淺埋矩形頂管下穿城市道路施工地表沉降規(guī)律研究

【摘要】文中采用ABAQUS有限元分析軟件，選用“位移控制法”模擬淺埋矩形頂管下穿城市道路施工，研究地表沉降規(guī)律。頂管頂進時，地表縱向變形大致可分為緩慢抬升、地表沉降、快速抬升和趨于穩(wěn)定4個階段。地表沉降類似“弓”型，且在頂進過程中發(fā)生“背土效應(yīng)”。數(shù)值模擬與地表監(jiān)測數(shù)值的變形趨勢和規(guī)律基本吻合，數(shù)值模擬能夠有效反映地表變形規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】矩形頂管；地表沉降；現(xiàn)場監(jiān)測；背土效應(yīng)；數(shù)值模擬

【中圖分類號】TU990.3 【文獻標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）10-0145-03

0 引言

隨著城市地下工程的快速發(fā)展，頂管法作為非開挖技術(shù)的主要方法之一，越來越多地應(yīng)用于城市地鐵隧道、車站附屬結(jié)構(gòu)等其他功能的市政工程中。頂管法具有非開挖、環(huán)境影響小、綜合成本低、施工安全性好、不影響地面交通等優(yōu)點。相比于圓形頂管，矩形頂管能充分利用結(jié)構(gòu)斷面，提高斷面利用率，能節(jié)省約20%的空間[1]。

魏綱等[2]提出土體在特定的條件下，通過實際案例分析正面頂推力和摩擦力對地表變形的影響規(guī)律；黃宏偉等[3]用三維有限元對開挖面支護力、地層損失、注漿以及三者的共同作用等進行模擬，探究了頂管施工的環(huán)境影響；郝小紅等[4]以某超大斷面矩形頂管工程為例，揭示了頂管掘進過程中地層的變形規(guī)律。

1 工程概況

1.1 工程簡介

迎澤橋西站為太原市城市軌道交通1號線與遠(yuǎn)期6號線換乘站。1號線迎澤橋西站位于迎澤西大街與晉祠路交叉口，沿迎澤西大街東西向敷設(shè)。車站共設(shè)10個出入口（含3個出入口、1個消防疏散口、6個預(yù)留空間出入口）、3組風(fēng)亭組（含2組風(fēng)亭、1組預(yù)留空間風(fēng)亭）。A號出入口、B號出入口、A號出入口（預(yù)留空間）、B號出入口（預(yù)留空間）位于迎澤西大街北側(cè)，過迎澤大街段采用頂管法施工，其余均采用明挖法施工。明挖結(jié)構(gòu)均采用地下一層單跨結(jié)構(gòu)形式。

A號出入口，底板埋深約12.6 m，頂管段埋深約10.7 m，上覆土約5.8 m；B號出入口，底板埋深約12.6 m，頂管段埋深約10.0 m，上覆土約6.0 m；A號出入口（預(yù)留空間），底板埋深約13.4 m，頂管段埋深約11.6 m，上覆土約6.7 m；B號出入口（預(yù)留空間），底板埋深約14.1 m，頂管段埋深約12.4 m，上覆土約7.5 m。頂管段均在出入口人防段設(shè)置頂管始發(fā)井，于車站主體結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置接收井、吊出頂管機。迎澤橋西站頂管通道包含4段，分別為A號出入口頂管段（長43.2 m）、B號出入口頂管段（長38.67 m）、A號出入口（預(yù)留空間）頂管段（長36.3 m）、B號出入口（預(yù)留空間）頂管段（長35.9 m）。

1.2 水文地質(zhì)概況

A號出入口至車站主體頂管通道主要地層從上至下分別為1-1雜填土、1-2素填土、2-2-11黏質(zhì)粉土。

根據(jù)勘察資料，勘察期間測得擬建場地初見水位埋深2.0～5.6 m（對應(yīng)標(biāo)高781.74～786.26 m），穩(wěn)定水位埋深1.7～5.3 m（局部因建設(shè)開挖現(xiàn)狀地面高程低于自然地面，水位埋深較小）（對應(yīng)標(biāo)高781.94～786.46 m）。每年12月至次年1月為枯水期，7月至9月為豐水期，地下水位變幅為0.8～1.4 m。

2 模型建立

2.1 頂管掘進地層變形機理

頂管法隧道施工引起巖土體損失即初始應(yīng)力狀態(tài)改變引起地層變形[5]。其產(chǎn)生機理主要是：①頂管掘進改變地層初始應(yīng)力狀態(tài) ；②頂管施工過程中發(fā)生“背土效應(yīng)”；③頂管機盾尾與管節(jié)之間存在間隙；④頂管施工過程中超挖土體；⑤隧道上方及周圍巖土體的后期固結(jié)沉降。

2.2 模型假定

采用ABAQUS有限元分析軟件，建立三維數(shù)值模型對頂管開挖和頂進過程進行模擬。模擬過程中建立如下假設(shè)：①頂管穿越地層主要為黏質(zhì)粉土層，不考慮地下水對土體和管節(jié)的影響；②頂管推進過程中不考慮地層時間效應(yīng)，僅考慮工作面和地層相互距離的變化 ；③各部件均為均勻的各向同性材料；④數(shù)值模擬模型采用實體單元模擬地層及頂管管節(jié)；⑤土體與管節(jié)之間按照接觸考慮，定義屬性為法相和切向，法相采用“硬”接觸，切向摩擦系數(shù)設(shè)為0.1；⑥限制模型側(cè)面的水平移動和模型底部的水平及垂直移動，地面上邊界設(shè)定為自由面。

2.3 模型參數(shù)

模型采用實體單元模擬包括地層、矩形機頭、頂管關(guān)節(jié)共3個部分。頂管機頭，矩形管片采用線彈性本構(gòu)，土體采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則。土體模型寬度為35 m，高度為18.95 m，長度為43.5 m。地層簡化為4層，分別為雜填土層（3 m）、素填土層（2.6 m）、黏質(zhì)粉土層（6.2 m）和粉質(zhì)黏土層（7.15 m）。矩形管節(jié)為鋼筋混凝土管節(jié)，設(shè)計強度為C50，抗?jié)B等級為P8，管節(jié)尺寸為1.5 m（長）×6.9 m（寬）×4.9 m（高），壁厚0.45 m，整個頂管隧道（從始發(fā)端到接收端）共29節(jié)管節(jié)組成（單節(jié)長度為1.5 m）。

對開挖土體及管節(jié)進行網(wǎng)格加密，采用C3D8R：八結(jié)點線性六面體單元，減縮積分，沙漏控制。各個部件及裝配網(wǎng)格劃分如圖1所示。

模型所含地層及材料的物理參數(shù)如表1所示。

2.4 模擬過程

頂管掘進全過程一共有33個分析步，通過改變設(shè)置場變量來模擬端頭地層加固，采用“生死單元法”和“位移控制法”模擬頂管開挖頂進過程。

1）地層應(yīng)力初始階段，首先取消激活頂管機頭和頂管管節(jié)，激活全部地層，對始發(fā)掘進地層加固區(qū)設(shè)置為1的彈性模量，對土體施加重力荷載與邊界條件，由于工程為下穿城市道路頂管施工，需考慮車輛荷載20 kPa；第二步把場1的彈性模量改變?yōu)閳?，模擬端頭地層加固。限制模型側(cè)面的水平移動和模型底部的水平及垂直移動。

2）頂管機始發(fā)階段，取消激活第一段的土體，激活頂管機頭，對頂管機頭施加重力荷載。

3）取消激活頂管機頭前方1.5 m的土體；同時限制被開挖土體側(cè)面的法向位移，模擬頂管機頭支護，并在下一分析步取消；設(shè)置頂管機頭與土體接觸；設(shè)置頂管機頭的位移，每一個分析步向前頂進1.5 m，直至頂管機頭完全進入土體。

4）每一個分析步均取消激活頂管機頭前方1.5 m土體；限制被開挖土體側(cè)面的法向位移，模擬頂管機頭支護，并在下一分析步取消；激活管片同時對管片施加重力荷載，對頂管機機頭和管片施加位移，重復(fù)以上步驟直至第34個分析步。

5）頂管機接收階段，取消激活頂管機頭，對管片施加位移直至管片完全進入土體。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測點布控方案

每個監(jiān)測點間隔3 m布設(shè)，主要分析距頂管始發(fā)端18.5 m斷面處監(jiān)測點DBC-9-3、DBC-9、DBC-9-4。

3.2 數(shù)據(jù)分析

選取每兩環(huán)開挖完成后的模擬數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，各監(jiān)測點沉降數(shù)據(jù)如圖2～圖4所示。分析數(shù)據(jù)可知，數(shù)值模擬與地表變形監(jiān)測數(shù)值的地層變形規(guī)律基本吻合：沉降最大值位于頂管中軸線處，實際監(jiān)測沉降最大值為-30.39 mm，沉降總體趨勢為“弓”型。地表變形呈現(xiàn)4個階段：緩慢抬升、地表沉降、快速抬升和趨于穩(wěn)定。DBC-9-3實測最大沉降值為-31.71 mm，模擬最大沉降值為-27.61 mm；DBC-9-4實測最大沉降值為-30.05 mm，模擬最大沉降值為-26.65 mm，這是由于模擬過程未考慮超挖造成的地層損失。

其中10月3日地表先沉降后隆起，是由于頂管機盾尾與管節(jié)之間存在間隙，土體發(fā)生變形造成沉降。在掘進過程中，由于矩形頂管機上表面呈水平狀態(tài)，當(dāng)在頂管隧道施工埋深較淺的情況下，上部地層的卸載拱作用相對不明顯，卸載拱高度以內(nèi)的土體在自重作用下坍塌覆于頂管機上表面，使得頂管機向前頂進過程中受這部分土體摩阻力的影響較為明顯。土體在摩阻力反作用下會隨頂管方向發(fā)生壓縮變形或移動，就如同管道頂部背負(fù)著這部分土體移動一樣，發(fā)生“背土效應(yīng)”，造成地表隆起。

取距始發(fā)端18.5 m斷面處監(jiān)測點數(shù)據(jù)，如圖5所示，能明顯看見頂管掘進過程中，橫向監(jiān)測斷面有明顯的沉降槽，最大沉降值在頂管掘進中心線處，隨著與中心線距離增加，變形越小，最后趨于0。

4 結(jié)語

本文通過建立三維數(shù)值模型對頂管開挖和頂進過程進行模擬，分析數(shù)據(jù)可知，頂管頂進時，地表縱向變形可分為緩慢抬升、地表沉降、快速抬升和趨于穩(wěn)定4個階段；減少施工過程中的超挖現(xiàn)象可有效控制地表的變形；頂管掘進時，橫向監(jiān)測斷面有明顯的沉降槽，最大沉降值在頂管掘進中心線處，隨著與中心線距離增加，變形越小，最后趨于0。本文的數(shù)值模擬與地表變形監(jiān)測數(shù)值的地層變形規(guī)律基本吻合，可為后續(xù)類似工程提供參考。

參考文獻

[1] 王虎，李棟，陳雪華，等.矩形頂管技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].施工技術(shù)（中英文），2023，52（1）：26-32.

[2] 魏綱，溫曉貴.不同頂管施工工藝對深層土體移動的影響分析[J].施工技術(shù)，2003（1）：52-54.

[3] 黃宏偉，胡昕.頂管施工力學(xué)效應(yīng)的數(shù)值模擬分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003（3）：400-406.

[4] 郝小紅，郭佳.考慮超大斷面頂管施工過程的地層變形數(shù)值分析[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，38（6）：66-71.

[5] 李忠偉，李金明.小間距平行盾構(gòu)施工引起的地表變形分析[J].北京測繪，2019，33（6）：625-627.

[作者簡介]蔣桂山（1973—），男，南京人，本科，高級工程師，研究方向：地下空間施工綜合管理。