淺層頂管施工對(duì)路面影響的數(shù)值模擬分析研究

張 鵬

(北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100088)

頂管法施工是指利用頂進(jìn)裝備頂力克服管道與周圍土壤的摩擦力，將管道頂入土中并將土方運(yùn)出的一種非開挖管道施工方法[1-3]。采用技術(shù)施工，在穿越既有道路、結(jié)構(gòu)物的過(guò)程當(dāng)中對(duì)地上地下建筑設(shè)施的無(wú)干擾破壞，各類地層適應(yīng)性強(qiáng)，施工安全可靠，表現(xiàn)出了較大的優(yōu)越性和先進(jìn)性，在淺層管道施工中得到了廣泛的應(yīng)用[4-7]。

目前，數(shù)值模擬方法因其在復(fù)雜參數(shù)處理方面的優(yōu)勢(shì)[8-11]，學(xué)者們將數(shù)值模擬方法應(yīng)用在頂管法施工計(jì)算中，取得卓有成效的研究成果。有學(xué)者以昆明4號(hào)線菊華站地鐵車站過(guò)街通道矩形頂管近接高架橋施工為背景，利用FLAC3D軟件分析了頂管隧道施工全過(guò)程中鄰近橋梁樁基的安全性[12]；利用MADIS-GTS有限元軟件建立了頂管近距離施工模型，分析了頂管近距離施工對(duì)地鐵高架結(jié)構(gòu)的影響[13]；利用數(shù)值模擬方法建立有限元計(jì)算模型，研究了沉井和頂管施工對(duì)附近土體的擾動(dòng)以及高架橋樁基的變形、受力等情況[14]；采用Midas Gts Nx建立基坑與橋梁三維有限元模型，分析了依托某污水管頂管井深基坑近接高架橋梁工程加固參數(shù)的有效性[15]。在上述研究的基礎(chǔ)上，本文利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件[16-18]建立了商丘某市政改造工程中的新建雨污水管道下穿機(jī)動(dòng)車道施工的有限差分法數(shù)值計(jì)算模型，在驗(yàn)證模型計(jì)算正確性的基礎(chǔ)上，分析了路面變形隨頂推力、注漿壓力和管道埋深的變化規(guī)律，確定了最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)值模擬模型建立

商丘某市政改造工程要求新建雨污水管道下穿機(jī)動(dòng)車道，并與原有排水管網(wǎng)連接。為不影響路面交通，新建管道擬采用頂管法進(jìn)行施工，管道材料為Ⅲ級(jí)C50鋼筋混凝土承插口管，埋深為1.8 m，總長(zhǎng)度為34.0 m，設(shè)計(jì)由17節(jié)管節(jié)拼裝而成，每節(jié)管道長(zhǎng)度為2.0 m，管道內(nèi)徑為2.0 m，厚度為0.25 m。為研究頂管施工過(guò)程中路面的變形情況，基于圣維南原理[19-20]，采用FLAC 3D建立頂管施工數(shù)值模擬模型，具體如圖1所示。模型寬度為30 m、長(zhǎng)度為34 m、高度為15 m，由51 695個(gè)節(jié)點(diǎn)和48 960個(gè)單元體組成，邊界條件設(shè)置為底面以及四周均法向位移約束、頂面自由。頂管施工過(guò)程中布置了2處監(jiān)測(cè)觀察斷面，其中橫斷面距工作井10 m，縱斷面穿過(guò)管道中心。

圖1 頂管施工數(shù)值模擬模型Fig.1 Numerical simulation model of pipe jacking construction

1.2 計(jì)算參數(shù)確定

頂管施工影響范圍內(nèi)土層主要為褐黃色粉土，采用摩爾-庫(kù)侖模型進(jìn)行模擬；頂管管節(jié)為鋼筋混凝土材料，采用彈性模型進(jìn)行模擬；注漿加固層為粉土與水泥漿液混合體，采用摩爾-庫(kù)侖模型進(jìn)行模擬，這些材料的參數(shù)取值如表1所示。模擬頂管施工時(shí)，為反映頂管機(jī)頭對(duì)前方土體的支撐作用，對(duì)掌子面施加150 kPa的頂推力；為反映頂管機(jī)與周邊土體的相互摩擦以及注漿壓力作用，在頂管管節(jié)與注漿加固層之間設(shè)置一層接觸面(接觸面剛度設(shè)置為300 MPa，摩擦系數(shù)取0.7)，并對(duì)接觸面位置土體施加7 kPa的切向應(yīng)力和50 kPa的法向應(yīng)力。

表1 不同材料的物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of different materials

1.3 數(shù)值模擬工況設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步研究頂管機(jī)不同施工技術(shù)參數(shù)對(duì)路面變形的影響，本文在實(shí)際工程基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以下不同計(jì)算工況：

(1)不同頂推力。保持其他計(jì)算參數(shù)不變，將頂管機(jī)對(duì)掌子面的頂推力變?yōu)?87.5、112.5 kPa；

(2)不同注漿壓力。保持其他計(jì)算參數(shù)不變，將注漿壓力變?yōu)?2.5、37.5 kPa；

(3)不同管道埋深。保持其他計(jì)算參數(shù)不變，將管道埋深變?yōu)?.8、0.8 m。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.1 頂管施工對(duì)路面變形的影響分析

2.1.1橫斷面位移變化

淺層頂管施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)橫斷面位置處土體的豎向位移變化如圖2所示。

(a)頂進(jìn)10 m

從圖2(a)可以看出，當(dāng)頂管機(jī)靠近橫斷面時(shí)，由于頂管機(jī)前方頂推力的影響，管道周邊2倍洞徑范圍內(nèi)的土體將發(fā)生隆起現(xiàn)象，尤其是靠近頂管機(jī)頂部的位置，其最大隆起值達(dá)到了1.19 mm；由頂管機(jī)頂部位置往左右或上、下2側(cè)，土體隆起值將逐漸減小并最終趨于0。從圖2(b)可以看出，當(dāng)頂管機(jī)剛通過(guò)橫斷面時(shí)，由于頂管機(jī)外徑略大于管道外徑，因此頂管機(jī)通過(guò)后，管道周邊土體將向管道內(nèi)產(chǎn)生明顯的徑向位移，導(dǎo)致橫斷面土體在管道頂部出現(xiàn)最大沉降值1.97 mm；而在管道底部出現(xiàn)最大隆起值4.7 mm。隨著管道外注漿填充以及補(bǔ)強(qiáng)加固作用，橫斷面土體將迅速保持穩(wěn)定，其豎向位移隨著頂管機(jī)遠(yuǎn)離橫斷面變化將不再明顯，具體如圖2(c)所示。而路面變形影響不大，此時(shí)橫斷面位置處路面豎向位移基本為0。當(dāng)頂管機(jī)距橫斷面距離小于4 m時(shí)，隨著頂管機(jī)的向前推進(jìn)，管道中心10 m(約4倍管道外徑)范圍內(nèi)的路面將發(fā)生明顯隆起并呈“單峰”分布，峰值點(diǎn)位于管道中心位置，且頂管機(jī)距橫斷面越近，峰值越大。當(dāng)頂管機(jī)靠近橫斷面時(shí)，其值將達(dá)到0.70 mm；當(dāng)頂管機(jī)通過(guò)橫斷面后，管道中心4 m(約1.6倍管道外徑)范圍內(nèi)的路面將發(fā)生沉降，且距中心越近，其沉降幅度越大，可導(dǎo)致橫斷面位置處路面變形呈現(xiàn)明顯的“雙峰”分布特征，即此時(shí)其最大隆起值出現(xiàn)在管道兩側(cè)距管道中心約4 m的位置，為0.46 mm；最大沉降值則出現(xiàn)在管道中心位置，為-0.01 mm。隨著頂管機(jī)逐漸遠(yuǎn)離橫斷面，橫斷面位置處路面變形分布特征基本保持不變，只不過(guò)其在管道中心處的沉降值將變至-0.10 mm，其在兩側(cè)的最大隆起值則增至0.51 mm。

圖3給出了頂管機(jī)不同頂進(jìn)距離下監(jiān)測(cè)橫斷面處路面的豎向位移變化曲線。當(dāng)頂管機(jī)距橫斷面距離大于4 m時(shí)，頂管機(jī)的向前推進(jìn)對(duì)橫斷面位置處

圖3 頂管施工過(guò)程中橫斷面處路面的豎向位移變化曲線Fig.3 Vertical displacement curves of the road surface at the cross section during pipe jacking construction

2.1.2縱斷面位移變化

淺層頂管施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)縱斷面處土體的豎向位移變化如圖4所示。

由圖4可以看出，在頂管不同頂進(jìn)距離下，監(jiān)測(cè)縱斷面土體的豎向位移變化分布特征大體一致：位于頂管機(jī)后上方的土體發(fā)生沉降，且最大沉降值(約2.1 mm)出現(xiàn)在每節(jié)管節(jié)的頂部位置；位于頂管機(jī)后下方的土體則發(fā)生隆起，其最大隆起值約為4.9 mm，出現(xiàn)在每節(jié)管節(jié)的底部位置；位于頂管機(jī)左上方約4 m范圍的土體將發(fā)生隆起，其隆起值約為1.2 mm，出現(xiàn)在靠近頂管機(jī)機(jī)頭頂部的位置；頂管機(jī)前方10 m范圍外的土體位移則基本保持不變。由此可見，淺部頂管施工對(duì)路面變形的縱向影響范圍主要為頂管機(jī)前方10 m至工作井之間的區(qū)域。

圖5給出了頂管機(jī)不同頂進(jìn)距離下監(jiān)測(cè)縱斷面處路面的豎向位移變化曲線。

圖5 頂管施工過(guò)程中縱斷面處路面的豎向位移變化曲線Fig.5 Vertical displacement curves of road surface at longitudinal section during pipe jacking construction

從圖5可以看出，頂管機(jī)在不同頂進(jìn)距離下，路面沿著管道方向的豎向位移分布特征大體一致：在頂管機(jī)后方，路面變形主要表現(xiàn)為沉降并呈現(xiàn)一定的“凹槽”分布特征，其值在距工作面2 m處最大，為0.55 mm；由最大沉降位置往頂管機(jī)機(jī)頭方向，其沉降值逐漸減小為0；在頂管機(jī)前方，路面變形主要變形為隆起并呈現(xiàn)“單峰”分布特征，其最大隆起值出現(xiàn)在頂管機(jī)前方約2～3 m的位置，接近0.8 mm，由最大隆起位置往前后，路面隆起逐漸減小；當(dāng)與頂管機(jī)機(jī)頭距離達(dá)到10 m以上時(shí)，其值就基本為0。

2.1.3塑性屈服區(qū)

淺層頂管施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)橫橫斷處土體的塑性區(qū)變化如圖6所示。

(a)頂進(jìn)10 m

從圖6可以看出，當(dāng)頂管機(jī)靠近橫斷面時(shí)，橫斷面土體僅在路面以及管道內(nèi)部區(qū)域產(chǎn)生少量的塑性屈服區(qū)；而當(dāng)頂管機(jī)通過(guò)橫斷面后，橫斷面土體將在管道外側(cè)產(chǎn)生1圈厚度約0.3 m的塑性屈服區(qū)，同時(shí)管道上方的塑性區(qū)將貫通至路面，導(dǎo)致路面塑性區(qū)寬度增至6 m；隨著頂管機(jī)逐漸遠(yuǎn)離橫斷面，橫斷面土體在注漿后基本保持穩(wěn)定，其位于管道外側(cè)的塑性區(qū)范圍基本不變，而路面塑性區(qū)則會(huì)向兩側(cè)略微向外擴(kuò)展約0.5～1.0 m。

2.1.4與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比

不同頂進(jìn)距離下路面變形模擬值與監(jiān)測(cè)值的對(duì)比曲線如圖7所示。

(a)縱斷面

由圖7可以看出，頂管機(jī)不同頂進(jìn)距離下，路面變形模擬數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的大小和變化規(guī)律均大體一致：縱斷面上隆起最大值均約為1.0 mm，出現(xiàn)在頂管機(jī)前方約3.0 m的位置，沉降最大值均約為0.5 mm，出現(xiàn)在頂管機(jī)后方距工作面約2.0 m的位置；橫斷面上路面變形影響范圍均約為20 m，在頂管機(jī)靠近時(shí)呈“單峰”分布且隆起最大值約為0.75 mm，而在頂管機(jī)通過(guò)后則呈“雙峰”分布，隆起最大值約為0.50 mm。由此可以說(shuō)明，本文數(shù)值模型與計(jì)算參數(shù)取值是合理的，模擬結(jié)果能夠較為準(zhǔn)確反映淺層頂管施工對(duì)路面變形的影響。

2.2 頂管機(jī)頂推力對(duì)路面變形的影響分析

頂管施工結(jié)束后，不同頂推力下路面的豎向位移分布曲線如圖8所示。

(a)縱斷面

從圖8可以看出，當(dāng)頂推力為設(shè)計(jì)推力(150 kPa)的125%時(shí)，路面在頂管施工后整體表現(xiàn)為隆起，其隆起值在縱斷面上最大為1.1 mm，最小為0.25 mm；而在橫斷面上最大為0.90 mm，中心處為0.52 mm。當(dāng)頂推力為設(shè)計(jì)推力的100%時(shí)，路面在頂管施工后隆沉參半，其隆起值在縱斷面上最大為0.34 mm，在橫斷面上最大為0.46 mm，其沉降值在縱斷面上為0.53 mm，在橫斷面上最大為0.10 mm。當(dāng)頂推力為設(shè)計(jì)推力的75%時(shí)，路面在頂管施工后整體表現(xiàn)為沉降，其沉降值在縱斷面上最大為1.60 mm，最小為-0.63 mm；而在橫斷面上最大為0.48 mm，最小為0.28 mm。由此可以說(shuō)明，淺層頂管施工中，頂管機(jī)頂推力不能太大，也不能太小，否則將導(dǎo)致路面隆起或沉降過(guò)大。對(duì)本文工程而言，頂管機(jī)頂推力取150 kPa左右較為適宜。

2.3 注漿壓力對(duì)路面變形的影響分析

頂管施工結(jié)束后，不同注漿壓力下路面的豎向位移分布曲線如圖9所示。

(a) 縱斷面

從圖9可以看出，當(dāng)注漿壓力為設(shè)計(jì)壓力(50 kPa)的75%時(shí)，縱斷面上路面最大沉降為0.69 mm，最大隆起則為0.15 mm；橫斷面上中心處沉降為0.33 mm，最大隆起則為0.45 mm。當(dāng)注漿壓力為設(shè)計(jì)壓力的125%時(shí)，縱斷面上路面最大沉降為0.15 mm，最大隆起則為0.50 mm；橫斷面上中心處隆起為0.10 mm，最大隆起則為0.59 mm。由此可見，注漿壓力的增大可以明顯減小路面的沉降；但是注漿壓力也不宜過(guò)大，否則會(huì)導(dǎo)致路面發(fā)生過(guò)大隆起。由本文計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)注漿壓力為50 kPa左右時(shí)，路面差異變形相對(duì)較小，有利于行車安全。

2.4 管道埋深對(duì)路面變形的影響分析

不同管道埋深下，當(dāng)頂管施工結(jié)束后路面的豎向位移分布曲線如圖10所示。

(a)縱斷面

從圖10可以看出，當(dāng)管道深埋為0.8 m時(shí)，路面整體表現(xiàn)為隆起，其隆起值最大達(dá)到1.06 mm；而當(dāng)管道埋深為2.8 m時(shí)，路面整體表現(xiàn)為沉降，其沉降最大值為1.90 mm。這表明在相同施工參數(shù)條件下，隨著管道埋深的增加，路面沉降值將呈非線性快速增長(zhǎng)。因此，對(duì)于埋深不同的管道，應(yīng)采用不同的頂管施工參數(shù)，而這個(gè)參數(shù)值需根據(jù)工程水文地質(zhì)條件以及管道的具體設(shè)計(jì)參數(shù)而定，并在可能的情況下，設(shè)計(jì)一個(gè)試驗(yàn)段。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以商丘某市政改造工程新建雨污水管道下穿機(jī)動(dòng)車道工程為背景，采用FLAC3D建立了頂管施工數(shù)值模擬模型，分析了頂管施工、頂管機(jī)頂推力、注漿壓力和管道埋深對(duì)路面變形的影響，主要結(jié)論：

(1)數(shù)值模擬和實(shí)際監(jiān)測(cè)的路面變形曲線呈現(xiàn)出了大體一致的變化規(guī)律，最大變形量出現(xiàn)位置和數(shù)值基本相同，這表明本文數(shù)值模型與計(jì)算參數(shù)取值是合理的；

(2)當(dāng)頂管施工小于等于8 m時(shí)，橫斷面的路面沉降呈現(xiàn)“單峰”分布；大于8 m時(shí)，呈“雙峰”分布；路面的最大沉降值隨施工距離的增大而增大，影響范圍約為10 m；

(3)對(duì)比分析了頂推力分別為112.5、150.0和187.5 kPa，以及注漿壓力分別為37.5、50.0和62.5 kPa時(shí)，管道埋深分別為0.8、1.8和2.8 m時(shí)路面的豎向位移分布規(guī)律。結(jié)果表明：采用150.0 kPa頂推力、50.0 kPa注漿壓力和1.8 m管道埋深的路面變形量最小。