吳大國 ，彭建和 ，候高峰

（安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站，安徽 合肥 230088）

1 引言

頂管法作為一種先進(jìn)的鋪管技術(shù)，以開挖量小、對周圍環(huán)境影響小和施工速度快等顯著的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用于市政工程中，但頂管施工過程會對土體產(chǎn)生擾動，特別在頂管近接建筑物施工時，對建筑物的影響更為明顯，會使得周圍地表及建筑物發(fā)生沉降[1～4]。如連霍高速公路施工單位在頂管施工工程中，未能針對地質(zhì)條件采取相應(yīng)的措施，造成了挖掘面上方的流沙土體坍塌；在開封市的玉皇閣整體頂升保護(hù)工程中，因頂管施工造成了玉皇閣建筑物的不均勻沉降。因此，合理開展頂管施工，降低其對鄰近建筑物的影響，是當(dāng)前巖土領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一。

研究頂管施工造成土體變形和地表沉降的方法很多，如現(xiàn)場監(jiān)測分析法、理論分析法、數(shù)值模擬法等，其中數(shù)值模擬分析作為一種重要的研究方法而越來越受到重視。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，頂管施工的三維模擬越來越精細(xì)，其計算結(jié)果也越來越與實(shí)際工程接近。相關(guān)研究[7～10]也已證實(shí)數(shù)值模擬分析的可靠性。

鑒于此，本文結(jié)合某截污改造實(shí)際工程，通過建立三維有限元力學(xué)模型，對頂管施工引起的鄰近居民樓基礎(chǔ)沉降進(jìn)行數(shù)值模擬分析，力求得出頂管施工對鄰近居民樓基礎(chǔ)沉降的影響規(guī)律。

2 工程概況

某截污改造工程某段頂管管線全長51m，埋深5m，頂管管徑DN800mm，管道材質(zhì)為F型鋼筋混凝土管（Ⅲ）。管道沿線地貌單元為河漫灘及一級階地，微地貌為凹凸間地。管道出露地層為新近回填土（主要為褐色耕植土，局部為雜色雜填土）、第四系全新統(tǒng)（Q4）和更新統(tǒng)（Q3）沖洪積層，主要為褐～褐黃色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土（軟塑狀態(tài)），可塑狀粉質(zhì)粘土，下伏基巖為灰?guī)r或泥質(zhì)砂巖。在此段頂管施工區(qū)域有一棟居民樓，該居民樓為綜合住宅樓，平面尺寸為46m×10m（長×寬），上下共5層，第1層為框架結(jié)構(gòu)，第2～5層為磚混結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)采用鋼筋混凝土材料，埋深為1.2m，該居民樓近頂管端基礎(chǔ)外側(cè)與頂管軸線凈距為2.2m。在頂管施工過程中，受雨水影響，該區(qū)域局部沉降值達(dá)到了0～15mm，頂管施工完成后施工方根據(jù)專家意見采取了注漿的手段對頂管周圍及其可能影響的范圍進(jìn)行加固。

3 頂管施工過程的數(shù)值模擬

有限差分法、有限元法、離散元、邊界元以及非連續(xù)變形分析法等新方法是目前巖土工程常采用的數(shù)值分析方法。其中有限差分法是最早應(yīng)用于工程科學(xué)的數(shù)學(xué)方法之一，由于其在解決非線性、大變形問題、物理的不穩(wěn)定問題方面較為有效而被廣泛應(yīng)用于巖土工程中。FLAC3D軟件是有限差分法最好的應(yīng)用之一，其采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，能夠準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動，特別適用于分析漸進(jìn)破壞、失穩(wěn)以及模擬大變形?；贔LAC3D軟件在巖土工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，本次數(shù)值模擬采用FLAC3D軟件。頂管施工是一個循序漸進(jìn)的連續(xù)過程，模擬過程采用不斷改變單元材料類型和參數(shù)的方法來反映頂管的頂進(jìn)，在模擬計算之前，先在模型里預(yù)設(shè)管內(nèi)土體開挖單元、管節(jié)單元及注漿體單元。頂管推進(jìn)時，假設(shè)管道一步一步往前推進(jìn)，每次向前推進(jìn)5m，使用model null命令去掉開挖土體單元，同時改變此次5m范圍內(nèi)相應(yīng)的單元材料模型和參數(shù)來模擬管節(jié)的安裝和注漿，不斷重復(fù)此步驟直至開挖完成。

3.1 三維數(shù)值模型

根據(jù)工程的具體情況，并考慮頂管施工的影響范圍及邊界條件的影響，建立三維數(shù)值網(wǎng)格模型。模型縱向長度（平行于頂管頂進(jìn)方向）取88m，橫向?qū)挾龋ù怪庇陧敼茼斶M(jìn)方向）取108m，高度取20m。模型采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行劃分，按離管道的遠(yuǎn)近，網(wǎng)格從疏到密，共劃分為1644893個單元，1555723個節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格模型如圖1和圖2所示，頂管截面示意圖如圖3所示。

3.2 材料的本構(gòu)及屈服模型

在較低應(yīng)力狀態(tài)下巖土體（含注漿材料）的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本符合理想彈塑性模型，屈服規(guī)律符合Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。本次數(shù)值模擬計算過程中，土體及注漿材料的本構(gòu)模型取彈塑性模型，相應(yīng)的屈服準(zhǔn)則選取Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。管節(jié)、工作井及居民樓1層建筑物構(gòu)件及樓房基礎(chǔ)均為鋼筋混凝土材料，在外荷載的作用下，其變形一般都處于彈性階段，故其本構(gòu)模型采用線彈性本構(gòu)模型。

圖1 整體數(shù)值網(wǎng)格模型

圖2 A-A剖面數(shù)值網(wǎng)格模型

圖3 頂管截面示意圖

3.3 初始條件與邊界條件

（1）初始條件：初始垂直土體地應(yīng)力按土體自重考慮。

（2）邊界條件：模型上表面為自由面，模型前、后、左、右側(cè)邊界施加水平方向約束，模型底面施加豎向法向約束。

（3）荷載施加：將居民樓荷載做等效處理。通過對第2～5層磚混結(jié)構(gòu)的面積和高度進(jìn)行自重估算，得到每一層樓房的自重大約為9000kN，故將第2～5層磚混結(jié)構(gòu)自重荷載等效為80kN/m2的均布荷載施加在第一層樓板上。

3.4 材料參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘查報告中關(guān)于巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)建議值，并類比其它類似巖土體的物理力學(xué)參數(shù)值，綜合確定本文的計算參數(shù)見下表。

頂管施工區(qū)域建筑及巖土體參數(shù)取值

3.5 計算工況

工況1：頂管開挖施工工況。

工況2：頂管施工結(jié)束后頂管上方土層注漿工況。

3.6 計算結(jié)果分析

通過Flac3D軟件對頂管施工過程及施工結(jié)束后的注漿過程進(jìn)行數(shù)值模擬計算，得到工況1及工況2條件下的豎向位移云圖如圖4和圖5所示。

圖4 工況1豎向位移云圖

圖5 工況2豎向位移云圖

由圖4和圖5可以看出，在頂管軸線的上方土體有沉降，而在靠近頂管的上部位置，土體沉降較大，達(dá)到了33.0mm。頂管施工開挖會引起居民樓基礎(chǔ)沉降，沉降最大值為8.0mm。頂管施工結(jié)束注漿后的居民樓基礎(chǔ)沉降最大值為9.5mm，沉降值的增量僅1.5mm，說明注漿對抑制沉降的進(jìn)一步發(fā)展有積極的作用。

將居民樓基礎(chǔ)豎向位移隨著居民樓基礎(chǔ)底部距頂管中心軸線距離增加的趨勢繪制成圖6。

圖6 居民樓基礎(chǔ)豎向位移分布圖

據(jù)圖6可知，隨著居民樓基礎(chǔ)底部距頂管中心軸線距離的增加，兩種工況下的居民樓基礎(chǔ)豎向位移都呈逐漸減小的趨勢。在居民樓基礎(chǔ)底部距頂管中心軸線10m處，居民樓基礎(chǔ)的沉降幾乎為0，說明頂管對居民樓基礎(chǔ)的影響主要在10m范圍內(nèi)，超過10m時，頂管施工對居民樓基礎(chǔ)的沉降幾乎沒有有影響。在靠近頂管中心軸線一側(cè)的居民樓基礎(chǔ)沉降值較大，工況1和工況2條件下的沉降分別為8.0mm和9.5mm，局部傾斜值分別為0.0009和0.01，均小于根據(jù)公式（1）[11]確定的高壓縮性土類地基允許最大沉降值S=11.7mm和局部傾斜最大值Δ=0.003（規(guī)范[11]規(guī)定值）。頂管施工結(jié)束后，注漿施工過程中，居民樓基礎(chǔ)沉降值和局部傾斜值的增量分別為1.5mm和0.0001，說明注漿對居民樓豎向沉降和局部傾斜的進(jìn)一步發(fā)展有較好的抑制作用。

式中：l——相鄰柱基中心距離，本文柱基間的距離為3.9m；

為了進(jìn)一步了解地表土體的沉降變化趨勢，將地表豎直位移隨著距頂管中心軸線距離增加的趨勢繪制成圖7。

據(jù)圖7可以看出，在工況1和工況2下的豎向位移都呈兩邊沉降小、中間沉降大的趨勢，在管道軸線上方地表沉降值達(dá)到最大，分別為15.5mm和16.7mm，隨著距頂管中心軸線距離的增加，地表沉降值逐漸減小，在頂管中心軸線近居民樓一側(cè)10m處地表沉降值幾乎為0，即該位置的沉降受頂管施工和施工后注漿過程的影響較小。距頂管中心軸線2.2m處的居民樓地表沉降值在開挖完成階段和注漿階段分別為8.0mm和9.5mm。頂管施工結(jié)束后，注漿施工過程中，居民樓地表最大沉降值的增量僅1.5mm，說明注漿對地表豎向位移的進(jìn)一步增加有較好的控制作用。

圖7 地表豎向位移分布圖

4 結(jié)語

本文通過對某截污改造工程進(jìn)行數(shù)值模擬計算，分析得出頂管近接施工對鄰近建筑物基礎(chǔ)沉降的影響規(guī)律，結(jié)論如下：

①頂管施工會使得管道軸線正上方的地表土體沉降較大，且隨著距管道中心軸線距離的增加，地表沉降逐漸減??；

②頂管施工會使得鄰近建筑物的基礎(chǔ)發(fā)生沉降，但有一個影響范圍，故應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該范圍內(nèi)建筑物的基礎(chǔ)變形情況；

③頂管施工結(jié)束后及時灌漿能有效抑制地表沉降的進(jìn)一步發(fā)展；

④頂管施工引起地表下陷的原因是多方面的，在頂管施工過程中必須對周邊地表和建筑物實(shí)行實(shí)時監(jiān)測，分析數(shù)據(jù)并預(yù)測其變形，為施工的安全性提供可靠的依據(jù)。