有限元軟件分析不同頂管的埋深對(duì)周圍土體的影響

程曼 CHENG Man；凌春 LING Chun；呂品 LV Pin；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(kāi)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)用于地下工程的主要設(shè)備之一，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。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(guò)大，地層較大的移動(dòng)將引起鄰近建筑物的變形，影響其使用。在頂管法的施工中，必須要減小對(duì)土體的擾動(dòng)。因此，探究不同埋深在施工過(guò)程中土體的擾動(dòng)規(guī)律，對(duì)于促進(jìn)地下工程的建設(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，頂管段管道埋深一般約12m。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報(bào)告可知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(jiàn)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(guò)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 所示。

表1 土體物理力學(xué)性能參數(shù)

2 頂管施工

依據(jù)設(shè)計(jì)采用泥水平衡頂管法施工。頂管法施工是一種采用不開(kāi)挖地表的方式，先在施工段兩端挖好工作井，再把各個(gè)管節(jié)利用頂管機(jī)穿越土層送到預(yù)定位置，達(dá)到施工設(shè)計(jì)的要求。施工過(guò)程主要分為以下幾個(gè)步驟：第一步，施工準(zhǔn)備。該過(guò)程包括測(cè)量放線、初始導(dǎo)管安裝以及后靠鋼板安裝等內(nèi)容。第二步，頂管機(jī)就位。該過(guò)程包括破除門洞和安裝測(cè)量裝置并測(cè)試。第三步，頂管始發(fā)。該過(guò)程包括千斤頂頂進(jìn)、刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)和泥漿輸送運(yùn)轉(zhuǎn)。第四步，管節(jié)拼接。該過(guò)程包括拼接檢查、頂鐵、減阻泥漿裝卸。第五步，管節(jié)頂進(jìn)。該過(guò)程包括頂管糾偏和減阻泥漿輸送。第六步，頂管接收。該過(guò)程包括接收導(dǎo)軌安裝、破除門洞和取回掘進(jìn)機(jī)。施工工藝流程如圖1 所示。

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為兩點(diǎn)：①土體應(yīng)力擾動(dòng)；②地層損失。

應(yīng)力使來(lái)自頂進(jìn)過(guò)程中機(jī)頭頂推力、剪切力以及管道與土體的摩檫力等組成。地層損失是引起土體變形的主要因素，有常規(guī)損失和非常規(guī)損失。常規(guī)損失是我們?cè)谑┕み^(guò)程中不可避免的損失，不常規(guī)是由于我們的技術(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(wèn)題。

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(kāi)挖土的過(guò)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(guò)大過(guò)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。所以分析不同頂管埋深對(duì)周圍土體的影響，是為了使工程順利進(jìn)行。

4 數(shù)值模型建立及分析方案

在數(shù)值計(jì)算中，考慮了土體自重應(yīng)力對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，并且模擬了總長(zhǎng)為40m 的頂管施工過(guò)程。具體來(lái)說(shuō)，首先進(jìn)行2m 的裝配，然后進(jìn)行十九個(gè)環(huán)節(jié)的頂進(jìn)，共頂進(jìn)38m。在這個(gè)過(guò)程中，考慮了泥漿層對(duì)土體的弱化作用，并通過(guò)追蹤單元法實(shí)現(xiàn)了弱化土層的處理。將初始模型設(shè)置了管土摩擦系數(shù)為0.3。整個(gè)模擬過(guò)程如下。

①平衡初始地應(yīng)力，模擬施工之前的土體狀態(tài)。為了使土體處于施工前的自然狀態(tài)，在模型中施加與土體重力相對(duì)的初始應(yīng)力場(chǎng)。這樣可以使土體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，從而確保最大變形控制在10-6m 以內(nèi)，如圖2 所示。

圖2 初始地應(yīng)力平衡

②先將頂管的前2m 裝配入土中，每次頂進(jìn)2m 為一步，模擬過(guò)程中，頂管機(jī)穿過(guò)土層，施加壓力，土層會(huì)有相應(yīng)的變形。在后續(xù)接下來(lái)的分析中，將僅考慮土體變形在y=0 處的情況。

5 不同頂管埋深的土體變形分析

頂管在施工的過(guò)程中，土體變形的影響因素有很多種，其中管道埋深是重要的因素之一。為有效分析出頂管管道在不同埋深位置處對(duì)頂管上方地面變形的影響，基于施工現(xiàn)場(chǎng)的勘察資料，在相同條件下，利用有限元分析軟件模擬管道埋深6m 的頂管施工過(guò)程，形成的位移云圖，如圖3。數(shù)值模擬形成的數(shù)據(jù)繪制不同埋深下的地面沉降圖，如圖4。

圖3 埋深6 米位移云圖

圖4 頂管橫斷面方向地表變形圖

從圖3 分析可以得出，在頂管施工過(guò)程中，頂管的埋深不同對(duì)頂管上方的土體影響也會(huì)有所不同。從圖中可以看出，管道上方土體的沉降值與頂管管道的埋深呈反比例關(guān)系，土體的變形機(jī)制沒(méi)有發(fā)生改變，地表的最大沉降值位于頂管正上方，其余沉降值往管道兩側(cè)逐漸遞減。由圖4 可得，頂管的管道埋深為4m 時(shí)，管道正上方的沉降值約為8.68mm；頂管的管道埋深為6m 時(shí)，管道正上方的沉降值約為1.041cm；頂管的管道埋深為8m 時(shí)，管道正上方的沉降值為1.34cm。根據(jù)上面的分析可得出，該地表的沉降與頂管管道埋深呈反比例關(guān)系。這是由于頂管在穿越不同位置時(shí)，淤泥質(zhì)土具有壓縮性高、滲透性較小等特點(diǎn)，因此沉降相較于其他土質(zhì)，沉降較大。頂管對(duì)淤泥質(zhì)土的擾動(dòng)性與埋深存在正比關(guān)系，因此管道埋深越深，越易被擾動(dòng)，從而導(dǎo)致地面沉降越大。

在施工過(guò)程中，頂管的管道埋深對(duì)地表的變形產(chǎn)生重要的影響。通過(guò)本文建立的有限元數(shù)值模型，條件相同，模擬出不同埋深條件下的地面位移值，并分析得出其對(duì)地面變形的影響。研究發(fā)現(xiàn)，管道埋深越大，對(duì)地表沉降值的影響就越大。然而，無(wú)論管道埋深深淺，土體變形規(guī)律都是一致的。

6 結(jié)語(yǔ)

本文分析了不同頂管埋深對(duì)周圍土體的影響，在工程實(shí)際工程當(dāng)中，若管道埋深較淺，控制施工引起的地面變形就顯得尤為重要。較淺的管道埋深會(huì)增加隆起和沉降的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要嚴(yán)格控制施工頂力和糾偏力。此外，在頂進(jìn)過(guò)程中工具管的導(dǎo)向力也會(huì)受到影響，容易導(dǎo)致軸線偏移和土體損失，進(jìn)而導(dǎo)致地面沉降。因此頂管施工中應(yīng)合理設(shè)計(jì)管道埋深，以控制地面變形并確保工程施工質(zhì)量。