數(shù)值模擬不同頂推力在頂管施工中對(duì)土體的影響

凌春LING Chun；呂品LV Pin；程曼CHENG Man；楊梓俊YANG Zi-jun；王威WANG Wei

（武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430073）

0 引言

頂管法是根據(jù)盾構(gòu)機(jī)發(fā)展演化而來(lái)的，從地下穿越，不需要開挖地表，相比明挖的頂管工程，不需要破壞周圍建筑物，對(duì)周圍環(huán)境影響較小，節(jié)省成本，提高施工效率的優(yōu)勢(shì)明顯，能夠適應(yīng)多種復(fù)雜地質(zhì)情況，應(yīng)用于地下工程。它與盾構(gòu)機(jī)相比較小，比較靈活，主要應(yīng)用于城市的地下管網(wǎng)工程中，如雨污分流工程。頂管法是利用頂管機(jī)頭，把預(yù)制頂管從始發(fā)井一節(jié)一節(jié)頂進(jìn)預(yù)定位置，再?gòu)慕邮站褭C(jī)頭吊出來(lái)，以此循環(huán)的地下施工[1]。但是，遇到復(fù)雜的地質(zhì)，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，不確定風(fēng)險(xiǎn)大幅度提高，隨著科技的不斷發(fā)展，我們的相關(guān)理論也在逐步完善，我們可以利用Abaqus有限元軟件分析，控制變量分析其頂推力對(duì)土體變形的影響，一旦對(duì)土體的擾動(dòng)過大，大規(guī)模地層移動(dòng)將引起鄰近建筑物的變形，影響其正常使用。在圓形頂管法的施工中，必須設(shè)法減小對(duì)土體的擾動(dòng)[2]。因此，探討不同頂推力在施工過程中土體的擾動(dòng)規(guī)律，對(duì)于促進(jìn)地下工程建設(shè)具有重大意義。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

江門市某區(qū)水環(huán)境綜合治理項(xiàng)目（二期）工程EPCO項(xiàng)目—中興二路截污管網(wǎng)工程，本工程為中興二路截污管網(wǎng)工程，其建設(shè)內(nèi)容主要為在中興一路東側(cè)規(guī)劃慢車道下布置d2000污水主管，由北向南接入中興二路規(guī)劃d2000污水管，并為沿線路口及地塊預(yù)留污水支管；在北昌東路南側(cè)道路下布置d2000污水主管，由東向西接入中興二路規(guī)劃d2000污水管，并為沿線路口及地塊預(yù)留污水支管；頂管段管道管徑一般D2000，擬采用Ⅲ級(jí)鋼筋混凝土頂管管材。根據(jù)相關(guān)資料，本工程頂管段管道埋深一般約13m。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報(bào)告得出本頂管段的地層自上而下按成因類型分為第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）、沖積層（Q4al）。各土層相關(guān)力學(xué)參數(shù)見表和土層物理性質(zhì)如下：

1.2.1 人工填土層（Q4ml）

素填土：灰黃、灰褐等色，稍濕，稍密，以黏性土為主，含少量碎石塊等硬質(zhì)雜物，碎石粒徑一般約1.0～3.0cm，含量一般約10%～20%，磨圓度較差，主要呈棱角狀，土質(zhì)及密實(shí)度不均勻，部分地段頂部20～30cm不等厚度為砼地面。據(jù)初步了解，項(xiàng)目場(chǎng)地填土堆填時(shí)間超過15年，為老填土。平均層厚為5m。

1.2.2 沖積層（Q4al）

淤泥質(zhì)土：灰黑色，飽和，流塑，以粘粒為主，富含有機(jī)質(zhì)及少量粉細(xì)粒，手捏具滑膩感，易污手，略具腥臭味。平均厚度為4m。

粉質(zhì)黏土：灰褐、灰黃、灰白色，濕，可塑，以粘粒為主，夾少量粉細(xì)粒，土質(zhì)均勻，粘性較好，干強(qiáng)度及韌性中等，平均層厚為8m。

1.2.3 燕山期（γ52）花崗巖

強(qiáng)風(fēng)化花崗巖帶：黃褐、灰褐色，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，巖芯主要呈半巖半土狀，巖塊手折易斷，遇水易軟化崩解。平均厚度11m。

其主要物理力學(xué)性能參數(shù)如表1。

表1 土體物理力學(xué)性能參數(shù)

2 頂管施工

根據(jù)勘查報(bào)告，采用泥水平衡頂管法施工。頂管法施工是借助于主頂油社等頂進(jìn)設(shè)備，將工具管或掘進(jìn)機(jī)從工作井穿越土層進(jìn)入接收井，將緊隨其后的工作管道依次連接并埋設(shè)在這兩個(gè)井的管線土層中的敷設(shè)地下管線的施工方法[3]。該方法是用機(jī)頭頂進(jìn)，把碎土渣等物質(zhì)運(yùn)走，往周圍管壁注漿，把預(yù)制頂管頂進(jìn)，以此循環(huán)，直至貫通。頂管法施工工藝主要是指從機(jī)械施工設(shè)備進(jìn)入施工場(chǎng)地到頂進(jìn)作業(yè)完全結(jié)束的整個(gè)施工過程[4]。管道頂進(jìn)的過程可分為以下幾個(gè)階段：頂管工作井的制作，頂進(jìn)設(shè)備的安裝及工具管或掘進(jìn)機(jī)的就位，工具管頂出始發(fā)工作井洞口，后續(xù)管節(jié)頂進(jìn)，工具管或掘進(jìn)機(jī)進(jìn)入接收井洞口，管道全線貫通，施工結(jié)束。施工工藝流程如圖1。

圖1 施工工藝流程圖

3 土體變形原因

頂管施工造成土體變形的原因可概括為兩點(diǎn)：①應(yīng)力擾動(dòng)；②地層損失。

應(yīng)力來(lái)源于頂進(jìn)過程中機(jī)頭頂推力、剪切力以及管道與土體的摩檫力。地層損失是引起土體變形的主要因素，有常規(guī)損失和不常規(guī)損失。常規(guī)損失是我們?cè)谑┕み^程中不可避免的損失，不常規(guī)損失是由于的我們的技術(shù)流程不符合操作規(guī)范引起的不必要損失，我們可以在后期的技術(shù)優(yōu)化中處理這個(gè)問題[5]。

頂管施工的本質(zhì)是頂管機(jī)切土和向管道邊注漿同時(shí)進(jìn)行的施工，在開挖土的過程中，未挖的土體具有松動(dòng)性，此時(shí)需要向周邊土體注漿，以維持地下土體的平衡，但是頂推力過大過小都會(huì)影響土體的穩(wěn)定性，會(huì)間接影響頂管施工的質(zhì)量。當(dāng)頂推力較小時(shí)，土體會(huì)出現(xiàn)下沉，頂推力較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致土體隆起，頂管破裂，返工乃至發(fā)生安全事故。數(shù)值模擬分析頂推力會(huì)找到合適的頂推力，促進(jìn)頂管施工良好發(fā)展。

4 數(shù)值模型建立及分析方案

4.1 模型建立

本頂管施工模擬采用的是Abaqus有限元分析軟件，取頂管頂進(jìn)的方向?yàn)閅軸（0-30m），垂直于Y軸的為X軸（0-50m），頂管土層的厚度方向?yàn)閆軸（0-28m），模擬單元用的線性六面體結(jié)構(gòu)。根據(jù)實(shí)際情況采用的泥水平衡頂管法施工，本工程是單排單向頂管，管道外徑D是2m，頂管埋深是13m，將土體簡(jiǎn)化成四層平行土層，每次頂進(jìn)距離為2m，土體的物理力學(xué)性能參數(shù)如表1，模擬模型如圖2。

圖2 模擬模型

4.2 頂推力計(jì)算

正面頂推力依據(jù)Rankine壓力理論進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

式中P上為管道上部土壓力，P下為管道下部土壓力，γ為土體容重，取加權(quán)平均值17.45kN/m3，Z為覆土深度，K0為靜止土壓力系數(shù)，其數(shù)值大小與土體性質(zhì)密切相關(guān)，粘土中，K0可在0.33～0.70間取值[6]。

4.3 數(shù)值分析方案

考慮自重應(yīng)力，頂程總共20m，每次頂進(jìn)2m，一共頂進(jìn)10節(jié)頂管，頂管周圍的泥漿，按通用標(biāo)準(zhǔn)處理，忽略其影響。設(shè)置原始土體的相關(guān)參數(shù)，平衡土體初始應(yīng)力，施加與重力對(duì)應(yīng)的初始應(yīng)力場(chǎng)，保證模擬其真實(shí)性。按2m一個(gè)頂進(jìn)距離，從20m向0m方向頂進(jìn)，從縱橫向分別分析頂推力對(duì)土體參數(shù)的影響分析，得出合適的頂推力，促進(jìn)頂管施工安全高效。

5 不同頂推力模擬結(jié)果分析

為使模擬更加接近工程實(shí)際，土的摩擦系數(shù)取為0.3，土體的側(cè)壓力系數(shù)取為0.5，計(jì)算得出的不同頂推力，利用有限元分析軟件，在一定條件下，模擬不同的頂推力在頂進(jìn)過程中，土體產(chǎn)生的沉降量，我們從頂進(jìn)方向得出的土體沉降量變化如圖3，垂直于頂管頂進(jìn)方向的土體沉降量變化如圖4。從圖3可知，當(dāng)頂管的頂推力為0.147MPa時(shí)（大概為1.2倍的靜止土壓力），頂進(jìn)5m之前時(shí)，沉降變化量不明顯，沉降較小0.1mm，但隨著頂推力的增大，剛開始頂進(jìn)時(shí)，土體逐漸凸起，凸起程度與頂推力成正比，當(dāng)頂推力為1MPa時(shí)，凸起量最大，數(shù)值為1mm。在頂進(jìn)5m之后，土體的沉降量隨著頂推力的增大而逐漸增大，頂管頂進(jìn)開始到結(jié)束，兩者的沉降差與頂推力的大小成正相關(guān)，頂推力最大的沉降差是最小的1.8倍。由于頂推力的增大，前進(jìn)速度會(huì)加快，泥水壓力會(huì)小于前方土體壓力，對(duì)前方土體的擾動(dòng)性會(huì)增強(qiáng)，頂管可能會(huì)強(qiáng)制后移，前方土體會(huì)向機(jī)頭移動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致土體沉降。由于頂管的埋深較大，管徑較小，地表的變形變化不明顯。因此，我們通過控制頂推力的大小來(lái)降低頂推力對(duì)周圍土體擾動(dòng)性能的影響。從圖3和圖4可以得出，當(dāng)頂管的頂推力在0.147-0.3MPa之間時(shí)，頂管頂進(jìn)開始到結(jié)束，兩者的沉降差變化較小。由于頂推力的大小跟頂管機(jī)的功率有直接聯(lián)系，頂推力越大，需要的頂管機(jī)功率越大，考慮到沉降量與頂推力成正比，所以，為了節(jié)約成本和降低頂推力對(duì)土體的擾動(dòng)影響，認(rèn)為本頂管工程最佳的頂推力為0.147MPa（大概為1.2倍的靜止土壓力）。

圖3 不同頂推力在頂進(jìn)方向上引起的沉降量變化

圖4 不同頂推力在垂直頂進(jìn)方向上引起的沉降量變化

6 結(jié)語(yǔ)

本文模擬不同頂推力對(duì)土體的影響研究，得出了合適的頂推力數(shù)值為靜止土壓力的1.2倍，促進(jìn)了未來(lái)的頂管施工發(fā)展，但其中也有不足，只分析了一種變量，沒有多種變量綜合分析，模擬過程中，土層比較單一，根據(jù)實(shí)際情況還有一些差距，存在誤差，接下來(lái)我們可以從管徑大小、土體參數(shù)以及頂管埋深做更加全面的分析。