機(jī)械頂管下穿河流時(shí)土體變形特征研究

張 峰, 羅 利, 陳 奇

(中國(guó)五冶集團(tuán)有限公司, 成都 610063)

由于城區(qū)建、構(gòu)筑物密集,市政污水干管施工往往會(huì)穿越一些城市的復(fù)雜敏感區(qū)域,為避免敏感區(qū)域施工給城市正常運(yùn)行帶來(lái)諸多不便,甚至對(duì)環(huán)境造成破壞,污水干管工程常常采用頂管等非開挖技術(shù)。頂管施工時(shí),在管道軸線兩側(cè)一定范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生地面沉降或隆起,使管道周邊建構(gòu)筑物、地下基礎(chǔ)設(shè)施及河湖等受到施工影響,甚至危及正常使用和安全。為此,眾多工程人員對(duì)頂管下穿建、構(gòu)筑物等敏感區(qū)域進(jìn)行了相關(guān)研究[1-12]。其中,程保民等人[13]、王劍峰等[14]、戢鴻鑫等[15]針對(duì)頂管下穿河湖區(qū)域過(guò)程中施工變形影響、三維數(shù)值及頂管頂進(jìn)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)展開了研究,而針對(duì)下穿河湖頂進(jìn)過(guò)程中土體變形特征的研究較少。為此,本文以成都錦江再生水工程實(shí)例,運(yùn)用三維數(shù)值模擬分析泥水平衡機(jī)械頂管下穿河流時(shí)的施工變形特征,為機(jī)械安全頂進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 依托載體概況

成都錦江再生水工程,從第九再生水廠對(duì)再生水進(jìn)行加壓并輸配至錦江區(qū)紅廟子排洪渠、何家沖排洪渠、秀水河、南支三渠進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水。輸水管線主要沿環(huán)城生態(tài)區(qū)內(nèi)外生態(tài)綠化空間、何家沖排洪渠沿線綠帶、銀杏大道西北側(cè)綠帶、市政公園綠帶、紅豆樹街、三環(huán)路綠帶、驛都大道西南側(cè)綠帶敷設(shè),串聯(lián)起何家沖排洪渠、紅廟子排洪渠、南支三渠、秀水河等4個(gè)主要生態(tài)補(bǔ)水點(diǎn),此外輸水管線沿途典型節(jié)點(diǎn)位置預(yù)留再生水出水點(diǎn)。

選取管道穿越陡溝河段(圖1)進(jìn)行研究,影響管線的樁號(hào)范圍為ZS0+920～ZS0+940,穿越方式為河床下方穿過(guò)。陡溝河寬度約為20 m,河溝深約為2.3 m,穿越段地質(zhì)主要為黏土層,管道距離河底凈距約為4.7 m。

圖1 輸水管道線路下穿陡溝河平面

2 模型建立

2.1 基本假設(shè)

三維數(shù)值模擬分析建立在以下基本假定:假定土層為各向同性的連續(xù)的均一彈塑性材料,并服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則;忽略管節(jié)間接頭、工具管和后續(xù)管節(jié)剛度差異的影響,假定管節(jié)為表面平整的各向同性線彈性體;不考慮頂管施工引起的土體次固結(jié)沉降蠕動(dòng)變形,假定工作面壓力為定值的圓形均布荷載;頂管為直線頂進(jìn),不考慮偏轉(zhuǎn)問題;假定管土摩擦力和地層損失沿軸線方向均勻分布。

2.2 計(jì)算模型及參數(shù)

研究采用Hypermesh建立三維網(wǎng)格模型,采用FLAC 3D軟件掘進(jìn)模擬,河道段頂管埋深為4.7 m。模型除了上表面其余各面均施加法向位移約束。為減小邊界效應(yīng)的影響,三維網(wǎng)格模型的上下、左右邊界均取頂管隧道開挖寬度的5倍,整個(gè)模型尺寸為36 m×30 m×27 m,如圖2所示。

圖2 三維網(wǎng)格計(jì)算模型

計(jì)算模型中管道和注漿層單元類型采用實(shí)體單元,頂管機(jī)單元類型采用Shell單元。管道及注漿層結(jié)構(gòu)均采用彈性本構(gòu),土體采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu),并假定土體與注漿層、注漿層與管道之間均緊密接觸。

土層類型自上而下依次為雜填土、黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘報(bào)告,相關(guān)材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

2.3 模擬工況

為探明施工參數(shù)對(duì)周圍環(huán)境的影響,從泥水倉(cāng)壓力和注漿壓力兩個(gè)角度出發(fā),研究不同泥水倉(cāng)壓力和不同注漿壓力下頂管施工對(duì)土體變形的影響,共計(jì)10種工況,如表2所示。

表2 不同施工工況參數(shù)

2.4 模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為清晰探明頂進(jìn)對(duì)土體變形的影響,模型共設(shè)置4處監(jiān)測(cè)點(diǎn),具體設(shè)置方式與部位如表3及圖3所示。

表3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置詳情

圖3 監(jiān)測(cè)部位示意圖

3 泥水倉(cāng)壓力對(duì)土體變形影響分析

3.1 頂管上方土體變形

圖4揭示了不同泥水倉(cāng)壓力比情況下的土體豎向位移云圖。由圖4可知,各個(gè)工況下土體變形大致相同,即管道上方土體發(fā)生沉降,下方土體向上發(fā)生位移,下方土體位移明顯大于上方位移;土體沉降呈周期性變化,沉降量最大值發(fā)生在管道間的接口處,這是因?yàn)轫敼苁┕r(shí)具有周期性,以一節(jié)管道施工時(shí)間為周期,在更換管道時(shí)土體有較多的時(shí)間產(chǎn)生位移;隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)上移,土體沉降量明顯減小,地表沉降量明顯小于管道頂部土體變形量。

圖4 不同泥水倉(cāng)壓力下頂管上方土體變形對(duì)比

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1地表沉降

圖5揭示了不同泥水倉(cāng)壓力比情況下河道底部地表位移變化趨勢(shì)。由圖5可知,河道處地表變形量以管道中線對(duì)稱分布,管道上方地表沉降量最大。隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)向管道中線移動(dòng),地表沉降變化速率明顯增大,在中線附近變化速率顯著減小。隨著泥水倉(cāng)壓力增大,河道處地表沉降量顯著減小。泥水倉(cāng)壓力比為0.5P0時(shí),管道中線上方地表沉降量為17.4 mm,當(dāng)泥水倉(cāng)壓力比增大到1.0P0和1.5P0時(shí),沉降量分別減小28.9%、64.7%。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1地表沉降變形曲線

從河道地表沉降變化結(jié)果看出,隨著泥水倉(cāng)壓力增大,地表沉降量顯著減小。在一定泥水倉(cāng)壓力范圍內(nèi)(不發(fā)生土體主動(dòng)破壞和被動(dòng)破壞),增大泥水倉(cāng)壓力可顯著降低地表沉降。

3.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)2地表沉降

圖6揭示了不同泥水倉(cāng)壓力比情況下頂進(jìn)率先通過(guò)的河岸地表位移變化趨勢(shì)。由圖6可知,河岸處地表變形量以管道中線呈對(duì)稱分布,管道上方地表沉降量最大。隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)向管道中線移動(dòng),地表沉降變化速率明顯增大,且在中線附近變化速率顯著減小;隨著泥水倉(cāng)壓力增大,河岸處地表沉降量顯著減小,泥水倉(cāng)壓力比為0.5P0時(shí),管道中線上方地表沉降量為9.9 mm,當(dāng)泥水倉(cāng)壓力比增大到1.0P0和1.5P0時(shí),沉降量分別減小49.9%、91.1%,河岸地表沉降量變化幅度明顯大于河道底沉降量變化幅度。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)2地表沉降變形曲線

從河岸地表沉降變化結(jié)果可知,隨著泥水倉(cāng)壓力增大,地表沉降量顯著減小。在一定泥水倉(cāng)壓力范圍內(nèi)(不發(fā)生土體主動(dòng)破壞和被動(dòng)破壞),增大泥水倉(cāng)泥壓力可顯著降低河岸地表沉降。

3.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)3地表沉降

圖7揭示了不同泥水倉(cāng)壓力比情況下頂進(jìn)后的河岸地表位移變化趨勢(shì)。由圖7可知,河岸處地表變形量以管道中線呈對(duì)稱分布,管道上方地表沉降量最大。隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)向管道中線移動(dòng),地表沉降變化速率明顯增大,且在中線附近變化速率顯著減小;隨著泥水倉(cāng)壓力增大,河岸處地表沉降量顯著減小,泥水倉(cāng)壓力比為0.5P0時(shí),管道中線上方地表沉降量為12.6 mm,當(dāng)泥水倉(cāng)壓力比增大到1.0P0和1.5P0時(shí),沉降量分別減小31.4%、73.1%,沉降量變化幅度大致與河道底沉降量變化幅度相同。

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)3地表沉降變形曲線

從河岸地表沉降變化結(jié)果可知,隨著泥水倉(cāng)壓力增大,地表沉降量顯著減小;在一定泥水倉(cāng)壓力范圍內(nèi)(不發(fā)生土體主動(dòng)破壞和被動(dòng)破壞),增大泥水倉(cāng)壓力可顯著降低河岸地表沉降。

3.5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)4土體變形

圖8揭示了不同泥水倉(cāng)壓力比情況下管道中線上方土體豎向位移變化趨勢(shì)。由圖8可知,土體豎向變形量與監(jiān)測(cè)點(diǎn)距管道頂端的距離呈拋物線形減小,并且變化速率逐漸減小,在距管道頂端4 m左右時(shí),土體變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);隨著泥水倉(cāng)壓力增大,管道中線上方土體變形明顯減小,減小幅度與距管道頂端的距離無(wú)關(guān)。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)4土體沉降曲線

從管道中線上方土體豎向位移變化結(jié)果可知,隨著泥水倉(cāng)壓力及距管道頂端的距離增大,管道中線上方土體變形明顯減小;在一定泥水倉(cāng)壓力范圍內(nèi),增大泥水倉(cāng)壓力可有效抑制管道中線上方土體變形。

4 注漿壓力對(duì)土體變形影響分析

4.1 頂管上方土體變形

圖9揭示了不同注漿壓力比情況下的土體豎向位移云圖。由圖9可知,與不同泥水倉(cāng)壓力類似,各個(gè)工況下土體變形大致相同,即管道上方土體發(fā)生沉降,下方土體向上發(fā)生位移,且下方土體位移明顯大于上方位移;土體沉降呈周期性變化,沉降量最大值發(fā)生在管道間的接口處,這是因?yàn)轫敼苁┕r(shí)具有周期性,以一節(jié)管道施工時(shí)間為周期,在更換管道時(shí),土體有較多的時(shí)間產(chǎn)生位移;隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)上移,土體沉降量明顯減小,地表沉降量明顯小于管道頂部土體變形量。

圖9 不同注漿壓力下頂管上方土體變形對(duì)比

4.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1地表沉降

圖10揭示了不同注漿壓力比情況下河道底部地表位移變化規(guī)律。由圖10可知,與不同泥水倉(cāng)壓力比工況類似,河道處地表變形量以管道中線呈對(duì)稱分布,并且管道上方地表沉降量最大;隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)向管道中線移動(dòng),地表沉降變化速率明顯增大,且在中線附近變化速率顯著減小。隨著注漿壓力增大,與泥水倉(cāng)壓力工況不同,河道處地表沉降量變化幅度較小,注漿壓力比為0.5時(shí),管道中線上方地表沉降量為12.5 mm,當(dāng)注漿壓力比增大到1.0和1.5時(shí),沉降量分別減小1.0%、5.1%。

圖10 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1地表沉降變形曲線

從河道地表沉降變化結(jié)果可知,隨著注漿壓力的增大,河道處地表沉降量幅度減小;在保證注漿層充盈且減阻效果良好的情況下,通過(guò)改變注漿壓力以達(dá)到控制河道地表沉降的效果不明顯。

4.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)2地表沉降

圖11揭示了不同注漿壓力比情況下頂進(jìn)率先通過(guò)的河岸地表位移變化趨勢(shì)。由圖11可知,與不同泥水倉(cāng)壓力比工況類似,河岸處地表變形量以管道中線呈對(duì)稱分布,并且管道上方地表沉降量最大。隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)向管道中線移動(dòng),地表沉降變化速率明顯增大,且在中線附近變化速率顯著減小;隨著注漿壓力增大,與泥水倉(cāng)壓力工況不同,河岸處地表沉降量變化幅度較小,注漿壓力比為0.5Q0時(shí),地表沉降量為5.0 mm,當(dāng)注漿壓力比增大到1.0Q0和1.5Q0時(shí),沉降量分別減小0.6%、8.0%,沉降量變化幅度大致與河道地表沉降量變化幅度相同。

圖11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)2地表沉降變形曲線

從河岸地表沉降變化結(jié)果可知,隨著注漿壓力增大,河道處地表沉降量幅度減小;在保證注漿層充盈且減阻效果良好的情況下,通過(guò)改變注漿壓力以達(dá)到控制河岸地表沉降的效果不明顯。

4.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)3地表沉降

圖12揭示了不同注漿壓力比情況下頂進(jìn)后的河岸地表位移變化趨勢(shì)。從圖12可知,與不同泥水倉(cāng)壓力比工況類似,河岸處地表變形量以管道中線呈對(duì)稱分布,并且管道上方地表沉降量最大;隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)向管道中線移動(dòng),地表沉降變化速率明顯增大,且在中線附近變化速率顯著減小;隨著注漿壓力增大,與泥水倉(cāng)壓力工況不同,河岸處地表沉降量變化幅度較小,注漿壓力比為0.5Q0時(shí),地表沉降量為8.8 mm,當(dāng)注漿壓力比增大到1.0Q0和1.5Q0時(shí),沉降量分別減小2.2%、9.1%,沉降量變化幅度大致與河道地表沉降量變化幅度相同。

圖12 監(jiān)測(cè)點(diǎn)3地表沉降變形曲線

從河岸地表沉降變化結(jié)果可知,隨著注漿壓力增大,河岸處地表沉降量幅度減小;在保證注漿層充盈且減阻效果良好的情況下,通過(guò)改變注漿壓力以達(dá)到控制河岸地表沉降的效果不明顯。

4.5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)4土體變形

圖13揭示了不同注漿壓力比情況下管道中線上方土體豎向位移變化趨勢(shì)。從圖13可知,與不同泥水倉(cāng)壓力比工況類似,土體豎向變形量與監(jiān)測(cè)點(diǎn)距管道頂端的距離呈拋物線形減小,變化速率也逐漸減小,在距管道頂端4 m左右時(shí),土體變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);隨著注漿壓力的增大,與泥水倉(cāng)壓力比工況不同,管道中線上方土體變形量較小,幾乎無(wú)變化。

圖13 監(jiān)測(cè)點(diǎn)4土體沉降曲線

從管道中線上方土體豎向位移變化結(jié)果可知,隨著管道頂端的距離增大,管道中線上方土體變形明顯減小。隨著注漿壓力的增大,管道中線上方土體變形量幾乎無(wú)變化;在保證注漿層充盈且減阻效果良好的情況下,通過(guò)改變注漿壓力以達(dá)到控制土體變形的效果不明顯。

5 結(jié)論

依托成都錦江再生水項(xiàng)目頂管施工,采用了三維數(shù)值模擬與計(jì)算,深入分析頂管下穿河流時(shí)泥水倉(cāng)壓力和注漿壓力對(duì)地表沉降的影響,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相吻合,具體結(jié)論如下。

(1)頂管施工時(shí),土體沉降沿頂進(jìn)方向呈周期性變化,土體沉降量最大值發(fā)生在管道間接口處。

(2)不同泥水倉(cāng)壓力工況和注漿壓力工況下,河道及兩側(cè)河岸地表沉降量以管道中線呈對(duì)稱分布,管道上方地表沉降量最大,隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)向管道中線移動(dòng),地表沉降變化速率明顯增大,且在中線附近變化速率顯著減小。

(3)不同泥水倉(cāng)壓力工況和注漿壓力工況下,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表沉降量大小關(guān)系為河道>后通過(guò)河岸>先通過(guò)河岸;管道中線上方土體豎向變形量,隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)距管道頂端的距離,呈拋物線形減小,距管道頂端4 m左右時(shí),土體變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)隨著泥水倉(cāng)壓力增大,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)土層變形量顯著減小。隨著注漿壓力增大,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)土層變形量變化幅度較小,建議在保證注漿層充盈且減阻效果良好的情況下,優(yōu)先采用控制泥水倉(cāng)壓力、加固土層等措施降低頂管上方土體變形。