鄭明明，韋猛，曹函，吳晶晶，張紹和，蔣國盛，劉天樂，宗尼羅

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非開挖與明挖柔性管上土壓力與變形對比分析

鄭明明1，韋猛1，曹函2，吳晶晶2，張紹和2，蔣國盛3，劉天樂3，宗尼羅4

(1. 成都理工大學 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都， 610059； 2. 中南大學 有色金屬成礦預測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室， 湖南 長沙， 410083；3. 中國地質(zhì)大學(武漢) 工程學院， 湖北 武漢， 430074； 4. 美國得克薩斯農(nóng)工大學 康莫斯分校工程與技術學院， 得克薩斯州 康莫斯， 75428)

利用PLAXIS 2D數(shù)值模擬軟件，通過對實際案例的模擬計算驗證軟件的可靠性與精確性，并針對4種典型地層、不同地下水條件、2種施工方法，揭示明挖與非開挖管線上所受壓力與變形的區(qū)別及成因，確定管線上壓力與變形主要影響因素和作用機理。研究結果表明：管在變形的過程中周圍土體對管產(chǎn)生土側(cè)壓力，致使PVC柔性管上的最大壓力一般出現(xiàn)在管線兩側(cè)水平直徑處。明挖法施工對土體的擾動范圍遠大于非開挖法的擾動范圍，導致明挖管線上最大壓力與變形量遠比非開挖管線的大，其中明挖管線上最大壓力是非開挖管線的2.6~11.65倍，變形量是非開挖管線的3.96~11.95倍。土體密度是影響明挖法管線上壓力與變形的最主要因素，同時，內(nèi)聚力和泊松比是影響非開挖管線上壓力和變形的最主要因素。軟黏土地層水位從?2.5 m升高到5.5 m的過程中，由于孔隙壓力增大，有效應力減小，明挖管線上的最大壓力與變形分別增加18.74%和13.38%，而非開挖管線上最大壓力與變形則分別增加615.09%和311.11%，因此，水位的升高對非開挖管線的影響遠比對明挖管線的影響大。

非開挖法；明挖法；PVC柔性管；土壓力；變形；物性參數(shù)；地下水位

明挖法最早始于公元前2 500年的中國，人們將竹子埋在地下作為管道進行水的運輸，之后在世界各地陸續(xù)出現(xiàn)了陶土管、鉛管以及鐵管。直到19世紀20年代，隨著鋼管的出現(xiàn)，明挖法才開始大規(guī)模地流行，并顯著地改變了人們的生活[1]。明挖法具有施工簡單、快捷、安全等優(yōu)點，但成本較高且對周圍交通、建筑、植被等影響較大，產(chǎn)生噪聲以及灰塵等問題[2]，已經(jīng)成為限制其發(fā)展的主要因素。20世紀80年代，隨著非開挖技術的出現(xiàn)與發(fā)展，逐漸解決了這些問題。非開挖技術能夠在不開挖或極少量開挖的情況下，鋪設、修復和更換管線，降低施工成本，對周圍環(huán)境的影響較小[2?4]，同時也延長了管線的使用壽命[5]。美國的非開挖技術走在世界的前列，研究主要集中在管線安裝與修復以及對環(huán)境的影響等方面：NAJAFI等[1, 6]系統(tǒng)地研究了非開挖技術中管線安裝、檢測與更新技術；KNIGHT等[7?8]通過現(xiàn)場測量與數(shù)值模擬對比研究了非開挖法與明挖法施工對上覆路面等周邊環(huán)境的影響。目前，人們對明挖和非開挖管線上土壓力與變形的對比也有一定研究：SPANGLER[9]提出了明挖法硬管上垂直土壓力的近似計算方法，給出了不同性質(zhì)土層的荷載有效系數(shù)；STEIN等[10?11]考慮了拱效應后提出了非開挖柔性管上土壓力的計算方法；SPANGLER等[12]確定了填埋柔性管上垂直載荷與水平變形之間的定量關系，且提出水平變形與垂直變形基本相等；WATKINS等[13]在此基礎上修改并完善計算方法后，提出用于計算填埋的柔性管變形的愛荷華公式；ZHAO等[5]等通過計算得出相同條件下明挖管線上的土壓力比非開挖管的大得多，且明挖管線對地面荷載更加敏感；ADEDAPO[14]通過現(xiàn)場測量得出明挖管線變形是非開挖管的3~4倍，同時明挖法對上覆及周圍路面的沉降影響也比非開挖法的明顯要大。目前，人們對明挖和非開挖2種施工方法的對比已有一定研究，然而，對確定造成荷載與變形量區(qū)別的主要因素以及影響機理方面的研究較少。影響管線荷載與變形的因素較多，包括地層物性、地下水位條件、開挖方法、地面荷載、環(huán)境溫度、管線埋深、管線材料與管徑以及填埋時間等，很難明確主要影響因素與機理，且管壁上的壓力與變形并不均一，具體的變化趨勢尚不確定。本文作者通過PLAXIS 2D數(shù)值模擬軟件，對4種地層，2種地下水位條件下，明挖和非開挖2種施工方法鋪設的管線與土之間的相互作用進行模擬研究，通過計算與分析得出不同條件下管線上徑向壓力和豎向變形的分布及其主要影響因素，并分析土對管線的作用機理。

1 研究方法

1.1 PLAXIS 2D數(shù)值模擬軟件簡介

PLAXIS 2D是專門用于各種巖土工程中受力、變形和穩(wěn)定性分析的二維有限元計算程序。程序包括幾何建模、計算分析、結果輸出和曲線生成4個部分，交互式圖形界面簡捷，操作方便。該軟件提供了豐富的線彈性模型、摩爾?庫侖模型、節(jié)理巖石模型、強化土模型和軟土模型，能夠模擬土體、板、錨桿、土工織物、隧道以及結構與土的接觸面，可以快速生成幾何模型和有限元網(wǎng)格，計算平面應變或者軸對稱問題。

PLAXIS 2D廣泛應用于大型基坑與周邊環(huán)境相互影響、盾構隧道施工與周邊既有建筑物相互作用、板樁碼頭應力變形分析、庫水位驟升驟降對壩體穩(wěn)定性的影響以及邊坡開挖及加固后穩(wěn)定性分析等。該軟件可以進行分步施工設計和計算，可用于管壁與土體之間相互作用的研究。尤其是在不同土層性質(zhì)，地下水位條件以及開挖方法影響下的地下管壁的受力與變形，軟件的精確性和可靠性已被廣泛驗證[15?16]。

1.2 模擬思路與方法

本文作者首先通過案例分析，將現(xiàn)場測量結果與模擬計算的結果進行比較，進一步驗證PLAXIS軟件的可靠性與計算結果的精確性。然后考慮施工方法、地層和地下水位等條件，建立數(shù)值模型，計算管線上壓力與變形量，分析施工方法、地層物性、水位條件等對管線的影響，確定主要和次要影響因素以及主要因素對管與土之間相互作用的影響機理。

1.2.1 實例分析

加拿大安大略州滑鐵盧市某小路由南向北長為709 m，寬為8 m，分別用水平定向鉆進和明挖法在路面以下1.52 m和1.67 m深度安裝直徑為200 mm的SDR-17 HDPE管線。分別測量施工過程中與安裝完畢后管線上的土壓力以及變形量。施工示意圖如圖1所示，管線與土的參數(shù)如表1~2所示。地下水位深度在管線安裝深度以下。

(a) 非開挖法施工示意圖；(b) 明挖法施工示意圖

表1 SDR?17 HDPE管線參數(shù)[14]

表2 路基土壤參數(shù)[17]

1.2.2 管線與土相互作用機理研究

為分析施工方法、地層物性、水位條件等對管線的影響，確定主要和次要影響因素以及主要因素對管與土之間相互作用的影響機理，分別考慮明挖與非開挖2種施工方法，松砂、密實砂、軟黏土和硬黏土4種典型地層，管線在地下水位以上和全湮沒等不同地下水條件，建立多組數(shù)值模型并計算管線上壓力與變形量。

1) 模型參數(shù)和尺寸。模型中土層采用摩爾?庫侖模型，為正常固結狀態(tài)，土層的各參數(shù)是從規(guī)范及文獻中引用的經(jīng)典值或中間值，如表3所示。考慮到水位的影響范圍，設無地下水條件為水位在管線底部以下2個管線直徑深度，全湮沒條件為水位在管線頂部以上2個管線直徑深度。地面及周邊無外加荷載。

明挖法中，基坑開挖深度為6 m，坑底寬度為3 m，而基坑的最大開挖坡度與土層類型及單獨抗壓強度有關。根據(jù)美國29 CFR 1926 OSHA建筑業(yè)條例得出4種土層基坑最大坡度，如表3所示。管線采用常用的C905 DR?21的36英寸PVC柔性管，直徑為0.914 m。模型中PVC管線具體參數(shù)如表4所示?？紤]到基坑開挖對周圍土層及一定深度以下土層的影響，模型的尺寸分別向左、右及向下各延伸4倍[18]的開挖深度。左、右與下邊界沒有水平位移但允許垂直運動，且邊界均為透水邊界。而非開挖模型的尺寸、管線深度、網(wǎng)格疏密度與明挖法模型相同。

2) 分步施工與計算。明挖法模型中施工分為4個步驟：第1步，降低水位至欲開挖基坑底面以下1米位置；第2步，開挖土層至預定的深度與坡度；第3步，安裝管線與回填并壓密開挖土體；第4步，地下水位升高至原水位高度。而非開挖安裝過程中并不需要降低水位，因此模型中只有2個步驟：第1步，開挖出鉆孔軌跡；第2步，安裝管線。

表3 模型中土壤參數(shù)

表4 模型中PVC管線參數(shù)

2 結果與討論

2.1 實測數(shù)據(jù)與模擬結果對比分析

現(xiàn)場采集管線的變形量，并利用現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過非開挖柔性管土壓力公式[6]和埋管土壓力公式[14]計算管線上壓力，如表5所示。PLAXIS軟件的模擬結果如圖2和表5所示，其中壓力與變形的負號僅代表方向。由圖2和表5可知：模擬計算得出的管線上最大壓力和管線豎向變形量與現(xiàn)場測量的結果較為接近，偏差都在5%以內(nèi)。由此可見，PLAXIS模擬軟件可用于計算明挖與非開挖管線荷載與變形方面，且結果的準確性較高，同時也表明建模方法較為貼近實際，可以用于后續(xù)的研究之中。

2.2 開挖方法對管線壓力與變形的影響

為分析施工方法對管線上壓力與變形的影響，確定不同開挖方法對管與土之間相互作用的影響機理，將模型的計算結果進行分組，結果如圖3~4所示。圖中壓力與變形的負號僅代表方向。

由圖3~4可知：管壁上的徑向壓力與豎向變形并不是均勻的；當管線上壓力較大時，管線的變形量也較大。由于土、水壓力與管自重的影響，管壁上最大壓力發(fā)生在管線底部(見圖3(b)中曲線3和4)，朝管壁頂部方向則壓力逐漸減?。浑S著壓力不斷增大，管壁上壓力最大值點逐漸轉(zhuǎn)移到管線水平直徑處(最右端)，而朝管壁兩側(cè)方向壓力逐漸減小。這主要是因為管道在垂直壓力的作用下產(chǎn)生一定的水平變形，擠壓側(cè)面土體，從而使管側(cè)承受相應的被動土壓力。隨著水平變形的增大，其變形量可達到與豎向位移相當[12]，土側(cè)壓力不斷增大，從而使最大壓力點轉(zhuǎn)移到最兩側(cè)的水平直徑處。管線的豎向變形以底部為零點，豎向變形曲線如圖3(c)~(d)以及圖4(c)~(d)所示。由圖3~4可知：管壁上壓力越大，相應的變形曲線的斜率也越大，斜率變化趨勢與相應的壓力變化趨勢基本相同。

(a) 明挖；(b) 非開挖

表5 現(xiàn)場測量與PLAIXS模擬結果對比

(a) 明挖管線徑向壓力分布；(b) 非開挖管線徑向壓力分布；(c) 明挖管線豎向變形；(d) 非開挖管線豎向變形

1—松砂；2—密實砂；3—軟黏土；4—硬黏土。

Fig. 3 Changes of radial earth pressure and vertical deformation with depth on open-cut and trenchless pipe

由圖3~4可知：相同水位和地層性質(zhì)條件下，明挖管上的最大壓力是非開挖管上的2.66~11.65倍，而變形量是非開挖管的3.96~11.95倍。在相同條件下，非開挖管上的壓力與變形量都要比明挖管上的大得多，這主要是因為2種施工方法對土的擾動范圍與程度不同，明挖法在開挖的過程中破壞了原有的土體的結構，所鋪設的管線上的壓力與變形主要是在土的回填與固結過程中形成的。而非開挖法僅對鉆孔軌跡周圍一定范圍內(nèi)的環(huán)形土體有所擾動，管線上壓力與變形主要是鉆孔壁周圍土體應力釋放與重新分布時形成的。與明挖法相比，非開挖施工對管線周圍土結構的擾動范圍要小得多。同時，由于壓力越大，變形量也越大[9]，因此明挖管壁的變形比非開挖的也大得多。此外，管線的使用壽命與管結上最大壓力與變形量密切相關。一般地，壓力與變形越大，則壽命越短，因此，在實際工程中，使用非開挖技術鋪設的管線壽命要比明挖法的長得多。

(a) 明挖管線徑向壓力分布；(b) 非開挖管線徑向壓力分布；(c) 明挖管線豎向變形；(d) 非開挖管線豎向變形

2.3 地層物性對管線壓力與變形的影響

地層物性參數(shù)包括密度、內(nèi)聚力、摩擦角、彈性模量和泊松比等，其對管線與土之間的作用也有重要影響。在相同地下水條件與施工方法下，地層物性不同，管線上的壓力與變形也明顯不同(見圖3~4)。4種地層中，明挖法管壁上的最大壓力從大到小排序依次為密實砂、硬黏土、松砂、軟黏土，相應的變形量排序與壓力排序相同。而非開挖管線上的最大壓力從大到小排序依次為松砂、密實砂、軟黏土、硬黏土，相應的變形量排序也相同?？梢园l(fā)現(xiàn)，地層性質(zhì)對2種施工方法中管線上壓力與變形的影響十分明顯，因此分析不同類型地層對管線上壓力與變形的影響將會對工程應用有重要的指導作用。

為進一步分析土層物性參數(shù)中影響管線上壓力和變形量的主要因素，分別考察密度、內(nèi)聚力、摩擦角、彈性模量和泊松比5個參數(shù)與管線上壓力和變形量之間的關系。每個參數(shù)均勻選擇4個水平點，模擬計算出各水平點對應的管線上最大壓力和變形量，結果如表6所示。

由表6可知：明挖管壁最大壓力與變形量隨密度、內(nèi)聚力和摩擦角的增大而增大，隨彈性模量和泊松比的增大而減小。密度是影響明挖法管壁上最大壓力與變形的最主要因素，其次是泊松比與內(nèi)聚力，而摩擦角和彈性模量對管線的影響較小。

表6 不同土壤參數(shù)下管線上最大徑向壓力與豎向變形量

而非開挖管線上最大壓力與變形量隨內(nèi)聚力、摩擦角和彈性模量的增大而減小，隨泊松比和密度增大而增大。內(nèi)聚力對最大壓力的影響最大，而泊松比對變形量的影響最大，二者分別是影響管線上最大壓力和變形量的主要因素，其次是摩擦角與密度，而彈性模量對管線的影響則較小。

由此可見，密度是影響明挖管線上最大壓力與變形量的最主要因素，而內(nèi)聚力和泊松比分別是影響非開挖管壁上最大壓力和變形的最主要因素。圖3(b)和4(b)中松砂地層中非開挖管線上的壓力比其他3個地層的大得多，其主要原因是松砂的內(nèi)聚力比其他地層的內(nèi)聚力明顯要小。

2.4 地下水位對管線壓力與變形的影響

外水壓力是地下管線的重要荷載之一，而外水壓力與地下水位高度密切相關，因此，研究不同地下水位對管線的影響也顯得十分必要。由圖3~4可知：在相同開挖方法和地層性質(zhì)條件下，無水與全湮沒條件下管壁上的壓力與變形量明顯不同。為進一步分析地下水位高度與管線上壓力與變形量之間的關系，設管線中心為零水位深度，模擬計算4種水位深度下非開挖與明挖管線上徑向壓力與豎向變形情況，結果如圖5所示。

由圖5可知：當?shù)叵滤粡?2.5 m上升到5.5 m時，明挖管線上徑向最大壓力從40.08 kPa上升到47.59 kPa，變形量從4.56 mm上升到5.17 mm，分別增大18.74%和13.38%。而非開挖管線上徑向最大壓力從4.44 kPa上升到31.31 kPa，變形從0.54 mm上升到2.22 mm，分別增加615.09%和311.11%。由此可見，地下水位的上升對非開挖管線的影響比明挖管線的影響大，而管線中心以下水位的變化對管線的影響微小。另外，2種施工方法下管線底部與頂部的壓力上升幅值基本相等。這主要是因為在有水條件下，管線上的壓力分為壓力和孔隙水壓力，隨著地下水位升高，孔隙水壓力增大，導致土顆粒間的有效應力減小。明挖管線上最大壓力遠大于非開挖管線上的土壓力，從而土側(cè)壓力受有效應力的影響減小較多。加上與深度成正比的孔隙水壓力后，明挖管線上最大壓力增量較小。非開挖管線土壓力受有效應力減小的影響較小，相同的孔隙水壓力增量下管線上的增幅較大。同理，明挖管線變形量要比非開挖管線的小。

由上述分析可知：地下水位的升高對非開挖管線的影響更加明顯，在實際工程中，應盡量選擇水位較低和變化較小的地區(qū)以減小管線上壓力與變形量，延長管線的使用壽命。

(a) 明挖管線徑向壓力分布；(b) 非開挖管線徑向壓力分布；(c) 明挖管線豎向變形；(d) 非開挖管線豎向變形

3 結論

1) 明挖和非開挖柔性管線上壓力與變形量并不是均勻分布的，壓力的最大值一般出現(xiàn)在管壁兩側(cè)的水平直徑處，而最小壓力則通常出現(xiàn)在管壁底部。與此同時，壓力較大處管壁的變形量也較大。

2) 在相同條件下，明挖法管線上的最大壓力與其變形量要比非開挖管線的大得多，明挖管線上的最大壓力是非開挖管線的2.66~11.65倍，而變形量則是非開挖管線的3.96~11.95倍。

3) 明挖管線上壓力與變形量隨密度、內(nèi)聚力和摩擦角的增大而增大，隨彈性模量和泊松比的增大而減小。密度是影響明挖管線上壓力與變形的最主要因素。而非開挖管線上壓力與變形量隨內(nèi)聚力、摩擦角和彈性模量的增大而減小，隨泊松比和密度的增大而增大。內(nèi)聚力和泊松比分別是影響非開挖管線上壓力和變形量的主要因素。

4) 隨著水位從?2.5 m升高到5.5 m，孔隙水壓力增大，有效應力減小，明挖管線上最大壓力與變形量分別增大18.74%和13.38%，而非開挖管線上最大壓力與變形量分別增加615.09%和311.11%。水位的升高對非開挖管線的影響遠大于對明挖管線的影響。

致謝：

感謝美國德州大學阿靈頓分校Mohammad Najafi教授提供的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)和對理論分析方面提供的建議，同時感謝河北大學余莉副教授對數(shù)值建模和數(shù)據(jù)處理等方面提供的指導。

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(編輯 伍錦花)

Comparative study on earth pressure and deformation of trenchless and open-cut pipe

ZHENG Mingming1, WEI Meng1, CAO Han2, WU Jingjing2, ZHANG Shaohe2, JIANG Guosheng3, LIU Tianle3, TSUNG Nilo4

(1. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China; 2. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring (Central South University), Ministry of Education, Changsha 410083, China; 3. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; 4. Department of Engineering & Technology, Texas A & M University-Commerce, Commerce 75428, USA)

In order to analyze the main differences of soil pressure and deformation on open-cut and trenchless pipes, four typical soils, different groundwater depth, open-cut and trenchless construction methods were used. Firstly,PLAXIS 2D was used in a field case study to verify its reliability and accuracy. Then groups of models with different conditions were built to calculate the soil pressure and deformation of open-cut and trenchless pipes. Besides, the primary and secondary factors were determined and the mechanism of main factors on soil pressure and deformation were obtained. The results show that because of the lateral soil pressure formed during pipe deformation, the maximum soil pressure on PVC flexible pipe generally appears at the ends of the horizontal diameter. Due to the fact that the disturbance range of open-cut construction is significantly larger than that of trenchless construction, the maximum soil load on open-cut pipe is much larger than that of trenchless pipe. The maximum soil load on open-cut pipe is 2.66 to 11.65 times larger than that of trenchless pipe, while the deformation of open-cut pipe is 3.96 to 11.95 times larger than that of trenchless pipe. The soil density is the most important factor that affects the soil pressure and deformation of open-cut pipe, while the cohesion and Poisson’s ratio are the most important factors that affect the soil pressure and deformation on trenchless pipe. When ground water table rises from ?2.5 m to 5.5 m in soft clay, with the increase of pore pressure and the decrease of effective stress, the maximum soil pressure and deformation on open- cut pipe increase by 18.74% and 13.38%, respectively. However, the maximum soil pressure and deformation on trenchless pipe increase by 615.09% and 311.11%, which indicates that the influence of ground water level on trenchless pipe is much larger than that on open-cut pipe.

trenchless method; open-cut method; PVC flexible pipe; soil pressure; deformation; physical parameters; groundwater level

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.12.026

U173.1

A

1672?7207(2017)12?3335?09

2017?01?07；

2017?03?02

國家自然科學基金資助項目(41702389，41572358，41502346，41302124)；湖北省自然科學基金重點資助項目(2012FFA047)；有色金屬成礦預測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室(中南大學)開放基金資助項目(2016YSJS0011，2016YSJS009，2016YSJS005)(Projects(41702389, 41572358, 41502346, 41302124) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2012FFA047) supported by the Natural Science Foundation of Hubei Province; Projects(2016YSJS0011, 2016YSJS009, 2016YSJS005) supported by Open Research Fund Program of Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring (Central South University), Ministry of Education)

吳晶晶，博士，助理研究員，從事地下空間開發(fā)與利用方面的科學研究；E-mail：wujingjing0408@163.com