5 m，各長746 m，沿金城大道布置。東四環(huán)路紅線寬80 m，兩側(cè)各控制50 m綠化帶，總控制寬度為180 m。管線主要布置在慢車道及輔道之下。

表1 各土層主要物理性質(zhì)

2 分析方法

2.1 頂進(jìn)方法

頂管施工方法按不同受力方式可以分為泥水平衡、小口徑頂管和土壓平衡3種方法。

泥水平衡法具有適用土質(zhì)范圍廣、所需總頂力較小等優(yōu)點。但棄土運輸和存放比較困難，且所需作業(yè)場地大，設(shè)備成本高。小口徑頂管施工法可準(zhǔn)確控制管線的方向和坡度。但該方法需對地層條件進(jìn)行詳細(xì)勘測、施工工藝復(fù)雜、對操作人員的技術(shù)和經(jīng)驗要求較高。

土壓平衡法的基本原理是通過機(jī)頭前方的刀盤切削土體并攪拌，同時由螺旋輸土機(jī)輸出挖掘的土體[5]。土壓平衡法不僅適用土質(zhì)范圍廣(幾乎從標(biāo)準(zhǔn)貫入值為0的軟黏土到標(biāo)準(zhǔn)貫入值為50的砂礫土，該方法均能適用)、能保持挖掘面穩(wěn)定，而且棄土的運輸和處理也比較簡單，整體流程操作方便、安全。針對本路段的具體情況，選用土壓平衡法進(jìn)行施工。

2.2 地層變形估算

在頂管頂推過程中，影響地層變形的因素是十分復(fù)雜的，但可認(rèn)為地層損失和頂管管道周圍受擾動土體的再固結(jié)是引起地層變形的主要因素[6]。依據(jù)Peck得出的經(jīng)驗公式可知，在設(shè)定地面沉降要求的情況下，可根據(jù)公式推出施工中地層損失率的控制要求。

地面沉降橫向分布估算公式為

(1)

式中：S(y)為地面沉降量；Smax為頂管軸線上方地面沉降量；y為地表偏離頂管中心線的水平距離，m；i為沉降槽寬度系數(shù)。

(2)

(3)

式中：r為頂管內(nèi)徑，m；z為頂管中心埋深，m；Vloss為單位長度土體損失量,m3/m。

3 模型建立

3.1 基本假定

設(shè)土體為連續(xù)、均勻的各向同性材料；管線為等直徑、等壁厚，且不考慮分節(jié)處接頭影響的線彈性材料；由于注漿壓力相對較小，僅考慮土體與管道之間的關(guān)系；不考慮土體上方荷載引起的變形和應(yīng)力；在數(shù)值模擬中，通過對頂推面施加位移來代替施工中的頂力；不考慮頂進(jìn)過程中土體的時間效應(yīng)，只考慮土體的空間效應(yīng)。

3.2 材料的本構(gòu)關(guān)系

土體是彈塑性材料，應(yīng)采用彈塑性的土體本構(gòu)模型。在土體彈塑性本構(gòu)模型中，荷載作用產(chǎn)生的變形分為彈性變形和塑性變形兩部分。土體的塑性理論在太沙基時代就得到了應(yīng)用，即簡單的剛塑性和彈性-理想塑性理論?；谄矫鎽?yīng)變基本理論，使用Drucker-prager屈服準(zhǔn)則材料。

3.3 建立實體模型

根據(jù)頂管埋置深度，兼顧現(xiàn)場土質(zhì)、計算精度和效率，建立30 m×40 m×30 m的土體模型，其中沿管軸線方向和豎直方向均為30 m。頂管模型長20 m，內(nèi)徑1.2 m，壁厚0.12 m，管節(jié)為鋼筋混凝土材料。土體和頂管均采用六面體單元，土體和頂管之間設(shè)置接觸摩擦，摩擦系數(shù)為0.2。對垂直于頂進(jìn)方向的2個面施加z方向約束；對土體左右面施加y方向約束；土體底面施加全約束。當(dāng)覆土厚度不同時，上表面設(shè)置為自由面。模型的單元數(shù)和節(jié)點數(shù)略有差異，覆土厚度8 m的網(wǎng)格劃分情況見圖1。頂管單元數(shù)為2 070，節(jié)點數(shù)為4 092；土體單元數(shù)為62 600，節(jié)點數(shù)為67 600。頂管的總頂進(jìn)力主要由兩部分組成，即四周的摩阻力和頂管迎面阻力。該工程在作業(yè)穩(wěn)定狀態(tài)所需總頂進(jìn)力約為3 200 kN,施工時采用2臺2 000 kN千斤頂作業(yè)。頂進(jìn)力和頂進(jìn)速度由頂管機(jī)控制，計算過程中設(shè)頂進(jìn)力為3 200 kN,頂進(jìn)速度約為30 mm/min。

圖1 網(wǎng)格劃分示意圖

3.4 開挖過程模擬步驟

為了準(zhǔn)確模擬頂管的施工開挖，分別對頂管以及開挖土體進(jìn)行切分。頂管總長20 m，其中機(jī)頭長4 m，一次頂進(jìn)。剩余管體按每個施工步2 m分步頂進(jìn)，全程共8段管節(jié)。模型采用單元的激活和殺死來模擬施工階段土體的開挖和管節(jié)的頂進(jìn)。具體的荷載步為：第1步，對土體施加重力，平衡地應(yīng)力，此階段殺死所有頂管單元，對應(yīng)土體的最初狀態(tài)。第2步，殺死土體中相對于頂管機(jī)頭的前兩節(jié)土塊，激活頂管單元，頂進(jìn)機(jī)頭。第3步，殺死土體中機(jī)頭前方第三節(jié)土塊，頂進(jìn)第1段管節(jié)。第4步，殺死土體中機(jī)頭前方第四節(jié)土塊，頂進(jìn)第2段管節(jié)。以此類推，一共分10步，在每次殺死土體之后，對開挖面施加土壓力p，每次頂進(jìn)管體時，考慮頂管外壁與機(jī)頭頂面所受到土體的摩擦力。

4 數(shù)值分析

4.1 計算參數(shù)選擇

綜合考慮施工現(xiàn)場地質(zhì)及水文地質(zhì)情況，選取土體彈性模量E=8×106Pa，泊松比μ= 0.4，重度γ=15 kN/m3，黏聚力c=20 kPa，內(nèi)摩擦角φ= 20°，膨脹角ω=30°。頂管為鋼筋混凝土材料，金屬頂管機(jī)頭彈性模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3；管節(jié)彈性模量E=3.5×1010Pa。

4.2 路面變形分析

在管線頂進(jìn)過程中，管線與開挖土體之間的體積差加之頂進(jìn)作業(yè)對土體的擠壓拖曳作用，將導(dǎo)致土體體積變化而造成所謂的地層損失。地層損失主要來自以下方面：工具管前艙壓力變化引起的超挖；管線與周圍土層之間空隙引起的超挖；糾偏操作引起的土體超挖[7]。上述情況產(chǎn)生的土體超挖在本質(zhì)上導(dǎo)致了路面變形的發(fā)生。

路面變形分析包括兩部分：在同一截面上路面變形沿y方向的變化規(guī)律和路面變形隨頂進(jìn)長度的變化規(guī)律。

如圖2所示，取距開挖面6 m的土體橫斷面(以下簡稱截面3)為例，分析路表面沿路面橫向的變化規(guī)律。在截面3位置的路表面沿路面橫向的豎向位移變化曲線見圖3，3條曲線分別代表不同頂進(jìn)長度對應(yīng)的情況。由圖3可知，由頂管施工引起的地表豎向位移沿橫向的最大值出現(xiàn)在管道軸線正上方，且沿兩側(cè)逐步減小，分布規(guī)律類似于正態(tài)分布，這與前面的公式(1)得出的規(guī)律如出一轍。當(dāng)頂管頂進(jìn)2 m時，路表面發(fā)生微小隆起現(xiàn)象，最大隆起值為0.405 mm；當(dāng)頂管頂進(jìn)8 m時，路表面發(fā)生沉降現(xiàn)象，最大沉降值為3.22 mm；當(dāng)頂管頂進(jìn)16 m時，路表面發(fā)生沉降現(xiàn)象，最大沉降值為5.06 mm，這與文獻(xiàn)[8]所發(fā)現(xiàn)的規(guī)律一致。

圖2 在x=6 m處土體橫斷面示意圖

圖3 在x=6 m處路表面豎向位移沿橫向的變化

為了進(jìn)一步討論地表的變化，取x=8 m(簡稱截面4)處橫截面管道軸線正上方土體，分析在不同頂進(jìn)長度下其變形規(guī)律。頂管分別頂進(jìn)4，8，12，16 m土體的變形云圖見圖4。由圖4可見，隨著開挖長度的增加，開挖所引起的土體變形范圍逐漸向上延伸。

圖4 不同頂進(jìn)長度土體變形云圖(單位：m)

路面豎向升降隨頂進(jìn)長度變化的關(guān)系曲線見圖5，2條曲線分別代表截面3和4所對應(yīng)的情況。

圖5 路面升降隨頂進(jìn)長度的變化

由圖5可知，路面豎向升降隨著頂進(jìn)長度增加而變化的規(guī)律可大致分為3個階段。第一階段，在頂進(jìn)距離小于6 m時，路面隨著管的頂進(jìn)逐漸隆起。隆起的高度和變化率較小，這是在頂進(jìn)過程中由頂進(jìn)壓力、管土摩擦力等一系列力的綜合作用所引起的。第二階段，在頂進(jìn)距離為6～10 m時，當(dāng)隆起高度達(dá)到最大值時，路面變形由隆起驟然變?yōu)槌两?。這是由于在頂進(jìn)過程中，土體超挖引起地層損失，地表迅速沉降。在此階段，地表會發(fā)生嚴(yán)重的沉降，且沉降大、變化快。在施工中，工作人員應(yīng)對此階段加強(qiáng)監(jiān)控。第三階段，在頂進(jìn)距離大于10 m時，沉降趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)語

以鄭州市四環(huán)線及大河路快速化工程為背景，基于土壓平衡法，采用“挖去土體，生成管線”的模擬方法，分析了在雨水管道頂進(jìn)施工過程中的路面的升降規(guī)律，得出如下結(jié)論。

1) 路面豎向位移沿橫向的最大值出現(xiàn)在管道軸線正上方，且向兩側(cè)逐漸減小。數(shù)值分析結(jié)果與理論公式所反映的情況是一致的。

2) 路面整體升降隨著頂進(jìn)長度增加而變化的規(guī)律可大致分為逐漸隆起、驟然沉降和沉降趨于穩(wěn)定3個階段。