砂姜粘土地層雙排頂管施工的沉降變形規(guī)律①

蘇 妮,曹廣勇

(安徽建筑大學a.土木工程學院,b.建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601)

0 引 言

隨著科學技術的逐漸提高與深入，地下城市建設規(guī)模的也不斷擴大。對于雙排平行頂管的施工應用也是相當廣泛。而平行頂管施工互相之間有干擾作用對其附近的土體會產(chǎn)生更大的擾動，導致管道周圍土體的沉降變形超過一定限度。最終危害到地下建筑的安全。李博[1]運用室內(nèi)頂管模型試驗研究了平行頂管在不同注漿條件下的土體變形及對管道產(chǎn)生的影響。魏綱[2]研究了雙排平行頂管管道施工過程中管徑、管道間距、埋深等因素對附加荷載分布的影響。魏新江[3]研究了雙排平行頂管施工之間的相互作用得到了橫向擾動區(qū)范圍的計算公式。余劍鋒[4]采用數(shù)值模擬方法研究分析了4條平行頂管引起的地表沉降變形規(guī)律等。目前，對于平行頂管施工的相互作用引起的地表沉降分析及預測方法可以大致分為5類，包括經(jīng)驗法、解析法、理論法、試驗模型法和數(shù)值分析法。在此將利用試驗模型法與數(shù)值分析法共同研究雙排平行頂管錯位施工的干擾作用下橫向間距對地表沉降變形的影響。

1 工程背景

背景工程是位于徐州駱馬湖的某項目，項目穿越徐洪河段全長592m，管道埋4m～17m，頂管外徑D1=2.02m，管道位于含砂姜黏土層，設計采用雙排D2020鋼管。施工土層為含砂姜黏土層,具有比之黏土層的黏性更大,強度更高,摩阻系數(shù)更大的特點，使用雙排土壓平衡頂管錯位施工。該區(qū)域地層自上而下劃分為五層，厚度分別為1.06m、4.64m、1.7m、4m以及為揭穿含砂姜黏土。

2 室內(nèi)模型試驗

2.1 雙排頂管橫向間距

雙排頂管的橫向間距與管頂擾動寬度之間的關系決定了頂管施工的安全性。當機頭擾動寬度不大于管道的橫向間距時是安全的，計算公式為式(1),(2)：

Be≤L

(1)

(2)

式(1)中：Be為管道頂部土體擾動寬度(m)；D0為頂管機的外徑(m)；φ為土的內(nèi)摩擦角(°)；式(2)中L為平行頂管中心距離(m)。

2.2 試驗內(nèi)容

(1)實驗裝置

該室內(nèi)試驗裝置由箱體、管模、頂進與測試系統(tǒng)構(gòu)成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置中箱體為鋼框架鋼化玻璃16mm，尺寸1.5m×0.8m×0.7m。頂進管的進洞口直徑100mm設置在箱體中部，鋼管管模外徑95mm，壁厚4mm，先行管為預埋管，后行管為頂進管，長同為0.6m，且有15cm的覆土厚度。頂進系統(tǒng)以螺旋鉆桿與切削刀盤結(jié)合來模擬頂進設備。測試系統(tǒng)在土體表面縱橫向都設激光位移傳感器,其橫向?qū)ΨQ布置于箱體監(jiān)測斷面，縱向沿頂進管軸線正上方以相同間隔布置。

圖1 實驗裝置結(jié)構(gòu)設計

(2)試驗操作

首先，配置砂姜黏土。其次，配置配比為膨脹土：NaOH：CMC =17.5:0.15:0.025的減阻泥漿。然后，預埋管水平放置在設計好的橫向間距位置處在預埋管靠近后行管一側(cè)布置土壓力傳感器，將激光位移傳感器在規(guī)定位置安裝好。最后，頂進裝置進行水平加載，將刀盤的轉(zhuǎn)速控制為4rad/min。3mm/min的加載速率，管道持續(xù)頂進至550mm時停止加載。

(3)試驗結(jié)果

通過橫向間距0.5D頂進距離對地表沉降的數(shù)據(jù)來分析總結(jié)沉降規(guī)律。以下圖2為橫向間距0.5D時室內(nèi)模型試驗橫向、縱向沉降變形量。

圖2 頂管頂進引起橫(縱)向位移變化趨勢

從圖2可知，在頂管頂進5cm時，頂管軸線正上方發(fā)生地表隆起，最大隆起量為0.01mm。然后地表沉降隨著頂進距離的增大逐漸變大，管道軸線處沉降最大，逐漸向兩邊銳減，呈現(xiàn)倒三角型，在頂進30cm時，地表豎向沉降最大值為0.09mm?？v向在頂進10cm時，最大隆起量為0.02mm；隨著管節(jié)頂進沉降變大。且隨著頂進距離增大，位移變化曲線逐漸趨于平緩，當頂進30cm時，沉降值為0.14mm。

3 數(shù)值模擬計算

數(shù)值模擬計算采用的有限元軟件為Midas/GTS對雙排平行頂管不同橫向間距(0.5D,1D,2D,3D,5D)的土體沉降變形進行分析，得出規(guī)律。

3.1 模型參數(shù)

模型土體材料采用莫爾-庫倫模型，材料屬性為3D單元實體，通過2D網(wǎng)格擴展復制進行網(wǎng)格劃分；頂管管片與注漿等代層采用彈性模型，材料屬性為3D單元實體，通過2D網(wǎng)格擴展復制進行網(wǎng)格劃分；頂管盾殼采用彈性模型，材料屬性為2D板單元，通過注漿層外表面網(wǎng)格析取進行網(wǎng)格劃分。主要材料屬性及力學參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性及力學參數(shù)

模型錯位施工的順序進行數(shù)值計算，具體網(wǎng)格模型參見圖3。

圖3 土體(平行管片)-網(wǎng)格

3.2 模型結(jié)果

(1)橫向間距為0.5D時土體的沉降變形

由圖4可得，左線頂管施工結(jié)束后上方地表位移變化值為3.1mm，土體位移變化較明顯。右管上方土體位移變化值大約為2.7mm，土體沉降稍小。管道軸線上地層表面處位移變化最大，然后向兩邊逐漸減小，呈現(xiàn)類似倒三角形型。隨著右線頂管的推進，左線上方的土體豎向位移變化在增大，沉降曲線凹陷也在增大。右線頂管施工之后，右線頂管上方土體橫向位移變形加快，且對靠近左線頂管一側(cè)的土體產(chǎn)生進一步干擾，位移變化趨勢的軸線不斷向右線頂管平移，S32時軸線基本位于兩管中心。最終，S44施工步時位移變化趨勢的軸線基本位于兩管中心位置，但更靠近左管。

圖4 左右管道施工地表橫向位移變化趨勢

圖5可以看出，左線頂管施工到S5時Y=0處節(jié)點位移變化值約為1.6mm,左線施工結(jié)束后(S22)位移變化曲線趨于平緩，位移變化值大約為3mm。右線管頂進過程中左線管上方地面縱向位移變化趨勢，對比左線管可以得出，隨著右線管的推進，左線管上方地面位移變化還在變大，S44之后位移變化曲線慢慢趨于平緩，位移變化值大約為6.5mm。

圖5 左右管地表縱向位移變化趨勢

(2)不同橫向間距土體的沉降變形

如對0.5D橫向間距土體的位移分析，依次對1D,2D,3D,5D的縱橫向位移變化進行分析，最終數(shù)據(jù)如圖6。當兩管橫向間距較小為0.5D,1D時，由于他們之間的相互擾動作用比較大，從而兩管的中心區(qū)域先后受到兩管的擾動，這就使得地表沉降相對較大，沉降曲線距離軸線中心附近呈現(xiàn)出尖銳的凹陷型，而最大沉降點位于兩管中心并更加靠近左線管道；隨著兩管橫向間距逐漸變大為2D,3D時，由于他們間的相互擾動變小了，這使得沉降曲線距離軸線中心附近呈現(xiàn)出尖銳的凹陷型向著平緩的凹陷型變化了。而當兩管為5D橫向間距時，他們之間的相互作用就變得非常的微小，沉降曲線最終呈現(xiàn)出有兩個較大沉降點的平緩凹陷型，沉降曲線出現(xiàn)了兩個最低點。

圖6 不同橫向管間距地表豎向位移變化趨勢

4 結(jié) 論

通過對含砂姜黏土地層雙排平行頂管進行室內(nèi)模擬試驗與數(shù)值分析對比，以及對不同橫向間距雙管施工相互干擾對地層沉降變形影響后的沉降曲線分析，得到以下結(jié)論：

(1)通過0.5D橫向間距的室內(nèi)模型試驗和數(shù)值模擬計算的沉降數(shù)據(jù)對比分析，驗證了沉降規(guī)律的正確性與適用性。橫向間距較小時，地表沉降曲線呈現(xiàn)接近V型，最大沉降量位于軸線上方較靠近左線管道；隨著橫向間距的增加，沉降曲線呈現(xiàn)類U型，最大沉降量依然位于軸線上方較靠近左線管道，沉降值減少；當橫向間距大到一定程度時，沉降曲線呈現(xiàn)類W型，位于軸線附近的沉降量依然最大沉降曲線出現(xiàn)兩個最低點，最大沉降量更小了。

(2)對于雙排頂管施工，在含砂姜黏土地質(zhì)的特點下，由于干擾作用的影響，鄰近管道的軸線將難以按設計控制，所以需要總結(jié)此類型橫向間距影響下的沉降規(guī)律，得到土層干擾影響可控的最小間距與重要監(jiān)控點。此分析結(jié)果可以在其他含砂姜黏土地質(zhì)工程中參考借鑒。