曹 浩

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410075)

1 概述

近年來(lái)，城市頂管隧道廣泛應(yīng)用于市政工程，頂管法作為一種不開槽施工方法，其最大的優(yōu)勢(shì)在于采用不開挖的暗挖方式，從而避免了作業(yè)對(duì)地面建筑物或構(gòu)筑物的直接影響、施工對(duì)交通和人流的影響以及大開大挖對(duì)隧道附近的建筑設(shè)施和風(fēng)景區(qū)的破壞。但是，頂管施工不可避免地會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)，在淺埋隧道中，這種擾動(dòng)尤其明顯。若這種地層移動(dòng)與地面沉降過大，會(huì)嚴(yán)重危及鄰近建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)、鄰近建(構(gòu))筑物、路面和地下管線的安全，從而引發(fā)一系列的環(huán)境巖土問題［1-3］。

從已有的文獻(xiàn)看，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多關(guān)于頂管施工與隧洞開挖引起地層移動(dòng)的研究方法，主要可分為兩種:經(jīng)驗(yàn)估算研究方法與數(shù)值模擬研究方法。經(jīng)驗(yàn)估算法得到的數(shù)據(jù)僅限于地表面處的位移，很難滿足實(shí)際需要，因而在應(yīng)用上具有很大的局限性。有限元法不僅能充分地反映土體性質(zhì)的影響，而且還可以考慮地層損失，對(duì)頂管施工引起的地表變形進(jìn)行分析。

2 工程概況及施工過程簡(jiǎn)介

10 m，是益陽(yáng)市的一條重要交通通道。該工程北至資江邊西流灣電排，管徑為2.6 m。沿途橫穿長(zhǎng)益路，縱穿建設(shè)路，全長(zhǎng)391.7 m。采用鋼筋砼管長(zhǎng)距離頂管施工。根據(jù)工程需要共設(shè)頂管工作井1個(gè)，頂管接收井1個(gè)，秀峰湖圍堰1個(gè)。管道外徑為3 120 mm，內(nèi)徑為 2 600 mm，管道長(zhǎng)度為 2.5 m/節(jié)，管道軸線埋深為 6.46 m，覆土厚度為 4.90 m。管道采用手掘式頂管工具管施工。

根據(jù)益陽(yáng)市建筑設(shè)計(jì)院提供的益陽(yáng)市建筑路秀峰水系改造頂管工程地質(zhì)勘察報(bào)告(詳勘)，頂管施工區(qū)段內(nèi)地表向下15 m深度范圍內(nèi)的地層可以分為3個(gè)大層，管道穿越素填土1層，管道所處位置及各土層分布如圖1所示，各地層計(jì)算參數(shù)如表1所示。頂管施工現(xiàn)場(chǎng)如圖2～圖4所示。

圖1 頂管施工斷面圖

益陽(yáng)市建筑路秀峰水系改造工程，采用頂管法施工。建筑路位于益陽(yáng)市北部，北接濱江路，南連長(zhǎng)益路，西臨319國(guó)道和益陽(yáng)市汽車南站，建筑路西側(cè)有秀峰建材市場(chǎng)和益陽(yáng)市建筑裝飾公司，東側(cè)有東方紅賓館和市交通局等。建筑路長(zhǎng)約400 m，寬約

3 地面變形機(jī)理分析

頂管推進(jìn)過程中產(chǎn)生的地面變形(沉降或隆起)的根本原因是頂管施工對(duì)周圍土體的擾動(dòng)。頂管推進(jìn)過程中產(chǎn)生的地面變形由以下5個(gè)部分組成，見圖5所示。

表1 地層計(jì)算參數(shù)表

圖2 頂管工作井

圖3 工作面

圖4 頂管施工出土

圖5 地表變形的一般規(guī)律

3.1 工具管到達(dá)前的地面變形

工具管離該斷面比較遠(yuǎn)時(shí)，由于工具管的振動(dòng)、切削和攪拌，工具管前方土體中的孔隙水和空氣被擠出，土體顆粒出現(xiàn)較小程度的移動(dòng)，土體被壓縮，地表產(chǎn)生較小的沉降;隨著工具管的靠近，前方土體不但受工具管的擾動(dòng)更受后面千斤頂?shù)臄D壓。這種情況下前方土體就會(huì)出現(xiàn)一定程度的隆起;試驗(yàn)證明:工具管離開挖面的距離越近，該斷面土體隆起越快、越大。

3.2 工具管到達(dá)時(shí)的地表變形

當(dāng)工具管距離該斷面很近時(shí)，工具管正前方的土體受到后方千斤頂?shù)臄D壓、切削、刀盤的切削剪切應(yīng)力以及振動(dòng)荷載的作用，應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜;刀盤的切削引起正前方斷面土體水平應(yīng)力減少，而后方千斤頂?shù)捻斖朴质顾綉?yīng)力增加;這種情況下:如果水平應(yīng)力的減少與水平應(yīng)力的增加大致相等，那么前方正面土體就會(huì)處于穩(wěn)定狀態(tài);如果水平應(yīng)力的減少小于水平應(yīng)力的增加，那么前方正面土體就會(huì)隆起，如果水平應(yīng)力的減少大于水平應(yīng)力的增加，那么前方土體就會(huì)向工具管移動(dòng)，引起前方正面土體沉陷。因此，此部分地層位移與工具管的正面壓力有關(guān)［4］。

3.3 工具管通過時(shí)的地表變形

當(dāng)工具管通過時(shí)，工具管外殼與周圍土層發(fā)生剪切現(xiàn)象，形成剪切滑動(dòng)面。剪切滑動(dòng)面周圍的土層出現(xiàn)剪切應(yīng)力，此剪切應(yīng)力引起地表的移動(dòng)。試驗(yàn)證明:千斤頂頂推速度越快，剪切應(yīng)力就越大，土體位移也越大。因此，此部分地層位移與千斤頂頂推速度有關(guān)。

3.4 工具管通過后的地表變形

當(dāng)工具管通過后，由于工具管直徑略大于后續(xù)管道直徑約2～5 cm，故當(dāng)工具管通過后，管道周圍土體向管道移動(dòng)，以彌補(bǔ)管道與周圍土體之間的孔隙，從而引起土體的移動(dòng)。為了減少土體的移動(dòng)、保持土層的穩(wěn)定以及減少頂進(jìn)過程中的摩阻力，我們?cè)谑┕み^程中必須及時(shí)地向管道外壁注入潤(rùn)滑漿，并保持一定的注漿壓力。因此，此部分地層位移與注漿量、注漿方式和注漿方法有關(guān)。

3.5 受擾動(dòng)土體再固結(jié)引起的地面變形

試驗(yàn)證明:頂管施工結(jié)束后有很長(zhǎng)一段時(shí)間的工后沉降，它約占土體總沉降的5% ～30%;工后位移量與瞬時(shí)位移量成很好正相關(guān)關(guān)系，頂管施工瞬時(shí)位移量大，工后位移量也會(huì)大，反之也成立。因此，工后位移雖然不可避免，但我們可以通過減少施工瞬時(shí)位移來(lái)減少工后位移。而且，在實(shí)際施工中要通過工后位移的數(shù)值大小來(lái)決定是否對(duì)周圍建筑物或臨近地下管道采取保護(hù)措施［5］。

4 頂管施工對(duì)地表變形影響的數(shù)值模擬及與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

4.1 基本假定

1)土體為均勻的各向同性彈性體，根據(jù)工程實(shí)際情況中土體的物理性質(zhì)不同，將土體分為3層，各層材料參數(shù)和層厚見表1。

2)管線為等直徑、等壁厚，且不考慮管道接頭的影響，管道材料為各向同性的線彈性體。

3)土體在自重作用下產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)陂_挖前己經(jīng)完成;數(shù)值計(jì)算所產(chǎn)生的變形為施工過程中的變形。

4)在頂進(jìn)過程中不考慮土體變形的時(shí)間效應(yīng)，只考慮頂進(jìn)過程中空間距離的變化。

5)工具管的正面附加推力近似為圓形均布荷載，并將其作用在推進(jìn)面前方的土體上，根據(jù)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，取正面推進(jìn)力為0.6 MPa。

6)管道與周圍土體緊密接觸，即在變形過程中，管與土不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)或脫離。

7)由于頂管機(jī)頭的剛度和襯砌遠(yuǎn)大于土體剛度以及彈性體位移連續(xù)性的要求，不考慮實(shí)際的頂管機(jī)頭，而以力、位移和邊界條件來(lái)模擬。

8)頂管注漿壓力以均布切向荷載的形式作用在四周的土體上，取為0.15 MPa。

4.2 三維有限元模型的建立

本文根據(jù)益陽(yáng)建筑路頂管施工的實(shí)際情況，模型范圍取值為:x方向取26 m(沿x軸正向和負(fù)向各取13 m)，y方向取 19.535 m，z方向取 40 m，頂管頂進(jìn)方向見圖2。為合理利用資源，對(duì)于頂管的三維有限元網(wǎng)格劃分采取關(guān)鍵部位網(wǎng)格加密，關(guān)鍵部分以外網(wǎng)格稀疏化的方法。土體采用三維8節(jié)點(diǎn)等參數(shù)單元，土體、漿體和管道均采用Solid45單元［6］，物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)工程概況實(shí)際情況選取，網(wǎng)格采用自由劃分，單元數(shù)為10 920個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為12 141個(gè)，有限元模型如圖6～圖8所示。有限元的計(jì)算邊界條件為:地表為自由面;平面x=-13和x=13限制其x方向的位移，底面y=-13處限制其y方向的位移，平面z=0和z=-40限制其z方向的位移。土體開挖斷面直徑為3.270 m，管道外徑為3.070 m，管道內(nèi)徑為2.600 m，管道埋深h為4.9 m，注漿層厚度為 0.1 m。

圖6 頂管頂進(jìn)坐標(biāo)示意圖

圖7 模型網(wǎng)格圖

圖8 施加約束條件的模型圖

4.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置與地表變形曲線

觀測(cè)點(diǎn)變形隨時(shí)間變化和地表沉降觀測(cè)點(diǎn)平面位置見圖9～圖12。

圖9 地表沉降觀測(cè)點(diǎn)平面位置圖(單位:m)

圖10 1#～5#點(diǎn)地表沉降變化曲線

圖11 7#～12#點(diǎn)地表沉降變化曲線

圖12 13#～18#點(diǎn)地表沉降變化曲線

4.4 計(jì)算模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

這里選取開挖至z=-6 m處的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

4.4.1 地表豎向位移沿頂進(jìn)方向的變化規(guī)律

為了解在頂進(jìn)荷載作用下地表土體的位移變化規(guī)律，分別在地表(y=6.535 m)處分別選取:x=0.0 m，1.33 m，2.0 m，3.99 m，6.4 m 處為研究對(duì)象，得到的結(jié)果如圖13所示。從圖13可以得出地表隆起值沿頂進(jìn)方向的變化規(guī)律:在靠近推進(jìn)面一定范圍內(nèi)，地表隆起迅速增加并達(dá)到峰值，隨后逐漸下降，隨著離推進(jìn)中心線的距離越遠(yuǎn)，地表隆起值的增加及衰減速率都有所下降。地面隆起時(shí)最大值并不是出現(xiàn)在軸線的正上方，而是在推進(jìn)面前方2.0 m(約1.0D)左右處。在推進(jìn)面的后方，由于反對(duì)稱性，地表產(chǎn)生沉降，其變化規(guī)律與推進(jìn)面前方地表隆起的變化規(guī)律相似，但是產(chǎn)生的沉降比推進(jìn)面前方最大隆起值要大，主要原因是開挖面距離工作井比較近，工作井的土體在工作井施工時(shí)受到很大的擾動(dòng)，并且由于地層損失，引起頂管頂進(jìn)時(shí)沉降值較大，這與實(shí)測(cè)結(jié)果如圖9～圖12的變化一致，但實(shí)測(cè)最大隆起值為7點(diǎn)的值為18 mm，計(jì)算結(jié)果為2 mm，主要原因是計(jì)算模型假定土體為各向同性彈性體。

圖13 地表豎向位移沿z軸的變化規(guī)律

4.4.2 地表豎向位移沿水平方向的變化規(guī)律

土體在推進(jìn)力作用下受到擠壓作用，該擠壓作用使得頂進(jìn)軸線上方的土體隆起，左右的土體向兩側(cè)擠壓。由圖14可以得出:沿垂直于管道軸線方向，地表豎向位移在管道軸線方向上最大，表現(xiàn)為地表隆起，向水平方向(即左右兩側(cè))對(duì)稱遞減，正面附加推進(jìn)力使推進(jìn)面土體產(chǎn)生明顯的“拱”效應(yīng)，離推進(jìn)面越近，起“拱”效應(yīng)越明顯，但地面隆起時(shí)最大值并不是出現(xiàn)在軸線的正上方，而是在推進(jìn)面前方2.0 m(約1.0D)左右處。而在推進(jìn)面的后方，則出現(xiàn)明顯的沉降槽，曲線形狀與Peck公式計(jì)算地面沉降曲線較吻合，且這里沉降槽在z=-2 m處最為明顯，主要是由于z=-2 m處距離工作井很近。這里選取了斷面3的實(shí)測(cè)沉降曲線如圖15所示，最大沉降值為-18 mm，計(jì)算模型為-6.3 mm，這個(gè)差別主要由于計(jì)算模型的假定引起?！捌鸸啊毙?yīng)的影響范圍在10 m左右以內(nèi)，相當(dāng)于2～3倍洞徑。圖15左右兩側(cè)沉降不對(duì)稱是由于頂管向左側(cè)偏斜引起的。

圖14 地表豎向位移沿x軸的變化規(guī)律

圖15 斷面3地表沉降圖

4.4.3 軸線方向豎向位移沿頂進(jìn)方向的變化規(guī)律

豎向位移沿z軸的變化規(guī)律見圖16。由圖16可以得出:不同覆土層厚度的豎向位移不同，在接近管壁處(y=0.0 m)的位移最大，其變化趨勢(shì)也最明顯，沿著y軸方向，豎向位移減小，其衰減的速度不一樣，在距離管道軸線越遠(yuǎn)，衰減的速度越快。地表的位移并不是最大的，主要是由于頂管采用手掘式頂管施工，軸線處和管壁處的土體受到比較大的附加應(yīng)力而產(chǎn)生大的位移，隨著附加應(yīng)力沿垂直方向在土體中擴(kuò)散，地表的位移最小。這個(gè)變化規(guī)律與施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)變化趨勢(shì)完全吻合(形狀為“弓形”)。此處“弓形”形狀很明顯，主要是由于選取的節(jié)點(diǎn)較多而密集。

圖16 豎向位移沿z軸的變化規(guī)律(x=0.0)

4.4.4 地表水平位移沿水平方向的變化規(guī)律

頂管施工引起的土體變形是三維的，不僅有豎向位移，還有沿推進(jìn)方向的水平位移。土體在推進(jìn)力作用下受到擠壓作用，左右的土體則向兩側(cè)擠壓。地表水平位移沿x軸的變化見圖17。由圖17可以得出:最大的軸向水平位移并不是發(fā)生在工具管上方，而是在工具管左右兩側(cè)約4 m處，相當(dāng)于1.5D(D為管道直徑)處，這與頂進(jìn)時(shí)軸向附加應(yīng)力引起的擴(kuò)散效應(yīng)是相一致的。離工具管越遠(yuǎn)軸向水平位移越小，其衰減速度越慢，影響范圍要寬。并且最大橫向位移沿著管道軸線方向并不是在開挖面，而是在頂進(jìn)面后方約1.5倍管道直徑處。這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合。

圖17 地表水平位移沿x軸的變化

4.4.5 不同注漿壓力作用下的地表變形規(guī)律

不同機(jī)頭壓力下的地表變形(此處機(jī)頭位置在z=-6 m處)見圖18。從圖18可以得出:機(jī)頭壓力對(duì)地表變形產(chǎn)生了重要影響。機(jī)頭壓力越大，地表變形的隆起值越大，其隆起的最高點(diǎn)距機(jī)頭所在的位置越遠(yuǎn)。機(jī)頭壓力增大會(huì)使機(jī)頭前方上體的變形增大，影響范圍也增大;而對(duì)于機(jī)頭后方的土體，機(jī)頭壓力越大，其沉降也越大，但沉降值小于隆起值。

圖18 不同正面推進(jìn)力作用下的地表變形

5 結(jié)論

本文運(yùn)用ANSYS有限元軟件分析了頂管施工引起的土體的運(yùn)動(dòng)，探討了頂管施工引起地表變形的規(guī)律，得出地表變形的最主要的影響因素是正面附加推力、工具管和后續(xù)管道與土體之間的摩擦力和土體損失。結(jié)論如下:

1)頂管施工引起地表變形主要是上述各因素綜合作用的結(jié)果，在三者共同作用下引起的地表變形不是三者單獨(dú)作用下引起的地表位移的簡(jiǎn)單相加，而是要比三者單獨(dú)作用之和要小，反映了三者對(duì)土體作用的藕合性。

2)地表豎向位移沿頂進(jìn)方向的變化規(guī)律:在推進(jìn)面前方土體隆起，在推進(jìn)面后方土體發(fā)生沉降，最大隆起位置位于工具管前方約1.0D處，且地表最大沉降值要大于最大隆起值。

3)地表豎向位移沿垂直于隧道軸線方向有明顯的“拱”效應(yīng)，影響范圍為約2～3倍洞徑。

4)地表橫向位移最大不是在工具管上方，而是距軸線約1.5D處，且離工具管越近，水平位移越小。

5)正面推進(jìn)力越大，引起的地表沉降和隆起值越大。

6)由于有限元數(shù)值模擬頂管開挖時(shí)做了一些基本假定，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有些差距，這也是以后需要進(jìn)一步探討的問題。

［1］孫 鈞.城市工程活動(dòng)引起土體沉降對(duì)環(huán)境公害的預(yù)測(cè)與控制［C］.中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)第八屆年會(huì)論文集，1998.

［2］孫 鈞.城市工程活動(dòng)的環(huán)境問題(上)［J］.地下工程與隧道，1999(3):2-6.

［3］孫 鈞，方從啟.城市工程活動(dòng)的環(huán)境問題(中)［J］.地下工程與隧道，1999(4):7-9.

［4］魏 綱，徐日慶.頂管施工引起的土體擾動(dòng)理論分析與試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004(2):476-482.

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