大斷面綜合管廊施工對鄰近建筑物和土體變形影響研究

蘆文文，陸龍龍，李西

（山東公用建設(shè)集團有限公司，山東 濟寧 272000）

1 前言

隨著城市現(xiàn)代化的快速發(fā)展，地上空間的開發(fā)利用已經(jīng)不能適應(yīng)城市發(fā)展的要求，為了緩解土地資源的日益緊張，地下綜合管廊的建設(shè)得到了大力發(fā)展。在建設(shè)過程中采用頂管法施工，可以確保地面交通的不受影響，減少對周圍建筑物的影響。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)有眾多學(xué)者對綜合管廊施工對周圍土體和建筑物的變形問題進(jìn)行了研究。Li等研究了不對稱三艙綜合管廊施工引起的地表沉降，對各個施工階段的沉降特征進(jìn)行分析。Cha等通過有限元模型對綜合管廊一側(cè)擴建引起地表沉降的影響進(jìn)行了分析。郭曜禎等和徐建寧等依托實際工程案例，研究了綜合管廊的施工對高架橋樁基礎(chǔ)位移的影響規(guī)律。王莉等對上穿既有地鐵的綜合管廊箱涵頂進(jìn)施工方案進(jìn)行分析優(yōu)化,研究不同方案下圍巖、地鐵結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移及圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律。王甫強等針對綜合管廊采用淺埋暗挖法施工下穿城區(qū)鐵路時的工程結(jié)構(gòu)安全多源信息監(jiān)控問題進(jìn)行了研究。張治成等運用數(shù)值模擬的方法對頂管施工引起的地層移動造成鄰近管線產(chǎn)生不均勻沉降和破壞進(jìn)行了研究。陳元盛等針對綜合管廊施工引起基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及臨近建筑的變形進(jìn)行了研究。宗翔研究了綜合管廊采用洞樁法開挖引起的地面沉降規(guī)律，建立了洞樁法施工引起地面沉降的預(yù)測方法。鄭知斌等對雙孔矩形頂管引起的路面沉降規(guī)律及影響范圍計算方法進(jìn)行了研究。

綜上所述，現(xiàn)有研究對于綜合管廊施工引起的地表和建筑物變形的研究較為豐富，但針對采用大斷面矩形頂管法的綜合管廊施工引起的鄰近建筑物和周圍土體變形很少。本文依托武漢市某臨近建筑物的大斷面矩形頂管施工綜合管廊項目，通過建立三維有限元模型，對頂管施工引起的鄰近建筑物沉降和周圍土體變形規(guī)律進(jìn)行研究。

2 工程背景

2.1 工程概況

江南綠道中心武九線綜合管廊工程是武漢市建設(shè)一流城市和走向國際化都市的一項重點工程，該工程規(guī)模龐大，是一項改善道路交通、綠化美觀城市的惠民工程。本工程段綜合管廊總長約2900m，考慮路面以下管線情況及周圍復(fù)雜的建筑環(huán)境，部分區(qū)間采用頂管法施工，頂管截面為矩形。頂管外尺寸為9.8m×5.2m，壁厚0.7m，預(yù)制管節(jié)單環(huán)長度1.5m，頂管上部埋深6.87m。在施工過程中，管廊側(cè)穿多處臨近建筑物，綜合管廊和建筑物示意圖如圖1所示。

2.2 工程地質(zhì)條件

據(jù)勘察報告管廊穿越土層主要為雜填土，粉質(zhì)黏土和粉砂等。本工程范圍內(nèi)各巖土層及其力學(xué)參數(shù)條件如表1所示。

表1 土層分布及力學(xué)參數(shù)條件

3 管廊施工模擬

3.1 模型建立

使用Midas GTS有限元軟件對管廊頂管法施工進(jìn)行模擬，以工程實例為原型，模型尺寸取100m×50m×25m，模型邊界條件采用默認(rèn)設(shè)置，底面全部約束，頂面自由，4個側(cè)面施加法向約束。巖土體的本構(gòu)模型均采用Mohr–Column模型，巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表2選取。頂管外殼和襯砌采用線彈性板單元模擬，在緊接頂管的襯砌上施加的徑向面荷載，模擬注漿的作用，注漿壓力取200kPa，開挖面推力為150kPa。參考已有的研究，假定建筑物與基礎(chǔ)協(xié)調(diào)變形，將建筑物簡化為均布荷載施加在15m×11m×3m的基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)為實體單元，均布荷載為250kPa，上述結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)見表2，數(shù)值計算模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值計算模型

表2 結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)

3.2 結(jié)果分析

大斷面綜合管廊頂管施工會引起周圍的土體發(fā)生位移，進(jìn)而對建筑物產(chǎn)生影響。設(shè)距離頂管開挖面與建筑物的距離為S，大斷面綜合管廊頂管施工引起的建筑物和地表沉降如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在施工過程中，隨著頂管的推進(jìn)，地表和建筑物的沉降逐漸增大，沉降槽明顯向右側(cè)進(jìn)行傾斜，右側(cè)的沉降槽比左側(cè)明顯更寬。在距離管廊軸線-15m處，左側(cè)地表出現(xiàn)隆起，而且隨著頂管的推進(jìn)，地面隆起緩慢增大。當(dāng)距離S=12m時，建筑物和地表的沉降逐漸穩(wěn)定，之后沉降值雖然還會增大，但幅度很小。管廊的施工過程中，建筑物會明顯增加增大周圍地表的沉降值，而且會引起沉降槽的寬度增加，建筑物自身也會出現(xiàn)一定的不均勻沉降，可能引起建筑自身傾斜，在實際施工過程中需要注意監(jiān)測建筑的傾斜情況，當(dāng)建筑物傾斜較大時需要對建筑物進(jìn)行加固。

圖3 建筑物和地表沉降

大斷面綜合管廊頂管施工引起的建筑物和地表水平位移如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)在施工過程中，隨著頂管的推進(jìn)，地表和建筑物的水平位移先減小后增大。當(dāng)頂管與建筑物距離較大時，建筑物和土體水平位移增加，隨著頂管與監(jiān)測斷面距離的減小，軸線附近土體受到頂管推力的影響下為水平位移變?yōu)樨?fù)值，當(dāng)頂管經(jīng)過監(jiān)測斷面后，建筑物和土體水平位移再次增加。由于受到建筑物的影響，右側(cè)的水平位移明顯小于左側(cè)，建筑物范圍內(nèi)的水平位移較為平緩。

圖4 建筑物和地表水平位移

3.3 施工參數(shù)影響因素分析

為了研究頂管施工過程中，各個施工參數(shù)對建筑物及土體變形的影響規(guī)律。因此，分布以頂管后方的注漿壓力P和頂管的推進(jìn)力Q為變量，對建筑物及土體變形進(jìn)行模擬，如圖5～8所示。所有參數(shù)與前文相同，通過對注漿壓力P改變，發(fā)現(xiàn)當(dāng)注漿壓力變大時，建筑物及土體的沉降值和水平位移值均變小，說明注漿壓力的增大對土體和建筑物有一定的保護(hù)作用，在施工過程中若出現(xiàn)土體和建筑物的變形過大，可以適當(dāng)提高注漿壓力進(jìn)行保護(hù)。

圖5 注漿壓力變化對沉降的影響

所有參數(shù)與前文相同，通過對頂管推力Q改變，發(fā)現(xiàn)當(dāng)推力變大時，建筑物及土體的沉降值和水平位移值均變小，說明推力的增大對土體和建筑物有一定的保護(hù)作用，在施工過程中若出現(xiàn)土體和建筑物的變形過大，可以適當(dāng)提高頂管推力進(jìn)行保護(hù)。

4 結(jié)語

本文依托湖北省武漢市綜合管廊項目，對大斷面綜合管廊頂管施工對臨近建筑的沉降影響問題開展研究。采用Midas GTS有限元分析軟件對管廊頂管施工過程進(jìn)行動態(tài)模擬，分析施工全過程下管廊周圍土體及臨近建筑的變形情況。

圖6 注漿壓力變化對水平位移的影響

圖7 推力變化對沉降的影響

圖8 推力變化對水平位移的影響

（1）在施工過程中，隨著頂管的推進(jìn)，地表和建筑物的沉降逐漸增大，管廊上方的土體呈現(xiàn)不均勻沉降，沉降槽的中心向建筑物一側(cè)偏移，臨近建筑物發(fā)生了偏向管廊的傾斜，建筑物一側(cè)沉降槽明顯更寬；左側(cè)地表出現(xiàn)隆起，且隆起緩慢增大；當(dāng)距離頂管開挖面較遠(yuǎn)時沉降逐漸穩(wěn)定，之后沉降值雖然還會增大，但幅度很小。

（2）隨著頂管的推進(jìn)，地表和建筑物的水平位移先減小后增大。隨著頂管與監(jiān)測斷面距離的減小，軸線附近土體受到頂管推力的影響下為水平位移變?yōu)樨?fù)值，當(dāng)頂管經(jīng)過監(jiān)測斷面后，建筑物和土體水平位移再次增加。由于受到建筑物的影響，右側(cè)的水平位移明顯小于左側(cè)，建筑物范圍內(nèi)的水平位移較為平緩。

（3）發(fā)現(xiàn)當(dāng)注漿壓力和頂管推力變大時，建筑物及土體的沉降值和水平位移值均變小，說明注漿壓力和頂管推力的增大對土體和建筑物有一定的保護(hù)作用，在施工過程中若出現(xiàn)土體和建筑物的變形過大，可以適當(dāng)提高注漿壓力和頂管推力進(jìn)行保護(hù)。