頂管施工地表沉降數(shù)值模擬分析

劉春波

（煙臺市萊山區(qū)綜合行政執(zhí)法局，山東 煙臺 264000）

0 引 言

頂管法施工是一種通過借助頂升力推動(dòng)混凝土管段或鋼管管段前進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)不開挖或少量開挖的施工技術(shù)[1-2]。在頂管施工過程中，推動(dòng)千斤頂?shù)妮S承板需要由工作井的側(cè)壁和墻后的土體所提供的巨大的支撐力。

頂管按工作埋深可分為兩種，一種是深頂管，一種是淺頂管。深頂管由于埋深較深，土層壓力較大，工作井周圍的土體能夠抵抗這些頂升力。但對于淺頂管，由于淺頂管敷設(shè)深度很淺，工作井周圍的土體很淺，阻力作用有限，因此而成為淺頂管工作井設(shè)計(jì)和施工的難點(diǎn)，也是決定施工質(zhì)量與整個(gè)工程成敗的關(guān)鍵[3]。按頂管的工作機(jī)理分，頂管可分為氣壓平衡、泥漿平衡和土壓力平衡三種。不同類型的頂管對于不同地層的適應(yīng)也各不相同，其設(shè)計(jì)方法也各不相同。因此，對于不同地層建設(shè)排水管道時(shí)宜根據(jù)地層特性選取不同頂管進(jìn)行施工。

正確選擇頂管施工工藝和設(shè)備，對保證工程質(zhì)量、控制地表沉降、降低成本、組織文明施工至關(guān)重要。在進(jìn)行頂管施工工藝和設(shè)備的選擇時(shí)，人們主要根據(jù)地質(zhì)和地下水條件、對地表和周圍環(huán)境的影響，以及現(xiàn)場條件進(jìn)行選擇。在工程設(shè)計(jì)中，數(shù)值分析通常應(yīng)用于工程行為的模擬。通過數(shù)值模擬，可以快速確定土層與頂管相互作用的工程力學(xué)行為，以此可以快速分析確定頂管施工對頂管路線附近的建筑物和管道的影響，并作為更好的工程設(shè)計(jì)的依據(jù)[5]?；诖耍F(xiàn)通過對比現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果及數(shù)值模擬分析結(jié)果，研究了不同頂管施工技術(shù)的適用性。

1 頂管技術(shù)施工特點(diǎn)

1.1 設(shè)備獨(dú)一性

每項(xiàng)頂管工程都需要根據(jù)管徑、壁厚、地質(zhì)、水文條件分別設(shè)計(jì)專用設(shè)備。在管徑相同的情況下，頂管掘進(jìn)機(jī)由于地質(zhì)條件的不同，在工藝流程、截土方式、防水結(jié)構(gòu)等方面也會(huì)有所不同。頂管隧道工程如果沒有合適的設(shè)備將很難實(shí)施，因此該工程在很大程度上依賴于設(shè)備。

1.2 高風(fēng)險(xiǎn)性

頂管隧道是一種地下工程，由于地質(zhì)的非均質(zhì)性，在地質(zhì)錯(cuò)配、頂管機(jī)故障、漏水等情況下，頂管隧道比地面工程在時(shí)間和資源上更難處理，需要更多的投資，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致工程失敗。因此，頂管隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)比一般土木工程項(xiàng)目要高，要求施工技術(shù)人員具有善于總結(jié)、掌握先進(jìn)技術(shù)、預(yù)測可能出現(xiàn)的故障等優(yōu)點(diǎn)，以避免事故和風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

2 工程概述

2.1 工程背景

為滿足城市防洪排水需求，需要建設(shè)一條連接該市區(qū)的防洪管道連接系統(tǒng)。該防洪管道南接城內(nèi)地下管道系統(tǒng)，北通城外某河流，施工時(shí)由南向北進(jìn)行開挖，項(xiàng)目示意圖如圖1 所示。頂管管道總長400 m，由160 段組成，鋼筋混凝土段外徑4.16 m，內(nèi)徑3.5 m，每段長2.5 m。由于城市建設(shè)初期規(guī)劃城內(nèi)地勢高于城外，故該項(xiàng)頂管布置為斜坡型布置，各部位管道標(biāo)高不一，相差十余米。離港和到達(dá)井均為開放式沉箱結(jié)構(gòu)，底部標(biāo)高-21.0 m。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，圖1 給出了主要地層土層性質(zhì)和基本物理力學(xué)參數(shù)。

圖1 管道位置及土層情況示意圖

2.2 工程技術(shù)難點(diǎn)

在頂管施工過程中，由于頂管距地表土層距離不一，且地上建筑物復(fù)雜，出口處含有某建筑物基礎(chǔ)，管頭出口處最小覆土深度為3.0 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同類頂管施工土層厚度。因此，在頂管施工過程中，極易導(dǎo)致管道周圍的土壤受到干擾，當(dāng)土壤變形超過一定范圍，更會(huì)嚴(yán)重危及鄰近建筑物、基礎(chǔ)、路面和地下管道的安全，造成一系列的環(huán)境和巖土工程問題。為此，現(xiàn)通過對不同頂管技術(shù)驚醒數(shù)值模擬研究，分析采用不同頂管施工時(shí)頂管周圍土力學(xué)分布和沉降變形規(guī)律。同時(shí)，對現(xiàn)場施工環(huán)境進(jìn)行土層地表沉降監(jiān)控，確保頂管施工的順利完成，并為今后類似工程的施工提供參考。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值建模及相關(guān)假設(shè)

3.1.1 數(shù)值模型建立

為了分析頂管施工的力學(xué)特性，研究施工過程中的表面沉降和變形特性，采用有限元分析軟件MIDAS GTS NX，通過建立模型和設(shè)置參數(shù)，對頂管施工引起的土壤變形規(guī)律進(jìn)行分析和總結(jié)。模型尺寸為150 m×40 m×60 m（長×寬×高），模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為65 241，模型單元個(gè)數(shù)為49 876，頂管頂起平面為Y-Z 平面，頂管方向?yàn)閄 軸正方向，Z 軸負(fù)方向?yàn)樯疃确较?，頂管方向如圖2 所示。管體采用彈性殼體單元進(jìn)行模擬，不同開挖方式效果的模擬采用空單元法實(shí)現(xiàn)。其余參數(shù)及土層參數(shù)由地勘測得如表1所列。

表1 有限元力學(xué)計(jì)算參數(shù)

圖2 頂管施工示意圖

3.1.2 模型假設(shè)

在計(jì)算和分析之前，為使模型計(jì)算盡可能貼近真實(shí)情況及簡化計(jì)算，該模型對此做出如下假設(shè)：（1）在頂管的頂進(jìn)過程中，超淺埋頂管的前推力設(shè)置為矩形均布載荷。（2）計(jì)算時(shí)僅考慮土層的附加變形應(yīng)力，由土體自重引起的變形不予考慮。（3）頂管施工過程中只考慮頂管間距的變化，不考慮土體的時(shí)間效應(yīng)。（4）假設(shè)模型的上表面是地球表面，這是一個(gè)自由界面；對于模型的側(cè)面和底部設(shè)置為唯一邊界，限制側(cè)面的水平移動(dòng)和垂直移動(dòng)。模型頂進(jìn)施工時(shí)的有限元網(wǎng)格模型及頂進(jìn)坐標(biāo)如圖2～圖4 所示。

圖3 頂管施工網(wǎng)格劃分圖

圖4 頂管網(wǎng)格劃分圖

3.2 模型結(jié)果分析

3.2.1 地表沉降結(jié)果分析

結(jié)合工程實(shí)例現(xiàn)場實(shí)際情況及沉降監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)原則，在進(jìn)行現(xiàn)場布設(shè)點(diǎn)位時(shí)，由于頂管施工區(qū)頂部為環(huán)城公路，且項(xiàng)目所在地區(qū)交通量大，人口流量密集，在施工過程中應(yīng)特別注意地表隆升或沉降。因此，為提高數(shù)據(jù)采集精度，確保頂管安全施工，采用全站儀作為點(diǎn)位布設(shè)儀器，將沉降監(jiān)測點(diǎn)根據(jù)實(shí)際情況布置在頂管施工區(qū)表面附近，主要布設(shè)在頂管軸上和頂管兩側(cè)，選取頂管中心軸線兩側(cè)20 m 以內(nèi)的測點(diǎn)進(jìn)行分析，監(jiān)測斷面則選擇在頂管開始X=13 m、埋深3.8 m 位置處。水平坐標(biāo)表示頂管中心軸線兩側(cè)之間的距離，垂直坐標(biāo)表示地面沉降，L 代表頂管頂進(jìn)距離。

根據(jù)上述點(diǎn)位布設(shè)，按照施工規(guī)范監(jiān)測要求，對現(xiàn)場沉降觀測點(diǎn)進(jìn)行觀測并整理。同時(shí)，為對比不同頂管施工技術(shù)在此類地層的適用性，現(xiàn)通過數(shù)值模擬軟件MIDAS GTS NX 同時(shí)模擬了相同工況下三種不同頂管施工技術(shù)（土壓型平衡頂管、氣壓型平衡頂管及泥水型平衡頂管）相同點(diǎn)位的施工沉降數(shù)據(jù)，對所測數(shù)據(jù)及模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行整理繪制如圖5 所示。

圖5 不同頂管施工地表沉降結(jié)果曲線圖（單位：mm）

圖5（a）～5（d）分別反映了四種工況下頂管推進(jìn)過程中頂管上覆土層的地表沉降值大小。由圖5（a）可以看出，當(dāng)頂管機(jī)的機(jī)頭剛插入土壤時(shí)，土壤表面有輕微的隆起，但此時(shí)頂管引起的地表沉降幾乎可以忽略不記，對周邊土壤影響較??；但隨著頂管連續(xù)頂管的進(jìn)行，頂管前土壓力增大，進(jìn)而產(chǎn)生“擠壓效應(yīng)”，此時(shí)頂管頂升力也隨之增大，由此導(dǎo)致前進(jìn)時(shí)對周邊土壤產(chǎn)生較大擾動(dòng)。通過現(xiàn)場實(shí)測地表沉降數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，這種頂升力對地層土壤的擾動(dòng)還與距頂管軸線距離有關(guān)，距離頂管軸線越近，擾動(dòng)越強(qiáng)烈，表現(xiàn)出的沉降也就越大。從圖5 可以看出，最大擾動(dòng)位置發(fā)生在頂管軸線正上方推進(jìn)距離為13 m 處，此時(shí)地表沉降最大超過8.2 mm，最小擾動(dòng)位置發(fā)生在距頂管軸線20 m 頂管頂進(jìn)方向西側(cè)，此時(shí)地表沉降最小僅發(fā)生0.1 mm。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，造成頂管東西兩側(cè)沉降不一致的原因在于頂管軸線西側(cè)靠近城市電力隧道，該區(qū)域部分土層前期進(jìn)行過加固處理，故實(shí)測數(shù)據(jù)東側(cè)沉降略大于西側(cè)。

由圖5（b）～5（d）可以看出，三種不同頂管施工數(shù)值模擬結(jié)果均與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)規(guī)律相同。由此可見，數(shù)值模擬軟件可以較好地模擬現(xiàn)場施工環(huán)境。但對比三種不同型號頂管施工模擬地表沉降數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，對于泥水型平衡頂管，其整體沉降數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)相近，僅相差0.24 mm；對于氣壓型頂管，整體沉降數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)相差3.26 mm；對于土壓型頂管，整體沉降數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)相差1.84 mm。綜合三者沉降數(shù)據(jù)差發(fā)現(xiàn)，在此類工程地質(zhì)環(huán)境下采用頂管施工時(shí)，相比于其他兩種類型頂管，泥水型平衡型頂管的頂進(jìn)效果更好，對地層擾動(dòng)最小。

3.2.2 頂管結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

通過上述頂管施工過程的地表沉降監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在此類地區(qū)使用泥水型平衡型盾構(gòu)有著較強(qiáng)的地層損失控制能力，但在頂管施工過程中，除對地層損失控制之外，頂管的施工應(yīng)力指標(biāo)也是頂管施工過程中的一個(gè)重要參數(shù)。因此，本節(jié)將對頂管施工過程中的頂升力進(jìn)行模擬分析，同時(shí)對比現(xiàn)場施工過程中的頂升數(shù)據(jù)，進(jìn)而為此類工程施工提供可靠的理論依據(jù)。圖6（a）～6（d）分別反映了四種工況下頂管推進(jìn)過程中頂管三個(gè)不同點(diǎn)位處（L=5、L=9、L=13）的頂升力數(shù)值大小。

從圖6 中可以看出，四種不同頂管施工技術(shù)下產(chǎn)生的最大主應(yīng)力的變化規(guī)律基本相同，且越靠近頂管機(jī)的位置最大主應(yīng)力越大。當(dāng)頂管剛剛頂進(jìn)時(shí)，最大主應(yīng)力迅速增加，隨著管接頭的逐漸頂起，最大主應(yīng)力的增長速率逐漸下降，但也在緩慢增加。頂升結(jié)束時(shí)，現(xiàn)場實(shí)測頂升時(shí)最大主應(yīng)力達(dá)到約952 kPa，泥水型頂管頂升時(shí)最大主應(yīng)力達(dá)到約980 kPa，土壓型頂管頂升時(shí)最大主應(yīng)力達(dá)到約1 078 kPa，氣壓型頂管頂升時(shí)最大主應(yīng)力達(dá)到約778 kPa，且每種頂管頂進(jìn)過程中越靠近頂管機(jī)的位置最大主應(yīng)力越大。

綜上圖5、圖6 可知，頂管在頂升過程中，泥水型頂管無論是在地層沉降控制還是在最大主應(yīng)力控制方面均有較好的表現(xiàn)，并與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合，故建議在此類地區(qū)開展排水管道施工時(shí)使用泥水型頂管。

圖6 不同頂管施工最大主應(yīng)力值曲線圖

4 結(jié) 語

為了更好地指導(dǎo)今后在類似地層中進(jìn)行頂管施工，本文采用三維數(shù)值模擬方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過對現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)的比較驗(yàn)證了模型的有效性，并對比分析了不同施工技術(shù)在此類地層運(yùn)用的合理性，得出如下結(jié)論：

（1）通過對比現(xiàn)場實(shí)測及三種不同型號頂管施工模擬的地表沉降數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，相比于其他兩種類型頂管，泥水型平衡頂管對土層的擾動(dòng)最小，且最接近現(xiàn)場實(shí)測真實(shí)數(shù)據(jù)，僅相差0.24 mm，在地層沉降控制嚴(yán)格地段，建議選取泥水型平衡頂管施工。

（2）結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測及不同頂管施工數(shù)值模擬數(shù)據(jù)得出：氣壓型平衡頂管施工時(shí)最大主應(yīng)力值最小，泥水型次之，土壓型最大，綜合上述可知，采用頂管技術(shù)在此類地層進(jìn)行排水管道施工時(shí)，宜優(yōu)先考慮泥水型平衡頂管技術(shù)。