大直徑四排平行頂管地表沉降數(shù)值模擬研究①

安剛建, 董 聰, 林 鍵, 曹廣勇

(1.中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司,安徽 合肥 230000;2.安徽建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230601;3.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展的需要,頂管工程向著大直徑、近間距、平行多排的趨勢(shì)發(fā)展,在多排平行頂管中先施工頂管會(huì)對(duì)后施工地表沉降產(chǎn)生擾動(dòng),國(guó)內(nèi)外學(xué)者為此采用經(jīng)驗(yàn)公式法[1-2]、模型試驗(yàn)法[3]及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析法[4-5]、理論計(jì)算分析法[6-7]和數(shù)值模擬法[8-11]進(jìn)行了研究。

以?？诿捞m國(guó)際機(jī)場(chǎng)二期擴(kuò)建場(chǎng)外排水工程為背景,采用Abaqus數(shù)值模擬軟件對(duì)四排大直徑、近間距的平行頂管先后施工引起的地表沉降進(jìn)行研究,探討先后施工頂管引起地表沉降的差異,得到多排平行頂管施工引起的地表沉降規(guī)律。

1 工程概況

?？谑忻捞m機(jī)場(chǎng)二期擴(kuò)建場(chǎng)外排水工程頂管段總長(zhǎng)為6050m,頂管每節(jié)長(zhǎng)度2.5m,由C50混凝土制成,管節(jié)外徑為4700mm,管壁厚34mm,頂管機(jī)外徑為4740mm,長(zhǎng)為5640mm。頂管橫向間距僅為3100mm,屬于小間距的多排平行頂管,管節(jié)分布圖如圖1所示。

圖1 頂管工程橫斷面圖

2 數(shù)值模型

2.1 模型建立與假設(shè)

土體模型沿開挖方向長(zhǎng)度設(shè)置為50m,寬度為100m,高度為40m,土層分別為粉質(zhì)黏土、粗砂、粉質(zhì)黏土和生物碎屑砂,如圖2a所示。距離上表面16m處開挖,頂管頂進(jìn)長(zhǎng)度為50m,為準(zhǔn)確研究頂管開挖引起的地表沉降和消除邊界條件帶來的影響,僅對(duì)頂管中間4節(jié)管節(jié)施工進(jìn)行模擬。工具管跟后續(xù)管節(jié)存在著半徑為20mm的管徑差,在模擬中用泥漿用等代層予以簡(jiǎn)化代替,圖2b所示。研究中,對(duì)模型模做如下假設(shè):

圖2 幾何模型

(1)土體只受重力的影響,所有部件都為各向同性的均質(zhì)材料。

(2)忽略土體固結(jié)所引起的土體長(zhǎng)期變形,計(jì)算結(jié)果僅考慮施工期間的地表變形。

(3)不考慮刀盤切削對(duì)土體產(chǎn)生的剪切,支護(hù)力均勻的作用在掌子面前方的土體上;管土之間的摩阻力是均勻分布的。

2.2 材料本構(gòu)模型及參數(shù)

采用符合Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的彈塑性材料來模擬?？诿捞m機(jī)場(chǎng)施工現(xiàn)場(chǎng)的富水砂層,土層參數(shù)如表1所示。

表1 土體參數(shù)

部件具體參數(shù)如表2所示。

表2 部件參數(shù)

2.3 計(jì)算過程

將頂管的頂進(jìn)分為土體的開挖和頂管的頂進(jìn)兩個(gè)過程。首先,將每一管節(jié)長(zhǎng)度土體的一次性移走,掌子面前的土體受到0.555MPa的頂推力,注漿過程簡(jiǎn)化為施加在頂管壁周圍土體上0.3MPa的均布荷載;然后,將頂管頂進(jìn)2.5m,工具管和后續(xù)管節(jié)與土體接觸面的摩擦系數(shù)為0.26。工具管掌子面距離起始面20m處開始頂進(jìn),每根頂管模型分為4步頂進(jìn),每次頂進(jìn)距離均為2.5m,開挖順序?yàn)轫敼?、頂管4、頂管3和頂管2。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 單根頂管施工引起的地表沉降槽

如圖3a所示,頂管軸線兩側(cè)約3倍頂管直徑寬度范圍的土體產(chǎn)生位移,由于開挖后頂管周圍土體應(yīng)力釋放,頂管周圍正上方土體表現(xiàn)為沉降,頂管周圍下方土體表現(xiàn)為隆起。發(fā)生擾動(dòng)的土體都在估算的主要影響區(qū)域內(nèi),模型建立較為合理。

頂管施工引起的地表沉降槽通?？梢杂肞eck公式來描述其沉降特如式(1):

式(1)中:S x（）為地表沉降值;Smax為地表最大沉降;x為水平距離;i為沉降槽寬度系數(shù);Vloss為土體損失。

通過擬合計(jì)算得到沉降槽寬度系數(shù)i=6.74m,沉降槽的最大沉降值Smax=0.121m,開挖擾動(dòng)產(chǎn)生的土體損失Vloss=0.949m3/m。由圖3b可以看出,單排頂管施工引起的地表沉降值可由Peck公式準(zhǔn)確的描述其沉降特征;與工程實(shí)測(cè)值相比,數(shù)值模擬結(jié)果有較高的精確度。

圖3 頂管1施工所引起的土體位移橫向剖面圖

3.2 多排頂管施工引起的地表沉降槽

引入軸線的相對(duì)水平距離系數(shù)z=B/(h+r)[12]來描述隧道的軸線間距B,開挖半徑r和埋深h,通常認(rèn)為z值大于0.66時(shí)為近間距平行頂管,小于0.66時(shí)為大間距平行頂管。

3.2.1 頂管4施工過后的地表沉降

頂管1和頂管4的軸線間距為23.4m,通過計(jì)算得到軸線的相對(duì)水平距離系數(shù)z=1.13,為大間距平行管,先施工頂管對(duì)后施工的擾動(dòng)較小,頂管1施工后的地表沉降應(yīng)為對(duì)稱的“W”型,如圖4所示。

圖4 頂管4施工所引起的土體位移橫向剖面圖

3.2.2 頂管3施工過后的地表沉降

頂管3與頂管4的軸線間距為7.8m,通過計(jì)算得到軸線的相對(duì)水平距離系數(shù)z=0.15,為近間距平行管,先施工頂管對(duì)后施工的擾動(dòng)較大;頂管3與頂管1的軸線間距為15.6m,通過計(jì)算得到軸線的相對(duì)水平距離系數(shù)z=0.75,為大間距平行管,先施工頂管對(duì)后施工的擾動(dòng)較小。

計(jì)算結(jié)果如圖5所示,工程實(shí)測(cè)的地表沉降值與數(shù)值模擬值較為接近。頂管3施工引起的地表沉降要小于頂管1施工引起的地表沉降,這是由于先施工兩頂管之間存在應(yīng)力拱[13];頂管3施工結(jié)束后,頂管4的沉降值減小,這是由于頂管3對(duì)周圍土體的擾動(dòng)導(dǎo)致的。

圖5 頂管3施工所引起的土體位移橫向剖面圖

3.2.3 頂管2施工過后的地表沉降

頂管2與頂管3和頂管1的軸線間距都為7.8m,通過計(jì)算得到軸線的相對(duì)水平距離系數(shù)z=0.15,為近間距平行管,先施工頂管對(duì)后施工的擾動(dòng)較大。計(jì)算結(jié)果如圖6所示,頂管2施工引起的地表沉降最小;頂管2施工結(jié)束后,頂管1和頂管3的沉降值同樣出現(xiàn)減小;工程實(shí)測(cè)的地表沉降值與數(shù)值模擬值較為接近。

圖6 頂管2施工所引起的土體位移橫向剖面圖

4 結(jié) 論

以?？诿捞m國(guó)際機(jī)場(chǎng)二期擴(kuò)建場(chǎng)外排水工程基礎(chǔ)建立數(shù)值分析模型,對(duì)四排大直徑、近間距的平行頂管順序施工引起的地表沉降進(jìn)行研究,得到以下結(jié)論:

(1)平行頂管之間的相互作用會(huì)對(duì)施工引起的地表沉降產(chǎn)生影響,位于中間的頂管3和頂管2施工引起的地表沉降要小于兩側(cè)先施工頂管1和頂管4的地表沉降,而且最后施工的頂管2的地表沉降也小于頂管3的地表沉降,這可能是先施工兩頂管之間存在的應(yīng)力拱導(dǎo)致的。

(2)本文的數(shù)值模擬計(jì)算得到的地表變形曲線與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線有著較高的擬合度,因此,數(shù)值模型能較為準(zhǔn)確地模擬?？诖笾睆?、近間距、四排平行頂管施工引起的地表變形規(guī)律。