穿湖區(qū)大管徑頂管施工變形影響機(jī)理分析

程保民

(中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102601)

1 概述

作為一種非開挖施工工藝，頂管在市政工程得到廣泛應(yīng)用，避免了開挖支護(hù)對周邊空間的占用及交通的影響，也最大程度地減小了對周圍土體的擾動[1-4]。頂管法施工工藝具有對地面干擾小、施工速度快、綜合成本低等特點[5]。此外，湖區(qū)管道覆土較淺，常規(guī)頂管和拖拉管工藝無法有效應(yīng)用于現(xiàn)場施工，常采用大直徑頂管施工。為了探究大直徑頂管施工過程中頂管自身變形、頂管周圍土體變形、地面變形對施工安全影響。本文基于有限元分析軟件ABAQUS針對××涉湖區(qū)長距離大管徑頂管施工過程開展數(shù)值分析。

2 工程概況與地質(zhì)條件

本項目依托××污水處理廠尾水排江工程，需在湖區(qū)下部進(jìn)行頂管施工，其中依托工程的3號～2號豎井頂管段全長1 540.12 m，頂管機(jī)掘進(jìn)過程中需下穿某湖區(qū)。穿湖段采用D4 000 mm的鋼筋混凝土管作為套管，長2 500 mm，管節(jié)襯砌厚度400 mm，頂管法施工，套管內(nèi)安裝不銹鋼支架和鋼格柵板，其上敷設(shè)雙排D1 200 mm PE管道。

區(qū)域內(nèi)3號～2號井段，頂管穿越地層主要有淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚度2 m，可塑粉質(zhì)黏土厚度2.3 m，硬塑粉質(zhì)黏土厚度8 m，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，厚度3.1 m，其下為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。

3 頂管施工模型及其建模過程

3.1 本構(gòu)模型

土體是由巖石顆粒組成的松散顆粒體，其具有非線性、彈塑性、黏性、應(yīng)變硬化(軟化)、各向異性等復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變特性，同時土體所處狀態(tài)、應(yīng)力路徑、應(yīng)力歷史等對其應(yīng)力應(yīng)變特性也存在不同程度影響。對巖土工程進(jìn)行數(shù)值分析時，材料本構(gòu)模型的選擇，對分析結(jié)果(材料狀況、應(yīng)力及應(yīng)變行為)等起著關(guān)鍵的作用[6]。

針對巖土體問題的研究，ABAQUS提供了一系列適用于模擬巖土體的本構(gòu)模型，主要可分為彈性模型和塑性模型。數(shù)值模擬研究中頂管采用線彈性模型，而土體彈性階段采用線彈性模型，塑性階段采用線性Mohr-Coulomb模型。

3.2 有限元模型建立

數(shù)值計算之前，考慮到土體是由巖石風(fēng)化顆粒組成非均質(zhì)、非線性的散粒體材料[7]，在荷載作用下其變形特性較為復(fù)雜，難以用一種數(shù)學(xué)模型反映其特點。故而對計算模型做如下假設(shè)：

1)各層巖土體為均質(zhì)、各項同性、理想彈塑性體；

2)不考慮頂管管道接頭的影響，將其視為各項同性的線彈性體；

3)頂管正面推進(jìn)力為矩形均布荷載，地層損失沿管道軸向均勻分布；

4)頂管推進(jìn)過程中不考慮土體時間效應(yīng)，只考慮頂進(jìn)空間位置的變化。

根據(jù)以上假設(shè)建立計算模型，設(shè)置頂管管節(jié)長度均為2.5 m。

頂管路段位于湖底，頂部黏土層透水性較差，可認(rèn)為是不透水層，故而將上部水壓力等效為均布荷載作用于模型頂面。施工過程中城際鐵路橋上運行城鐵產(chǎn)生的荷載，在本模型中對其簡化為一均布荷載作用于橋面。本數(shù)值模型中左右、前后及底部五個面分別約束對向位移，作為模型邊界條件。

同時頂管與周圍土體之間設(shè)置接觸關(guān)系，本文通過設(shè)置主從接觸面來模擬接觸問題，在ABAQUS中，主面上的節(jié)點可以穿過從面，但從面上節(jié)點不能穿過主面，選取主從面時，一般設(shè)置材料剛度較大的接觸面為主面，材料剛度較小的接觸面為從面，故本文選取頂管表面為主面。

除了設(shè)置主從接觸面之外，還需定義接觸面之間的相互作用，即接觸面之間的法向作用和切向作用。關(guān)于接觸面的法向作用，本文設(shè)置為“硬”接觸，即兩物體只有緊密接觸時才能傳遞法向壓力，當(dāng)兩物體分開時接觸面之間的法向壓力為零。而對于接觸面的切向作用，本文設(shè)置為“罰”接觸，即當(dāng)接觸面閉合時，接觸面之間可以傳遞切向應(yīng)力，其值：

τc=μp。

其中，p為法向接觸壓力；μ為摩擦系數(shù)；τc為極限摩擦力。當(dāng)接觸面摩擦力小于τc時，接觸面處于黏結(jié)狀態(tài)，接觸面?zhèn)鬟f的切向應(yīng)力隨接觸面應(yīng)變增大而增大；當(dāng)摩擦力達(dá)到τc時，接觸面處于滑移狀態(tài)，此時接觸面?zhèn)鬟f的應(yīng)力不再增大。本文設(shè)置摩擦系數(shù)μ=0.25。

3.3 模型材料參數(shù)的選取

模擬根據(jù)試驗確定，所選材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

4 有限元計算結(jié)果分析

4.1 單位距離頂管施工總位移分析

圖1為頂管施工推進(jìn)60 m時位移云圖，由圖1可知，頂管施工推進(jìn)25 m之后，由于頂管施工過程中對周圍土體的擾動，頂管頂進(jìn)使得該部分?jǐn)_動土體產(chǎn)生了附加應(yīng)力和位移，且由于擾動部分土體性質(zhì)改變，土體彈性模量降低，頂管周圍土體朝頂管軸線發(fā)生明顯變形，且沿頂管軸線垂面對稱。結(jié)合X，Y，Z向位移云圖，土體變形主要以Y向位移為主(頂管上方附近土體最大豎向位移達(dá)到7.21 cm)，而往上反饋至地面的豎向位移逐漸變小。

4.2 推進(jìn)不同距離時土體位移分析

提取頂管施工推進(jìn)不同距離時土體不同XY截面(取Z=5 m，10 m，17.5 m，25 m四個截面)豎向位移云圖如圖2所示。

隨著頂管施工推進(jìn)，擾動頂管周邊土體，該部分土體彈性模量下降，在土體內(nèi)自重應(yīng)力作用下，頂管附近土體發(fā)生壓縮變形，頂管上部土體向下位移，頂管下方土體由于頂管擾動向上回彈[8-11]。同時土體變形范圍超過頂管施工推進(jìn)面，由于施加于推進(jìn)面上支護(hù)力的作用，推進(jìn)面之前的土體相對頂管周邊土體并未發(fā)生顯著豎向變形，但推進(jìn)面前方上部及下部局部方位土體由于頂管對土體的擾動仍發(fā)生較大變形。

4.3 推進(jìn)不同距離后頂管自身變形

頂管施工過程中頂管自身總的變形云圖如圖3所示，由于土壓力作用，頂管自身會壓縮變形，其中最大變形位置主要是頂管頂部區(qū)域，且隨著頂管逐步推進(jìn)，頂管頂部變形值最大達(dá)到2.24 cm。

圖4為地表位移與頂管施工推進(jìn)距離的關(guān)系，由圖4(a)可知，沿頂管軸線方向隨著頂管施工推進(jìn)，地表向下位移，且隨著施工繼續(xù)推進(jìn)，地表位移進(jìn)一步加大，最終趨于穩(wěn)定值，地表沿軸線方向位移標(biāo)志線上各點最終豎向位移在-1.5 cm左右。同時頂管施工開始端地表變形稍大于終點段。根據(jù)平行軸線方向位移曲線變化特征，位移曲線變化明顯點一直在推進(jìn)面之前10 m左右，約等于頂管埋深。據(jù)圖4(b)，頂管施工影響范圍在-15 m～15 m之間，且在頂管施工推進(jìn)距離2.5 m之前，地表基本未發(fā)生明顯位移，當(dāng)施工推進(jìn)距離為2.5 m，位移曲線發(fā)生變化，與圖4(a)所反映規(guī)律一致。隨著推進(jìn)距離增加，頂管上方位移進(jìn)一步增加，其中位移增加最快時頂管推進(jìn)距離在12.5 m～15 m之間，正處于該垂線下方。由此可知隨著頂管施工的進(jìn)行，頂管上方地表變形增加，且影響范圍超出推進(jìn)作用面，但隨著頂管的加固和作用面向前推進(jìn)，最終區(qū)域變形穩(wěn)定。

5 結(jié)語

通過對××涉湖區(qū)大管徑頂管施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到了頂管頂進(jìn)過程中對周邊土體及頂管自身的變形影響的機(jī)理，其結(jié)論如下：

1)頂管施工推進(jìn)25 m之后，由于頂管施工過程中對周圍土體的擾動，頂管頂進(jìn)使得該部分?jǐn)_動土體產(chǎn)生了附加應(yīng)力和位移，且由于擾動部分土體性質(zhì)改變，土體彈性模量降低，頂管周圍土體朝頂管軸線發(fā)生明顯變形，且沿頂管軸線垂面對稱。

2)由于土壓力作用，頂管自身會壓縮變形，其中最大變形位置主要是頂管頂部區(qū)域，且隨著頂管逐步推進(jìn)，頂管頂部變形值最大達(dá)到2.24 cm。

3)隨著頂管施工的進(jìn)行，頂管上方地表變形增加，且影響范圍超出推進(jìn)作用面，但隨著頂管的加固和作用面向前推進(jìn)，最終區(qū)域變形穩(wěn)定。