軟土地區(qū)頂管施工對(duì)道路沉降變形的影響分析

【摘 " "要】：為了研究軟土地區(qū)頂管下穿施工過(guò)程主要控制因素對(duì)路面沉降變形影響規(guī)律，以廣東省某軟土地區(qū)頂管項(xiàng)目為背景，采用Peck公式法對(duì)地面沉降進(jìn)行了理論計(jì)算，通過(guò)大型有限元軟件Plaxis3D對(duì)頂管過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。模擬計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，最終得出頂管埋深（H）和頂管管徑（D）對(duì)路面沉降的影響規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】：軟土；頂管工程；路面沉降

【中圖分類(lèi)號(hào)】：TU990.3 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號(hào)】：1008-3197（2024）05-32-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.05.009

Analysis of the Influence of Pipe Jacking Construction on Road Settlement

Deformation in Soft Soil Area

LI Guangming ， KANG Hao ，LIAO Chunhua，LI Shengxu ， WANG Shunxi

（Tianjin Municipal Engineering Design amp; Research Institute Co.Ltd.，Tianjin 300392，China）

【Abstract】： In order to study the influence of the main control factors on the settlement and deformation of the pavement in the construction process of pipe jacking in soft soil area， this paper uses the Peck formula method to calculate the ground settlement based on the pipe jacking project in a soft soil area of Guangdong Province and uses the finite element analysis software Plaxis3D to simulate the pipe jacking process. The simulation results are basically consistent with the theoretical calculation and monitoring data and finally the paper obtaines the influence rule of pipe jacking depth （ H ） and pipe jacking diameter （ D ） on pavement settlement.

【Key words】： soft soil;pipe jacking project; road surface settlement

頂管施工在管道下穿城市道路的過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用。和明挖法相比，頂管施工對(duì)周邊環(huán)境的影響大大降低；但頂管施工過(guò)程中的土體損失不可避免地導(dǎo)致工后地面沉降變形，特別是在軟土地區(qū)，頂管設(shè)計(jì)或者施工不合理時(shí)，有可能對(duì)地面產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而破壞路面層，嚴(yán)重的可能發(fā)生路面塌陷等事故[1]；因此研究頂管引起的地面沉降變形非常必要[2～3]。

本文依托廣東軟土地區(qū)的某頂管下穿道路工程，分析頂管下穿道路工程中的主要控制因素，采用Peck經(jīng)驗(yàn)公式和有限元分析軟件Plaxis3D，分析影響地表沉降的各因素，總結(jié)每種因素的影響規(guī)律，用于指導(dǎo)實(shí)際工程。

1 工程概況及地質(zhì)水文條件

1.1 工程概況

廣東軟土地區(qū)的某污水管網(wǎng)工程包含污水干管、次支管網(wǎng)、截污干管等構(gòu)筑物。新建管網(wǎng)長(zhǎng)度約77.59 km，主要采用頂管法施工。項(xiàng)目地處珠三角，三面臨江，場(chǎng)地內(nèi)部廣泛發(fā)育有淤泥質(zhì)土和淤泥。

選取一個(gè)具有典型代表性的工點(diǎn)研究頂管下穿對(duì)地表變形的影響規(guī)律，工點(diǎn)頂管內(nèi)徑DN800 mm，材質(zhì)為鋼筋混凝土，套管外徑為960 mm。頂管的套管埋深為4.95 m。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

1.2.1 工程地質(zhì)條件

場(chǎng)地發(fā)育的軟土層為②3淤泥、②4淤泥質(zhì)土及②52淤泥質(zhì)土，該層分布較廣，含水量較高，孔隙比較大、同時(shí)具備壓縮性高、強(qiáng)度低的特點(diǎn)，力學(xué)性質(zhì)較差。見(jiàn)表1。

1.2.2 水文地質(zhì)條件

工程地處珠江流域中下游的河網(wǎng)區(qū)，地勢(shì)平坦，水系較為發(fā)育，有東海水道、西江、海州水道等。項(xiàng)目所在位置河涌密布，河涌一般寬3～15 m、水深0.3～2.0 m，各條河涌交錯(cuò)分布，受潮汐影響，主要接收東海水道、西江、海州水道的補(bǔ)給和排泄。

場(chǎng)地內(nèi)地下水主要為第四系地層中的孔隙水，主要賦存于人工填土層、淤泥質(zhì)粉砂、粉細(xì)砂、中粗砂層，屬中～強(qiáng)透水層，接受大氣降水及地下水、河水側(cè)向補(bǔ)給。

2 頂管下穿引起的路面沉降分析

2.1 經(jīng)驗(yàn)公式分析方法

地面變形計(jì)算方法有4種：經(jīng)驗(yàn)公式法、理論法、數(shù)值法和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析法[4]。PeckR B [5]最早提出了頂管施工中由于土體損失導(dǎo)致地面沉降的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式?？紤]土體的體積是一個(gè)定值，推導(dǎo)了頂管上方地面沉降的相關(guān)計(jì)算公式，Peck法非常簡(jiǎn)單，其曲線的形狀能夠很好的反映頂管施工后的地表的沉降變形趨勢(shì)。

[S（x）=Smaxexp（-x22i2）Smax=Vloss （i2π）=0.313VLD2i] （1）

式中：[S（x）]為頂管上方某點(diǎn)沉降量，m；x為分析點(diǎn)和頂管中心軸線的距離，m；[Smax]為頂管軸線上方的最大地面沉降量，m；[Vloss]為頂管單位長(zhǎng)度的土體損失量，可根據(jù)土體損失率進(jìn)行計(jì)算；i為地面沉降槽寬度系數(shù)，m；D為頂管外徑，m；[VL]為土體損失率，%。

Peck公式提出后，劉建航等[6]、Loganathan等[7]對(duì)沉降槽寬度系數(shù)進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的計(jì)算公式。為了綜合考慮其影響，本文采用兩公式計(jì)算平均值計(jì)算沉降槽系數(shù)。

[i=h2πtan45°-φ/2i=1.15Rh 2R0.9] （2）

式中：h為地面至頂管軸線的距離，m；[φ]為頂管掘進(jìn)位置的土層內(nèi)摩擦角，（°）；R為開(kāi)挖頂管半徑，m。

2.2 有限元分析方法

由于實(shí)際工程中地層的復(fù)雜性，采用有限元模型對(duì)頂管施工過(guò)程的地面沉降進(jìn)行模擬非常必要，選用Plaxis3D對(duì)地表的沉降進(jìn)行分析。

2.2.1 基本假定

為突出主要因素，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，考慮以下假定條件：

1）不考慮時(shí)間影響，即忽略土體的蠕變與固結(jié)影響；

2）頂進(jìn)過(guò)程中，頂管的軸向不存在偏轉(zhuǎn)，為直線頂進(jìn)；

3）認(rèn)為各土層的土質(zhì)均勻，每層土各向同性，結(jié)構(gòu)體的變形、受力均在彈性范圍內(nèi)。

2.2.2 數(shù)值模擬方法

將頂管套管與土體之間的泥漿層假定為均勻厚度等代層，泥漿等代層為均一的線彈性材料，代替頂管周邊的泥漿套[8]。見(jiàn)圖1。

2.2.3 有限元模型的參數(shù)

模型邊界條件：模型頂面為自由面，無(wú)約束；模型底面的節(jié)點(diǎn)施加每個(gè)方向的約束，模型四個(gè)側(cè)面只施加法向約束。

采用三維實(shí)體單元，HS-Small本構(gòu)模型。土體參數(shù)來(lái)自工程地質(zhì)勘察報(bào)告和工程經(jīng)驗(yàn)取值。見(jiàn)表2。

頂管套管參數(shù)：?jiǎn)卧?lèi)型考慮為板單元，線彈性材料，其中混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，彈性模量Ec=34.5 GPa，重度γ=25 kN/m3，泊松比μ=0.3，套管內(nèi)徑為DN800 mm、壁厚t=80 mm、外徑D=960 mm。

泥漿等代層的參數(shù)：?jiǎn)卧?lèi)型考慮為三維線彈性實(shí)體單元，其中彈性模量E=1.0 MPa、重度γ=10 kN/m3，由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地層為軟土，套管與土體間隙為20 mm，選取泥漿等代層厚度為間隙值的2倍[9]，即為40 mm，等代層的泊松比μ=0.2。

模型的幾何尺寸為40 m×20 m×20 m。經(jīng)計(jì)算，路面的最大的豎向位移出現(xiàn)在頂管正上方。見(jiàn)圖2和圖3。

2.3 實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果

施工過(guò)程中在路面布置了道路沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)道路的沉降變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算及有限元模型分析結(jié)果較為接近，總的變化趨勢(shì)保持一致；但在數(shù)值上，實(shí)際的監(jiān)測(cè)結(jié)果稍微大于經(jīng)驗(yàn)公式和有限元的計(jì)算結(jié)果，分析原因可能與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際的施工質(zhì)量及路面的車(chē)輛荷載相關(guān)。管道正上方的變形最大，沉降量為5.80 mm；Peck經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果為4.53 mm；有限元模型的計(jì)算結(jié)果為5.24 mm。隨著與管道中心距離的增加，地表沉降量呈逐漸減小的趨勢(shì)。見(jiàn)圖4。

圖4表明有限元模型及參數(shù)取值比較合理，能夠較好地反映施工現(xiàn)場(chǎng)的地表的沉降變化規(guī)律。CECS 246：2008《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》要求：頂管施工造成的公路路面的最大沉降不應(yīng)超過(guò)20 mm。本工點(diǎn)施工能夠滿足道路路面的沉降變形要求。

3 頂管直徑和埋深的影響規(guī)律

根據(jù)PeckR B [5]的變形分析理論，埋深H和管徑D不僅影響地表的沉降值，而且對(duì)工程造價(jià)有著決定性影響。為了更好地研究?jī)蓚€(gè)因素的影響規(guī)律，依據(jù)Peck經(jīng)驗(yàn)公式并結(jié)合Plaxis3D軟件對(duì)這兩個(gè)因素的影響規(guī)律進(jìn)行分析。為了更具有代表性，選取工程中常見(jiàn)的內(nèi)徑為DN800 mm和DN1 200 mm的頂管。定義一個(gè)新的變量名“深徑比”，即埋深H與套管外徑D的比值（H/D）。

計(jì)算不同深徑比下路面最大沉降值。有限元模型的計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)基本一致；但是有限元模型的計(jì)算結(jié)果數(shù)值稍大，主要是因?yàn)橛邢拊Ｐ驮谟?jì)算中參考的地勘參數(shù)相對(duì)保守。隨著深徑比的增加，地表最大的沉降值逐漸減小，當(dāng)深徑比增加到5～6時(shí)，路面最大沉降值的變化趨勢(shì)趨于平緩。對(duì)比DN800 mm和DN1 200 mm兩種頂管，在相同深徑比的情況下，大管徑的頂管會(huì)導(dǎo)致較大的地表沉降值。見(jiàn)圖5。

4 結(jié)論及建議

1）頂管下穿道路施工中，修正的Peck經(jīng)驗(yàn)公式和有限元軟件Plaxis 3D軟件的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)沉降變化趨勢(shì)相近，數(shù)值大小略存在差異，考慮是實(shí)際施工中路面車(chē)輛荷載造成的。

2）隨著深徑比的增大，地表沉降的最大值逐漸減小，呈現(xiàn)出先快后慢的變化趨勢(shì)。當(dāng)深徑比達(dá)到5～6時(shí)，路面最大沉降值的變化曲線趨于平緩。

3）在深徑比相同的情況下，直徑較大的頂管在施工中對(duì)路面的影響相對(duì)較大。

4）在頂管工程設(shè)計(jì)中，增加埋深H和減少管徑D均能夠增大深徑比，進(jìn)而對(duì)減少地表最大沉降量有明顯作用。

參考文獻(xiàn)：

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