平行頂管穿堤施工三維數(shù)值模擬及工程案例對比分析

王海禮，周國群

（1.浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310016；2.嘉興市杭嘉湖南排工程鹽官樞紐管理處，浙江 嘉興 314411）

1 問題的提出

近年來，錢塘江流域開展大規(guī)模工程建設(shè)，眾多引排水、天然氣管道工程需要穿越堤防。目前國內(nèi)最常用的非開挖施工技術(shù)的主要有水平定向鉆技術(shù)、頂管技術(shù)和盾構(gòu)技術(shù)3種[1]。頂管穿越技術(shù)通常作為中型管道、中長距離穿越堤防的首選，其具有施工影響小[2]、機(jī)械化程度高、安全性好、不受通航影響等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。本文在頂管穿越技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用分析軟件，建立三維數(shù)值模型進(jìn)行仿真分析，研究頂管穿堤施工過程對堤防安全性的影響，并結(jié)合嘉興某港區(qū)工業(yè)集中區(qū)污水處理廠新建工程監(jiān)測實(shí)例，對比數(shù)值模擬與實(shí)測成果，為今后穿堤工程設(shè)計(jì)、施工及過程監(jiān)測等提供參考依據(jù)。

2 工程簡介

嘉興市某港區(qū)工業(yè)集中區(qū)污水處理廠新建工程，總規(guī)模5萬m3/d，其中入江段采用泥水平衡式頂管法施工。管道為2×DN1 800 mm鋼管（互為備用，襯砌厚400 mm，實(shí)際內(nèi)徑1 000 mm），壁厚22 mm，從高位井接出穿過堤防至外江，埋設(shè)深度為管道中心高程 -20.00~-17.60 m，管道軸線間距為6 m，管道全長713 m，坡比0.336%。堤身向下50 m范圍內(nèi)，主要有堤身填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土、粉土夾粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土等組成。

頂管穿越堤防過程中會擾動周圍土層，使土層原始應(yīng)力發(fā)生改變和土體平衡遭到破壞，地面產(chǎn)生沉降，影響堤防安全。因此，施工過程中開展過程監(jiān)測，測點(diǎn)沿著堤軸線方向布4排，分別位于內(nèi)坡腳、堤頂、外坡平臺和外坡腳。每排共設(shè)15個(gè)測點(diǎn)，以2根管中心線為軸線，向堤線兩側(cè)布點(diǎn)。同時(shí)在堤頂處管線外兩側(cè)3 m處布置2孔深層土體水平位移觀測孔，測斜管埋深35 m，測點(diǎn)布置見圖1。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)布置平面圖

3 三維數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型與參數(shù)

FLAC3D具有強(qiáng)大的計(jì)算功能，本次三維數(shù)值模型采用ANSYS建立，通過布爾加、減、重疊以及粘合操作完成。模型左右邊界自管道中心線向兩側(cè)取各50 m，底邊界自地面（高程約2.40 m）向下取32 m。堤頂?shù)缆犯叱?.61 m，頂管中心軸線高程-19.20 m，管道直徑為1.80 m。模型建成后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，均采用8節(jié)點(diǎn)六面塊網(wǎng)格，并在頂管及其周圍3d范圍內(nèi)進(jìn)行加密，模型共劃分58 806個(gè)節(jié)點(diǎn)，54 684個(gè)單元（見圖2）。

圖2 三維數(shù)值模型圖

數(shù)值計(jì)算中，不同土層重度、摩擦角、粘聚力、模量參數(shù)等根據(jù)工程地質(zhì)勘查選取，分別計(jì)算體積模量和剪切模量，模型計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)表

3.2 施工過程模擬

本次模擬主要考慮開挖卸載、泥水支護(hù)和地層損失等造成的地層擾動，同時(shí)考慮2根頂管施工的先后次序。具體模擬過程：①初始應(yīng)力場平衡，根據(jù)地勘資料生成初始應(yīng)力；②頂?shù)?根管，開挖頂管內(nèi)5 m土體，開挖面施加均布力，添加shell彈性單元，同時(shí)填充注漿材料；③重復(fù)第2步動作，每次頂進(jìn)5 m，直至累計(jì)80 m；④計(jì)算平衡后頂?shù)?根管，重復(fù)②、③步驟，穿堤結(jié)束。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

模擬2根頂管穿堤結(jié)束后，將網(wǎng)格變形放大，可以明顯看出，沿著頂管方向，地表有1個(gè)明顯凹槽（見圖3），對模型堤頂部位切片處理，并結(jié)合工程監(jiān)測進(jìn)一步分析堤防斷面的縱向和橫向變形分布規(guī)律。

圖3 數(shù)值模型網(wǎng)格變形圖

4.1 頂管縱斷面沉降分布規(guī)律

頂管穿越堤防依次通過內(nèi)坡腳、堤頂路肩、擋墻基座、外坡平臺和外坡腳（見圖4），當(dāng)頂管機(jī)頭距離堤防較遠(yuǎn)時(shí)（15 m外），受施工影響較小，堤防基本不變形；隨著頂管機(jī)頭的靠近，沉降速率急劇增加，沉降量較大，約占總沉降的75%。頂管通過后，沉降速率逐漸減小。

圖4 頂管頂進(jìn)方向土體豎向變形圖

本項(xiàng)目堤頂沉降控制指標(biāo)為20.0 mm，第1根頂管完成后，沉降量已達(dá)到11.0 mm，現(xiàn)場采取對管軸線上方土體進(jìn)行注漿加固措施。在第2根頂管穿越時(shí)，堤頂測點(diǎn)沉降速率明顯降低（見圖5），數(shù)值模擬未考慮注漿影響，第2根頂管施工期間堤頂沉降速率仍表現(xiàn)為急劇增加，沉降量略大于實(shí)測值。

圖5 管軸線上方堤頂測點(diǎn)沉降變化曲線圖

4.2 頂管橫斷面沉降分布規(guī)律

頂管穿堤完成后，土層豎向位移呈對稱分布（見圖6），頂管上方土體表現(xiàn)為沉降（負(fù)值沉降、正值隆起），自管頂向地表方向沉降量逐漸減小，呈拱形擴(kuò)散，管道上方堤頂?shù)缆纷畲笾导s22.0 mm；頂管下方周圍土體表現(xiàn)為輕微隆起，越靠近頂管底端，隆起越大。

圖6 堤頂斷面豎向位移變化圖

對堤頂橫斷面進(jìn)行分析，第1根頂管完成后，地表沉降沿頂管軸線近似呈對稱分布，最大沉降為11.2 mm，出現(xiàn)在管頂正上方（見圖7）。第2根頂管完成后，由于新老頂管的相互影響，地層變形較單頂管更大，地表影響范圍更廣，地表最大沉降為22.0 mm，出現(xiàn)在2管道中心線上方。

圖7 堤頂觀測點(diǎn)累計(jì)沉降量圖

2根頂管完成后，堤頂沉降量19.0~22.0 mm，較實(shí)測值大1.0~2.0 mm；中心線兩側(cè)10~40 m，模擬值較實(shí)測值小1.0~2.0 mm。產(chǎn)生差異的主要原因?yàn)槟M未考慮注漿加固后，管線上方土體強(qiáng)度提高?？傮w上，觀測數(shù)值模擬與實(shí)測堤頂?shù)乇沓两第厔菀恢?，地表沉降沿管軸線對稱分布，中間大，兩端小，表明離管軸線越遠(yuǎn)，地表沉降受施工影響越小。從觀測結(jié)果看，施工主要影響范圍自平行管中心軸線向兩側(cè)約20 m。

4.3 地層側(cè)向變形分布規(guī)律

機(jī)頭刀盤切割土體時(shí)，開挖面出現(xiàn)坍塌，上部土體向下產(chǎn)生較大變形，兩側(cè)土體受擠壓背離管線向外移動，平行管線兩側(cè)土體位移呈對稱分布，離管線越近，位移變化越大（見圖8），土體側(cè)向變形主要發(fā)生在地表埋深15.0~20.0 m，管軸線中心高程附近最大，變化量約7.0 mm，結(jié)果與實(shí)測值相吻合。

圖8 堤頂斷面水平位移變化圖

5 結(jié) 語

對頂管法穿堤施工過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，并與工程監(jiān)測相結(jié)合，得出結(jié)論：

（1）頂管引起的地層變化，自管頂向地表方向沉降量逐漸減小，呈拱形擴(kuò)散；頂管下方周圍土體表現(xiàn)為輕微隆起，越靠近頂管底端，隆起越大。頂管過程中出現(xiàn)水平位移，亦呈對稱分布，變化量遠(yuǎn)小于豎向位移。

（2）單頂管引起的地表變形，沿管軸線對稱分布，中間大，兩端?。黄叫许敼苁┕ひ鸬牡貙幼冃屋^單頂管的代數(shù)和更大，地表影響范圍更廣。

（3）數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果基本吻合，表明可通過合理選取參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真分析，預(yù)測頂管施工引起地表土體的變形趨勢以及主要影響范圍，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，保障堤防安全運(yùn)行，同時(shí)為今后類似工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。