軟土地區(qū)鋼頂管施工引起的地表變形規(guī)律

李江

摘 要：為研究軟土地區(qū)鋼頂管施工引起的地表變形規(guī)律，以東莞某輸水工程為背景，分別采用預(yù)測公式、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的方法對頂進過程中引起的地表變形進行了計算和監(jiān)測，以期得到頂進過程中縱、橫方向的地表變形規(guī)律。首先推導(dǎo)出了基于頂進間隙的地表變形預(yù)測公式并計算出頂管施工可能產(chǎn)生的最大豎向位移為14.1 mm，此變形量在規(guī)范允許路面沉降范圍內(nèi)（≤20.0 mm），無須進行土體加固等措施；然后采用數(shù)值模擬的方法建立有限元模型對頂進導(dǎo)致的地表變形進行了計算，并就減輕地表變形的方法進行了討論；最后與現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果進行了對比分析。結(jié)果表明：3種方法得到的變形曲線形狀除了頂管軸線處地表峰值位移（數(shù)值模擬數(shù)值為13.7 mm，現(xiàn)場監(jiān)測為15.2 mm）有稍許差異外，整體基本一致；頂管頂進時，橫向監(jiān)測斷面的沉降槽呈“V”形，最大沉降值在頂管中心軸線處，隨著距離中心軸線越遠，沉降值越小，最后趨于0；縱向監(jiān)測斷面呈倒“S”形，大致可分為頂進前土體的隆起，頂進中土體的沉降，頂進后土體輕微回隆，頂進后土體穩(wěn)定4個階段；在頂管施工前可以對地表變形進行預(yù)測和數(shù)值模擬計算，結(jié)合預(yù)測和模擬計算的結(jié)果，通過合理的設(shè)置頂推力、注漿壓力以及必要的土層加固來控制土體的變形。提出的預(yù)測公式具有概念清晰、可操作性強的特點，在軟土地區(qū)適應(yīng)性好，后續(xù)類似工程可以采用。研究成果可為軟土地區(qū)類似頂管工程施工誘發(fā)的地面沉降進行預(yù)測及變形控制提供科學(xué)參考。

關(guān)鍵詞：鋼頂管；地表變形；預(yù)測公式；數(shù)值模擬；現(xiàn)場監(jiān)測；頂進間隙

中圖分類號：TU 991

文獻標(biāo)志碼：

A

文章編號：1672-9315（2023）06-1149

-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0613開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Ground deformation law of steel pipe jacking

construction in soft soils

LI Jiang

（China Railway 19th Bureau Group Rail Transit Engineering Co.，Ltd.，Beijing 101300，China）

Abstract：

In order to study the ground deformation law caused by steel pipe jacking construction in soft soil area，prediction formula，a water conveyance project in Dongguan was taken as the background，and numerical simulation and field monitoring methods were adopted to calculate and monitor the ground deformation caused by the jacking process，so as to obtain the vertical and horizontal ground deformation law during the jacking process.Firstly，the ground deformation prediction formula was deduced to consider the jacking clearance，and then the maximum vertical displacement 14.1 mm generated by pipe jacking construction was calculated.This deformation is within the allowable range of road settlement specification（≤20.0 mm），and there is no need to take measures such as soil reinforcement.Secondly，the finite element model was established by numerical simulation to calculate the ground deformation caused by the jacking，and the method to reduce the ground deformation was discussed.Lastly，the results from the above three methods were compared with those of field monitoring.The final results show that the shape of deformation curves obtained by the three methods is basically the same，except that the ground peak displacement at the pipe jacking axis（13.7 mm in numerical simulation and 15.2 mm in field monitoring）is slightly different.When the pipe jacking is carried out，the sedimentation tank of the transverse monitoring section is V-shaped，and the maximum settlement value is at the central axis of the pipe jacking.As the distance from the central axis increases，the settlement value decreases and eventually approaches 0.The longitudinal monitoring section shows an inverted “S” shape，which can be roughly divided into four stages：uplift of soil before jacking，settlement of soil in jacking，slight uplift of soil after jacking and stability of soil after jacking.Before pipe jacking construction，how to get the ground deformation is very necessary.Combined with the results of prediction and simulation，the soil deformation is controlled by setting the top thrust，grouting pressure and necessary soil reinforcement.The prediction formula presented in this paper has the characteristics of clear concept and strong operability，has good applicability in soft soil areas and can be used in similar projects in the future.The research results in this paper can provide scientific reference for ground settlement prediction and deformation control induced by similar pipe jacking projects in soft soil areas.

Key words：steel pipe jacking construction；ground deformation；prediction formula；numerical simulation；field monitoring；jacking clearance

0 引 言

頂管法是穿越公路、鐵路、江河等不便于明挖區(qū)域管道施工常用的一種方法，具有開挖面積小、對地面交通及周邊建筑物影響小等顯著特點［1-2］。頂進過程中對管體周圍土體會產(chǎn)生擾動進而引起地面變形，過大的變形會影響地面交通或?qū)е陆ㄖ锍两怠Ｒ虼隧敼苁┕で靶鑼ζ淇赡軐?dǎo)致的地面變形進行預(yù)測，并根據(jù)變形量值對周邊環(huán)境的影響程度采取有針對性的舉措如土體注漿加固等［1-2］，這也是保證地下工程安全高效施工的必要前提。目前，中外學(xué)者關(guān)于頂管施工引起地面變形的問題研究比較多，如Peck假定土體水分不流失且均勻連續(xù)，土體損失的體積和沉降槽大小則是一致的，進而提出了基于土體損失理論的Peck公式，其常作為施工前的參考預(yù)測公式［3］；Sagaseta［4］進一步假定土體損失體積為圓柱體并進行同量徑向移動，提出了Sagaseta公式來計算由土體損失引起的土體沉降值；魏綱利用Mindlin［8］公式推導(dǎo)修正了由頂管頂推力和摩阻力引起的地面變形公式，來進一步研究頂管施工過程中引起的地面沉降問題［5-7］;許有俊運用Mindlin彈性理論、隨機介質(zhì)理論、分層總和法分別對頂管施工中土體應(yīng)力變化狀態(tài)、地層損失、注漿填充和失水固結(jié)等方面進行了較為詳盡的理論計算［9］；唐智偉等推導(dǎo)了由注漿引起的地面變形公式，并通過FLAC3D模擬了注漿引起的地面沉降［10］；張艷林等通過FLAC3D建立三維模型來模擬施工過程地表沉降規(guī)律，并與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比［11］。前述研究為探究頂管施工引起的地表變形提供了良好的理論基礎(chǔ)和研究方法，但也都有顯著的不足，如計算理論過于繁雜不便于實施、計算方法經(jīng)驗系數(shù)過多以致缺乏可操作性等［12-23］。因此有必要提出一種概念清晰、計算簡便的方法對鋼頂管施工可能產(chǎn)生的地面變形進行預(yù)測。以廣東東莞某自來水廠鋼頂管施工的引水工程為背景，在先期采用考慮頂進間隙的地表變形預(yù)測公式對施工中可能引起的土體變形進行預(yù)測后，和后期數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果進行對比，研究分析其沉降規(guī)律并提出減輕地面變形的有效方法，以期為后續(xù)類似工程提供合理的參考。

1 工程背景

東莞某引水工程，設(shè)計輸水管線全長約9 950 m，

共有16個標(biāo)段組成，主要采用頂管暗挖法施工。管材采用Q235鋼，管徑為2 800 mm，壁厚為28 mm，單節(jié)管長3.0 m。選取第10標(biāo)段（10#～11#井間）進行分析研究，其中10#井為工作井，11#井為接收井，此段管線管頂埋深約為7.3 m，全長約870 m。該段地下30 m范圍內(nèi)自上而下分別為人工填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、細砂、淤泥質(zhì)土、中粗砂和強風(fēng)化泥巖，根據(jù)巖土勘察資料及室內(nèi)土工試驗結(jié)果，各地層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

3 地表變形的數(shù)值計算

3.1 主要假定數(shù)值計算時主要考慮以下假定：

1）不考慮施工前的土體變形；2）不考慮土體沉降的時間效應(yīng)；

3）土層均勻分布，且同一土層參數(shù)相同，土體不發(fā)生固結(jié)，注漿只作為潤滑填充但不考慮其對土體的加固作用；4）頂推力均勻分布于開挖單元面；

5）頂進時土倉壓力和注漿壓力保持恒定。

3.2 計算模型為最大限度減少邊界對管道及臨近建筑的影響，綜合考慮街道及房屋寬度等環(huán)境因素后，確定模型尺寸為80 m×60 m×30 m（長（X）×寬（Y）×高（Z）），其中寬（Y）的正方向為模擬頂進方向。在選取材料單元屬性時，土層、注漿層采用理想彈塑性實體單元，摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則；管段及建筑物樓板采用彈性板單元；建筑物的梁柱采用彈性梁單元。

3.3 計算參數(shù)與邊界條件

計算段地層的物理力學(xué)參數(shù)見表1，管段、注漿層和地表建筑物的計算參數(shù)見表3。頂進過程中，掌子面承受0.08 MPa的水土壓力，管片周圍承受0.10 MPa的注漿壓力。

計算模型四周表面施加法向位移約束，底部施加固定邊界，地表和掌子面為自由邊界。根據(jù)以上條件建立了如圖4所示的MIDAS/GTS數(shù)值計算模型。

3.4 計算結(jié)果

3.4.1 土體橫向變形圖5所示為第30監(jiān)測斷面數(shù)值模擬計算到的頂進不同距離后的地表橫向變形。

從圖5可以看出，地面土體橫向沉降呈“V”形，頂管軸線正上方沉降量最大，向兩邊逐漸減小并最終趨于0；頂管機頂進過程中，工作面上方地表產(chǎn)生豎向沉降，最大沉降量為7.4 mm；隨著向前逐漸推進，土體沉降量開始增大，在工作面后方3 m處沉降量為10.1 mm；在工作面后方6 m處沉降量達到12.6 mm，這是因為管節(jié)與頂管機存在直徑差，雖及時注漿填補，且鈍化了頂推力，但沉降值仍發(fā)生突變，使得沉降量快速增大；在工作面后方9，12，15 m處，沉降值分別為13.1，13.3，13.7 mm，沉降值增量逐漸減小，并趨于穩(wěn)定，土體橫向影響范圍約為管徑長度大小的3倍。

3.4.2 土體縱向變形圖6所示為第30監(jiān)測斷面數(shù)值模擬計算得到的頂管中心軸線處縱向沉降。

圖6中，“0”點表示頂管機頭所在的位置，刻度表示鋼頂管機距監(jiān)測斷面的距離，橫坐標(biāo)正方向為鋼頂管開挖面的前方，負方向為鋼頂管開挖面的后方；縱坐標(biāo)正方向為土體隆起值，負方向為土體沉降值。從圖6可以看出，頂進過程中，地面土體縱向呈倒“S”形，頂管頂進時的土體變形大致可分為以下4個階段。第1階段，頂進前土體的隆起。這一階段發(fā)生在0～15 m處，監(jiān)測斷面最大隆起值在5.0 m處達到最大，約為3.2 mm；隨著頂進距離的增大，地面隆起值逐漸減小，最終趨于零。這是由于頂管機機頭的正面頂推力大于前方土體的被動土壓力，使得前方土體受到擠壓變形。第2階段，頂進中土體的沉降。這一階段發(fā)生在-5～0 m處，監(jiān)測斷面最大沉降值發(fā)生在-3 m處，原因為頂管機在頂進過程中對周圍土體產(chǎn)生了擾動；頂管機直徑略大于頂管，使頂管與土體之間產(chǎn)生空隙，從而導(dǎo)致土體產(chǎn)生沉降。第3階段，頂進后土體輕微回隆。這一階段發(fā)生在-6～-3 m處。原因是頂管施工過程中的同步注漿，

對頂管周圍土體產(chǎn)生了擠壓，因此在該階段會產(chǎn)生土體沉降后的輕微回隆。第4階段，頂進后土體穩(wěn)定。這一階段也是最主要的階段，發(fā)生在-15～-6 m處。原因為頂管機對土體的擾動越來越小，且漿液與土體開始固結(jié)和二次固結(jié)，使得土體產(chǎn)生輕微沉降并開始趨于穩(wěn)定。

3.4.3 臨近建筑物變形

頂管上部道路寬約20 m，兩側(cè)存在6層的框架結(jié)構(gòu)建筑物。頂管地表中心距北側(cè)建筑物最近距離約7 m，在沉降槽寬度（約10 m）范圍內(nèi)，因此對建筑物有一定影響；其南側(cè)建筑物最近距離約13 m，不在沉降槽寬度范圍內(nèi)，因此對其影響可忽略不計。圖7為頂管施工完成后北側(cè)建筑物變形云圖。

建筑物遠離施工軸線的一側(cè)顏色為紅色，幾乎無沉降；靠近軸線的一側(cè)為藍色，沉降量較大，建筑物整體向頂管施工側(cè)發(fā)生傾斜，圖7所示該建筑物的最大沉降量為5.4 mm，遠小于建筑物的允許最大沉降量（建筑物高度的1/1 000）。因此頂進施工不會對建筑物造成較大影響。

3.5 影響地表變形的主要因素

3.5.1 頂推力為分析頂推力對地表變形的影響，在原模型的基礎(chǔ)上僅改變頂推力數(shù)值的大小，以原頂推力P為基準(zhǔn)，分別改用1.0P、1.5P、2.0P進行數(shù)值計算，得到不同頂推力作用下地表橫向變形圖，如圖8所示。從圖8可以看出，2倍頂推力時地面最大沉降值為19.8 mm，1.5倍頂推力時地面最大沉降值為15.9 mm，分別是原頂推力作用下土體變形13.7 mm的1.44倍、1.16倍。據(jù)此看出，頂推力增大，可以加快頂進速度，但也會使得土體沉降量增加；反之，頂推力減小，土體沉降值減小，但會導(dǎo)致施工速度減緩，影響施工效率，進而影響工期。

3.5.2 注漿壓力為分析注漿壓力對土體變形的影響，在原數(shù)值模型的基礎(chǔ)上改變注漿壓力數(shù)值的大小，以實際注漿壓力P0=0.1 MPa為基準(zhǔn)，分別用P0、3P0、5P0的注漿壓力進行模擬計算，得到不同注漿壓力作用下地表橫向變形圖，如圖9所示。

從圖9可以看出，0.1，0.3，0.5 MPa時地面最大沉降值分別為13.7，13.0，12.7 mm，變化量分別為0.7，0.3 mm，這表明隨著注漿壓力逐漸增大，土體沉降值絕對值及變化量均在逐漸減小，也即當(dāng)注漿壓力達到一定數(shù)值時，繼續(xù)增大注漿壓力對土體最終沉降值不會再產(chǎn)生影響。頂管工程中，注漿壓力過小會導(dǎo)致漿液密實度不夠，最終使土體沉降量增加；注漿壓力過大，雖可減小土體沉降，但也會對周圍土體產(chǎn)生較大影響甚至?xí)霈F(xiàn)爆漿現(xiàn)象。因此合理地選擇注漿壓力對頂管施工具有十分重要的意義。

3.5.3 土體彈性模量

對可能產(chǎn)生過大變形的區(qū)域，頂管施工前需要對土體進行必要的注漿加固，也即改變了地層的彈性模量。在原模型的基礎(chǔ)上改變彈性模量數(shù)值的大小，以土層原始彈性模量E為參考值，分別用1.0E、1.5E、2.0E進行計算，得到不同彈性模量下地表的橫向變形圖，如圖10所示。

從圖10可以看出，土體彈性模量增大到原值的1.5倍、2.0倍以后，地表豎向位移分別為10.5，9.8 mm，相當(dāng)于原豎向位移13.7 mm的77%和72%，呈非線性變化，由此可知土體已經(jīng)進入了塑性狀態(tài)。頂管工程中，土體彈性模量對地表的最終變形影響很大。具體工程需根據(jù)不同的土質(zhì)條件選擇合理的施工方案，尤其是軟土地區(qū)，土體彈性模量很小，抵抗變形能力較弱，對此種地層需采取必要的土體加固措施后方可施工，這樣才能有效降低頂管施工對地表變形產(chǎn)生的不利影響。

4 地表變形的監(jiān)測結(jié)果及對比分析

4.1 監(jiān)測結(jié)果選取第29、30、31、32監(jiān)測斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制橫向地表變形曲線，如圖11所示。

從圖11可以看出，監(jiān)測斷面折線圖呈“V”型且相互交錯，整體變化趨勢基本相同；最大沉降量均發(fā)生在頂管軸線正上方，且隨著兩側(cè)遠離頂管中心，沉降變化量逐漸減小，沉降速率由快變緩。第29、30監(jiān)測斷面左側(cè)9m處的位移量明顯小于第31、32監(jiān)測斷面的數(shù)值，這是由頂管軸線左側(cè)為道路主干道，施工期間有車輛等地面交通荷載所導(dǎo)致。

4.2 對比分析頂管施工對地面產(chǎn)生的不利影響主要集中在橫向監(jiān)測斷面，為檢驗前述提出的地表變形預(yù)測公式及數(shù)值模擬的可靠性，以現(xiàn)場監(jiān)測的第30斷面豎向位移為基礎(chǔ)，將3種方法所得的結(jié)果進行對比分析，得到如圖12所示的頂管軸線的橫向地表變形結(jié)果對比。

從圖12可以看出，預(yù)測公式、數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測的土體變形整體變化規(guī)律基本一致，圖形大致呈“V”形；在影響范圍上，預(yù)測公式的變形范圍約為5倍管徑，大于數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測的3倍管徑；在最大沉降量方面，預(yù)測公式、數(shù)值模擬所得的14.1，13.7 mm與現(xiàn)場監(jiān)測的15.2 mm相比，誤差較小，且監(jiān)測數(shù)據(jù)15.2 mm略大于理論計算與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，但也不超過20.0 mm，在工程允許的變形范圍之內(nèi)?？傮w來看，所提出的基于頂進間隙的預(yù)測公式具有概念清晰、可操作性強的特點，可以較好地對軟土地區(qū)頂進施工產(chǎn)生的土體變形進行預(yù)測，但該公式未能考慮到地面的荷載作用，其預(yù)測結(jié)果可能會偏?。粩?shù)值模擬的方法能有助于考慮地層因素和頂進過程中的頂推力、注漿壓力等參數(shù)，可以更精確地模擬頂進施工全過程的地表及周邊建筑物的變形，且能根據(jù)需要選擇合適的監(jiān)測斷面進行分析，效果較好，但其前期建模和計算需要較好的理論基礎(chǔ)。因此預(yù)測公式與數(shù)值模擬在頂管施工中均具有較高的參考價值，在實際施工過程中，可以根據(jù)需要選擇相對合適的方式。整個引水工程的頂管施工已完成并投入使

用，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明地面沉降在允許的范圍內(nèi)。

5 結(jié) 論

1）基于頂進間隙的預(yù)測公式得到的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場監(jiān)測得到的地表橫向變形結(jié)果基本相符，可以較好地反映地表變形規(guī)律，且所需參數(shù)少，可為后續(xù)類似工程參考。

2）頂管頂進時，橫向監(jiān)測斷面的沉降槽成“V”形，最大沉降值在頂管中心軸線處，隨著距離中心軸線越遠，沉降值越小，最后趨于0。

3）頂管頂進時，地表縱向變形大致可分為頂進前的隆起、頂進中的土體沉降、頂進后的土體輕微回隆和頂進后的土體穩(wěn)定4個階段。

4）頂管法施工過程中，合理的頂推力、注漿壓力和必要的土體補強可有效控制地表的變形。

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