四孔并行矩形頂管施工力學(xué)及環(huán)境影響研究

陳杰 CHEN Jie

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

1 概述

頂管中主要就是利用豎井內(nèi)頂進(jìn)油缸設(shè)施，使工具管或頂管設(shè)備從豎井一端頂推至接收豎井后吊起。工具管或頂推管的管片頂進(jìn)到是發(fā)豎井與接收豎井的土層之間[1]。頂管施工方式能夠節(jié)省施工期間的開挖環(huán)節(jié)，并使管道在不破壞施工區(qū)域的情況下穿越公路、鐵道、地面或地下構(gòu)筑物，具有技術(shù)操作性強(qiáng)、施工成本較低等優(yōu)勢。

2 工程概況

某地下空間工程為例，該工程四4 孔并行矩形頂管通道，每通道的長度為60.0m，相鄰頂管間凈距為0.5m，頂冠覆土厚度5.0m，矩形頂管截面的外輪廓尺寸為6.9m×4.9m，壁厚為0.45m。

3 模型的建立

結(jié)合案例中地下空間工程實(shí)際施工要求，配合使用有限差分軟件構(gòu)建起四孔并行矩形頂管三維模型?；趯?shí)際施工要求，需要規(guī)范化設(shè)定模型橫向尺寸、縱向尺寸，上至地表、下至頂管的尺寸。

4 分析正面推力引起的土體附加應(yīng)力值

在頂管施工過程中，會導(dǎo)致周圍土體應(yīng)力場發(fā)生改變。頂管推進(jìn)期間，周邊土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的加壓值會使得土體出現(xiàn)擠壓與松動、孔隙水壓等變化。由于土體應(yīng)力場出現(xiàn)改變，土體結(jié)構(gòu)變形明顯，地表容易出現(xiàn)隆沉現(xiàn)象。本文以案例中1 號頂管頂推正面推力對地層附加應(yīng)力的影響進(jìn)行剖析。

4.1 土體附加應(yīng)力沿y 軸分量σy 分布情況

頂管推進(jìn)施工時(shí)，因土倉中的控制土壓力會在擠壓作用下改變前方土壤結(jié)構(gòu)的受壓應(yīng)力狀態(tài)。圖1、圖2 分別為在1 號頂管頂推到6m 的情況，受推力影響，土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力值在y 方向的分量σy沿頂管縱向和橫向的分布情況。

圖1 附加應(yīng)力σy 隨y 的變化

圖2 附加應(yīng)力σy 隨x 的變化

由圖1 可知，在頂管頂進(jìn)過程中，頂進(jìn)前方的附加應(yīng)力值衰減速度持續(xù)加快，以推進(jìn)面為中心的前方土體結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力衰減速度最快。在刀盤前方4m 處的土地附加應(yīng)力值以衰減至50%；在刀盤前方12m 處的附加應(yīng)力值已經(jīng)衰減到95%。頂管施工期間頂進(jìn)前方12m 處的土體、構(gòu)筑物及地面建筑物受到的擾動作用較小。

由此可見，在頂管施工過程中，正面推力作用產(chǎn)生的土體附加應(yīng)力值y 軸的分量σy會集中在橫向頂管橫向?qū)挾葹?.5m，縱管推進(jìn)方向頂管橫向?qū)挾葹?m 的范圍之內(nèi)。

4.2 土體附加應(yīng)力沿x 軸分量σx 的分布規(guī)律

在頂管施工工作開展期間，土體附加應(yīng)力沿x 軸的分量σx會直接影響到周邊構(gòu)筑物、建筑結(jié)構(gòu)。圖3 及圖4 為頂管正面推力下土體附加應(yīng)力值，沿縱向及橫向下的分布規(guī)律。

圖3 附加應(yīng)力σx 隨y 的變化

圖4 附加應(yīng)力σx 隨x 的變化

由圖3、圖4 可知，因頂管正面推力會在擠壓的作用下，導(dǎo)致中方及前方土體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)松柏效應(yīng)，從而出現(xiàn)負(fù)附加應(yīng)力。隨y 值不斷增加，側(cè)向附加應(yīng)力值會從負(fù)數(shù)快速遞增值峰值，并逐步衰減。在頂進(jìn)前方12m 的情況下，衰減達(dá)到90%；在頂徑前方18m 的情況下，土體附加應(yīng)力的影響被逐步削弱。由此可見，沿x 軸的分量σx的土體附加應(yīng)力主要影響范圍為頂徑18m 區(qū)域內(nèi)。同時(shí)，正面推力引起的附加引力會沿x 軸的分量集中在約3m 的頂管橫向?qū)挾?，縱向推進(jìn)約3m的頂管橫向?qū)挾忍帯?/p>

5 地表位移分析

通過結(jié)合1 號頂管施工全過程收集到的各類參數(shù)數(shù)值，分別取12、18、42 與60m參數(shù)作為判斷斷面地表橫向沉降數(shù)值的指標(biāo)，并根據(jù)此指標(biāo)繪制出斷面地表橫向沉降曲線圖，如圖5 所示。

圖5 1 號管頂推施工地表橫向沉降曲線

從圖5 可知，在頂管推進(jìn)到18m 的情況下，開挖面推力會對前方土地產(chǎn)生較大的擠壓力。目標(biāo)斷面呈現(xiàn)出輕微隆起狀態(tài)。隨著推進(jìn)距離不斷增加，推進(jìn)表面隆起范圍更大。在頂管推進(jìn)距離達(dá)到30m 的情況下，土體結(jié)構(gòu)會因卸載作用影響，上方地表出現(xiàn)沉降情況，但沉降速率較慢。在頂管推進(jìn)工作持續(xù)開展的情況下，目標(biāo)地面沉降速度快速增長。當(dāng)頂管機(jī)頭推進(jìn)至36m 時(shí)，目標(biāo)斷面地表的沉降率已達(dá)到70%。當(dāng)頂管機(jī)頭推進(jìn)至42m 時(shí)，目標(biāo)斷面地表沉降值將上升至90%，且目標(biāo)斷面基層結(jié)構(gòu)基本趨于穩(wěn)定。由此可判斷出，頂管施工工作對前方土體的影響范圍為頂管軸線兩側(cè)10m。通過分析頂管橫向沉降曲線圖，判斷單個(gè)頂管施工導(dǎo)致附近地表橫向沉降變化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)頂管施工導(dǎo)致的最大地表沉降值為-10.7mm，最大隆起值為0.3mm。

通過分析3 號頂管數(shù)值計(jì)算內(nèi)容，設(shè)定頂管推進(jìn)距離為12、18、30、42m。3 號頂管施工完畢后的30m 處斷面地表橫向沉降數(shù)值應(yīng)當(dāng)與1 號頂管施工完畢后的30m 處斷面地表橫向沉降數(shù)值進(jìn)行對比分析，并由對比分析結(jié)果繪制出30m 處斷面地表橫向沉降曲線圖。如圖6 所示。

從圖6 可知，在頂進(jìn)面距離為18m 的情況下，前方土體會在積壓力的作用下出現(xiàn)斷面地表隆起現(xiàn)象。推進(jìn)面向前推進(jìn)的距離越長，目標(biāo)斷面受擠壓作用力也會越顯著，斷面的容器量進(jìn)一步增大。在頂管可見距離為30m 時(shí)，頂管上方地表沉降值達(dá)到40%。3 號頂管頂進(jìn)期間的橫向影響范圍為管道中線兩側(cè)10m。

圖6 3 號頂管施工地表橫向沉降曲線

通過分析2 號頂管計(jì)算數(shù)值，設(shè)定頂管推進(jìn)面距離為12、18、30、42m。將2 號頂管不同推進(jìn)面產(chǎn)生的斷面地表橫向沉降數(shù)值與3 號頂管不同推進(jìn)面產(chǎn)生的斷面地表橫向沉降數(shù)值進(jìn)行對比分析，并將分析結(jié)果用于繪制推進(jìn)面為30m 的斷面地表橫向沉降曲線圖，如圖7 所示。

圖7 2 號頂管施工地表橫向沉降曲線

從圖7 可知，因頂管推進(jìn)正面推力會對土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較為明顯的擠壓作用，導(dǎo)致土體向上方移動。在2 號頂管的頂推距離為18m 的情況下，目標(biāo)斷面的沉降值減小。在頂進(jìn)面向前移動的正向推力增大情況下，前方沉降值持續(xù)下降。由于2 號頂管施工會受到1 號頂管施工及3 號頂管施工的擾動作用，施工環(huán)境中的土體發(fā)生較大改變。在頂管頂進(jìn)至30m 斷面時(shí)，目標(biāo)斷面上方地表沉降值會達(dá)到50%。通過對比分析不同頂管管體上方土體沉降速率，發(fā)現(xiàn)2 號頂管的土體沉降速率最快。

1~4 號頂管各管施工完成后y=30 斷面地表橫向沉降曲線如圖8 所示。

圖8 各頂管施工后地表橫向沉降曲線

由圖8 觀測橫向沉降槽，發(fā)現(xiàn)沉降槽呈現(xiàn)出非對稱性特征。左側(cè)位移大于右側(cè)位移，體現(xiàn)出地層及過程的非線性影響。在4 號頂管施工過程中，頂管推進(jìn)作用力對1 號管道及2 號管道的地表沉降影響較小，對3 號管道上方地表沉降較大。4 號頂管施工后，3 號頂管軸線上方的地表沉降值增大。由于4 號施工區(qū)域受到的施工擾動作用力小，因此在頂尖完成后的地表縱向沉降，職業(yè)最小，縱向沉降值最大為-11.69mm，4 號頂管施工后的地表最大沉降值為-14.9mm。

6 結(jié)論

①基于數(shù)據(jù)模擬方式，分析頂管施工產(chǎn)生的正向推力以及土體附加應(yīng)力實(shí)際分布情況，所獲結(jié)果如下所示：1）頂管施工正面推力引起的土體附加應(yīng)力在靠近推進(jìn)面中部前方土體內(nèi)最大。σy在管體縱向沿方向逐漸減小，在刀盤前方4m 處的土地附加應(yīng)力值以衰減至50%；在刀盤前方12m 處的附加應(yīng)力值已經(jīng)衰減到95%。頂管施工期間頂進(jìn)前方12m 處的土體、構(gòu)筑物及地面建筑物受到的擾動作用較小。y 值不斷增加，側(cè)向附加應(yīng)力值會從負(fù)數(shù)快速遞增值峰值，并逐步衰減。在頂進(jìn)前方12m 的情況下，衰減達(dá)到90%；在頂徑前方18m 的情況下，土體附加應(yīng)力的影響被逐步削弱。沿x 軸的分量σx的土體附加應(yīng)力主要影響范圍為頂徑18m 區(qū)域內(nèi)。同時(shí)，正面推力引起的附加引力會沿x 軸的分量集中在約3m 的頂管橫向?qū)挾?，縱向推進(jìn)約3m 的頂管橫向?qū)挾忍帯?）頂管施工正面推力引起的土體附加應(yīng)力會沿著頂管橫向坐標(biāo)x 方向的分量沿x 的面中部小范圍內(nèi)出現(xiàn)負(fù)值，隨后向兩側(cè)擴(kuò)散增加到峰值。在管體軸線兩側(cè)頂管橫向?qū)挾葹?.5m 的情況下趨于穩(wěn)定狀態(tài)；σx沿y 方向會呈現(xiàn)出先增加至峰值、而后衰減的規(guī)律，前方推進(jìn)頂管橫向?qū)挾葹?m 處已經(jīng)衰減至95%。

②通過構(gòu)建三維數(shù)據(jù)模擬圖形，對四孔并行頂管施工下的土體位移情況進(jìn)行分析，分析結(jié)果如下：1）在頂管施工過程中，開挖面土體位移會在頂管向前推進(jìn)的情況下逐步遞增，在頂管沉降機(jī)頭為3m 的矩形頂管橫向?qū)挾群筅呌诜€(wěn)定。后續(xù)頂管施工工作會對周邊土體結(jié)構(gòu)造成較大程度的干擾。在單孔施工過程中，地表橫向沉降槽與正態(tài)分布曲線相符，由此可判斷地表沉降最大值為頂管軸線上方。4 孔頂管施工后的地表橫向沉降槽具有非對稱性特征，沉降量出現(xiàn)在先施工的頂管上方。2）后頂管施工會受到西安頂管施工及壓力作用影響，導(dǎo)致頂管施工區(qū)域土體的側(cè)壓力較大，后續(xù)頂管施工的部分土體被擠壓。