深厚淤泥質(zhì)土層地下管道頂進施工數(shù)值分析

劉陳鳳,季圣博,相福穎,李文聞

(常熟理工學(xué)院，江蘇 蘇州 215500)

0 前 言

隨著城市化進程的推進和市政工程的建設(shè)，頂管技術(shù)在城市地下空間建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。作為非地面開挖敷設(shè)地下管道的一種施工工藝,由于頂管施工無需隔斷交通，施工噪音、震動和對周圍環(huán)境的影響均較小，因此在城市地下管道建設(shè)中日益普及[1]。

頂管技術(shù)作為一種地下管道頂進方法，會造成土層損失和應(yīng)力釋放等擾動，引起周邊土體受力變形。針對頂管施工中地土體受力變形問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了眾多研究。G.Milligan等[2]研究了頂管施工中地管土相互作用；史培新等[3]研究了頂管頂力的計算與評價方法；Y.Sun等[4]研究了頂管工作井的變形及穩(wěn)定性問題。

對于在深厚淤泥質(zhì)土層中城市地下污水管道頂進施工來說，施工土質(zhì)條件極差，如何安全、快速地在此種深厚淤泥質(zhì)土中進行頂管施工，并進行施工影響評價，將頂管施工對于周圍環(huán)境影響降到最低，是一個亟待解決的工程技術(shù)難題[5]。本文以深厚淤泥質(zhì)土層中城市地下污水管道頂進施工為研究對象，采用三維數(shù)值模擬的方法，分析了管道頂進全過程土層及周圍環(huán)境的應(yīng)力和變形響應(yīng)以及施工影響范圍，此規(guī)律可以為相似工程設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

瑞安市某圍墾區(qū)市政道路項目中的鳳凰路過后污水管道采用頂管施工，是整個給排水管道工程施工中的重難點。鳳凰路污水管道跨中橫河段頂管施工段工作井至接收井范圍，對應(yīng)地勘鉆孔編號為D29至D31，模型總長度為54.5 m。管道材料為DN1000玻璃鋼夾砂管(環(huán)剛度20 kN/m2)，頂管埋深在出發(fā)井處的埋深為7.8 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

勘探深度范圍內(nèi)自上而下地層分為素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥、淤泥質(zhì)黏土和黏土等，軟土層厚度最大為90 m左右，分布范圍非常深厚。頂管施工深度約為8 m左右，因此，數(shù)值模擬中涉及地層為素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和淤泥。從地勘報告和參數(shù)指標中可以看出，頂管所在土層呈流塑狀、強度低、壓縮性大，工程性質(zhì)極差，對于頂管施工的變形控制較為不利。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模型建立

污水管道頂進數(shù)值模型如圖1所示，其長度為54.5 m，高度約28 m。根據(jù)現(xiàn)場探孔位置揭露的土層分布情況，并方便后期建立管體結(jié)構(gòu)，對頂管施工部分采用RadCylinder網(wǎng)格,其建模細節(jié)如圖1所示，其余部分土體采用Brick六塊體網(wǎng)格組合建立。模型共109 872個單元，114 950個節(jié)點。考慮到數(shù)值模型的對稱性，并且為了提高計算速度，本文采用半模進行模擬，對稱面采用對稱邊界條件。

圖1 污水管道頂進數(shù)值模型

本研究中城市地下污水管道為DN1000玻璃鋼夾砂管，在數(shù)值模型中采用FALC3D中的Liner結(jié)構(gòu)單元進行模擬，其不但能夠抵抗剪力及彎矩荷載，而且能夠模擬管道與土體之間的分離及隨后的重新接觸。管道與土體的摩擦可通過Liner單元與周圍土體的法向耦合剛度、切向耦合剛度以及耦合摩擦角進行表征。

2.2 土層劃分和材料參數(shù)

模型土層劃分如圖2所示，由上到下分別為填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和淤泥土層。土體采用摩爾庫倫模型進行模擬，其參數(shù)取值如表1所示。

表1 土層參數(shù)

在數(shù)值模擬中，污水管道的密度為2 084 kg/m3，彈性模量為15 GPa。泊松比為0.22，厚度為0.213 m。為了考慮管道和土的相互作用，其耦合法向模量和切向模量均設(shè)置為耦合剛度(K+4/3G)的10倍，其中K和G分別為對應(yīng)土層的體積模量和剪切模量。

2.3 邊界條件設(shè)置

為了準確模擬下穿頂管過程，數(shù)值模擬中采用的邊界條件如下。

1)位移約束條件：模型底部約束豎向(Z軸)的位移自由度，模型側(cè)向邊界約束法向位移自由度，模型表面為自由邊界。

2)孔壓邊界條件：模型上表面采用排水邊界條件，即設(shè)置固定孔壓邊界，模擬地表排水，計算采用的水位條件采用為標準高程1.2 m。

場地三維數(shù)值模型的邊界條件設(shè)置完成后的示意圖見圖3。

圖3 場地邊界條件設(shè)置示意圖

2.4 頂管施工步驟

深厚軟土下的下穿頂管施工過程主要參照實際施工步驟進行。其主要步驟如下：第一步：初始地應(yīng)力平衡；第二步：建立頂管初始形態(tài)并開挖并頂進至3 m；第三步：開挖并頂進至6 m；第四步：重復(fù)開挖和頂進過程，直至頂進至接收井位置。

需要指出的是，本文中污水管道頂進過程中的土體開挖使用生死單元法，即在管道頂進和土體開挖時，將土體的本構(gòu)模型設(shè)為空模型，“殺死”頂進方向前方需要開挖的土體單元來實現(xiàn)土體的開挖，有效地解決了土體開挖中棄土問題。

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 土的應(yīng)力和變形

圖4為深厚淤泥土層中污水管道頂進進至接收井位置處時場地土體的應(yīng)力狀態(tài)，圖4中shear、tension分別表示土體的剪切塑性狀態(tài)和張拉塑性狀態(tài)。管道周圍小范圍土體會將在管道頂進過程中達到剪切塑性狀態(tài)和張拉塑性狀態(tài)，而稍外圍的土體在頂管過程中只會達到剪切塑性狀態(tài)。此現(xiàn)象表明頂管施工中由于管道與管周土體的相對位移，會對管周土體施加較大的剪切作用力，造成管周土體的剪切塑性狀態(tài)，對于緊鄰管周的土體甚至?xí)斐蓮埨苄誀顟B(tài)。因此在施工要在管壁周圍進行注漿，從而減小管土之間的摩擦力，保證頂管施工順利進行，減小周圍土體變形。

對于縱斷面的土體變形，從理論分析來看管線軸線處土體的位移最大，因此，需要重點關(guān)注管線軸線縱斷面土體的變形分布情況。圖5為深厚淤泥質(zhì)土層中城市地下污水管道頂進過程中管線軸線縱斷面沉降云圖。圖5中(a)、(b)、(c)、(d)和(e)分別為下穿頂管頂進至距離出發(fā)3、15、30、45、54.5 m處計算獲得的土體豎向位移云圖。圖中可以看出隨著下穿頂管頂進距離的不斷增加，管道上部土體出現(xiàn)沉降，緊鄰管道的下部土體出現(xiàn)隆起，此現(xiàn)象符合現(xiàn)場土體變形規(guī)律。隨著頂進距離的增加，上部土體的沉降不斷發(fā)展，最大沉降發(fā)生在緊鄰管道頂進的上部區(qū)域，約為2.5 cm；最大隆起發(fā)生在緊鄰管道頂進的下部區(qū)域，約為2.1 cm。

(a)頂進至3 m處

(b)頂進至15 m處

(c)頂進至30 m處

(d)頂進至45 m處

(e)頂進結(jié)束(頂至54.5 m處)

3.2 管道的應(yīng)力和變形

圖6為頂管施工結(jié)束后管道的應(yīng)力云圖，其中圖6(a)為豎向應(yīng)力分布云圖，圖6(b)為水平向(y方向)應(yīng)力分布云圖。從云圖中可以看出管道上下位置受到的豎向應(yīng)力最大，管道側(cè)方位置受到的水平向應(yīng)力最大。最大豎向應(yīng)力和水平向應(yīng)力均遠遠小于玻璃鋼夾砂管道的強度值，因此，管道基本處于彈性變形范圍內(nèi)，無破壞風(fēng)險。

(a)豎向應(yīng)力

(b)水平向應(yīng)力

圖7為污水管道頂管施工結(jié)束后管道的豎向變形云圖，從圖7可以看出，管道的豎向變形基本均為壓縮，由于玻璃鋼夾砂管較大的剛度，管道的最大壓縮變形僅為3 mm左右，在施工所使用的玻璃鋼夾砂管道彈性變形范圍內(nèi)。

圖7 污水管道變形

3.3 參數(shù)影響分析

在深厚淤泥質(zhì)土層中城市地下污水管道頂進過程三維數(shù)值模擬中采用了多種不同的開挖面頂推力，以此來研究不同開挖面頂推力對于頂管環(huán)境效應(yīng)的影響。

圖8(a)為頂管至0～3 m時正面推力引起的σx變化沿X軸衰減曲線，表明在頂管推進面刀盤范圍內(nèi)的正前方σx都以較快的速度衰減，尤以中心處的應(yīng)力衰減最快?？梢钥吹皆赬=d/2處已衰減約50%，在X=2d處則已明顯衰減至約5%，因此，在機頭前方2d范圍以外的構(gòu)筑物受頂管正面推進力的影響很小。另外，σx的影響主要集中在推進面正前方的土體內(nèi)(基本上集中在以管道直徑d為半徑的推進面前方的柱形土體內(nèi))，對于側(cè)向的土體影響較小。

圖8(b)表明在推進面前方土體中σx的分布有明顯的擴散效應(yīng)，前方不同位置正面推力產(chǎn)生的X方向的附加應(yīng)力σx的大小和擴散程度不同：靠近推進面應(yīng)力值大，衰減最快，其影響程度大但影響范圍??；而遠離推進面的地方應(yīng)力向兩邊擴散，分布較為平緩，影響程度減小但范圍較大。

頂管推進產(chǎn)生的側(cè)向附加應(yīng)力會對管道兩側(cè)的構(gòu)筑物產(chǎn)生影響。圖9為正面推力引起側(cè)向應(yīng)力σy沿頂管縱向和橫向不同位置的分布規(guī)律。由圖9可知，在推進面前方，側(cè)向應(yīng)力σy以一定的規(guī)律沿x軸變化：在靠近推進面一定范圍內(nèi)，側(cè)向應(yīng)力σy為負值，隨后迅速增加并達到峰值后逐漸下降。隨著Y的增加，側(cè)向應(yīng)力σy沿X軸增加及衰減的速率都有所下降。

(a)沿X軸

(b)沿Y軸

(a)沿X軸

(b)沿Y軸

4 結(jié) 論

本文對深厚淤泥質(zhì)土層中城市地下污水管道頂進施工進行了數(shù)值分析，主要考慮頂管對地表沉降、土體變形和管土相互作用的影響。本文的主要結(jié)論如下。

1)本工程深軟土頂管施工安全有效，對周圍土層影響較小。頂管施工過程造成的最大地面沉降量僅為8 mm左右，可有效避開周邊區(qū)域。

2)在本工程中，深厚軟土頂管施工引起的地表變形最大發(fā)生在施工開始時。深軟土層頂管施工對地面沉降的影響約為頂管直徑沿管軸方向的6倍。

3)有必要根據(jù)頂管所處土層的條件和應(yīng)力選擇適當?shù)牧?，以保證頂管施工的安全。

[ID:013002]