黃建華，王蘊(yùn)晨，楊鹿鳴

(1.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州350118；2.地下工程福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州350118)

伴隨中國(guó)城市化進(jìn)程迅速發(fā)展，地下工程的增多以及城市交通的擁擠，傳統(tǒng)明挖法施工由于占用大量地面空間，嚴(yán)重影響正常商業(yè)運(yùn)行和車輛通行，給居民日常生活帶來(lái)不便[1]。頂管法施工在管道和通道建設(shè)過(guò)程中可降低地表和地下環(huán)境的影響破壞，對(duì)加強(qiáng)城市建設(shè)和環(huán)境保護(hù)及地下管網(wǎng)規(guī)范化建設(shè)具有積極作用[2]。

既有的頂管施工力學(xué)特性研究中，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)頂管施工力學(xué)特性推導(dǎo)出系列理論公式[3-7]，對(duì)實(shí)際工程的施工起到了較好的指導(dǎo)作用。近年來(lái)，有限元分析也逐漸被運(yùn)用于頂管工程施工力學(xué)的研究。龐臣軍[8]采用有限元軟件分析頂管施工中頂推力的變化對(duì)地表沉降的影響。喻軍[9]通過(guò)有限元模擬方法, 優(yōu)化施工中摩阻力、機(jī)頭壓力、土體摩擦力等參數(shù)，有效控制施工中的地表沉降。董俊[10]通過(guò)數(shù)值模擬，提出控制施工中地表變形的措施。鄧長(zhǎng)茂[11]結(jié)合頂管工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及數(shù)值模擬研究，提出控制頂管的頂推力以及土體的損失程度可以降低地表隆起量。但針對(duì)濱海軟土地層淺覆土大斷面矩形頂管的施工工況研究還較少。本文結(jié)合福州某頂管實(shí)際工程，通過(guò)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)相結(jié)合的研究方法，對(duì)濱海軟土地層中淺覆土大斷面矩形頂管施工中造成的地表豎向位移和頂管應(yīng)力變化的力學(xué)特性進(jìn)行分析，研究成果對(duì)今后相類似的工程具有參考意義。

1 工程概況

頂管工程施工場(chǎng)地位于城市主干道的交匯地段，周圍均是人流量密集的商業(yè)廣場(chǎng)，地下管線眾多，緊鄰地鐵車站與商業(yè)廣場(chǎng)，頂管左側(cè)緊鄰地表水系，工程地質(zhì)地貌極其復(fù)雜。頂管長(zhǎng)度為47.25 m，斷面尺寸為9.02 m×9.26 m(寬×高)，地表最淺覆土僅有2.5 m，屬于超大斷面淺埋矩形頂管。頂管工程存在斷面大、埋深淺、土質(zhì)條件較差的特點(diǎn)。頂管平面布置如圖1(a)所示。

施工區(qū)間范圍內(nèi)上覆第四系人工堆積土、沖洪積土、淤積層，下伏花崗巖風(fēng)化層。主要分布土層為：雜填土、粉質(zhì)黏土、淤泥、中砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。本工程頂管頂部最小覆土深度2.5 m，最大覆土深度6.0 m。所在土層由地表向下依次為：雜填土、淤泥、中砂(夾薄層淤泥)、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。頂管的管節(jié)主要在雜填土、淤泥以及中砂土層中施工，其縱斷面如圖1(b)，橫斷面如圖1(c)。

(a)頂管平面布置圖(單位：m)

(c)頂管橫斷面圖(單位：mm)圖1 頂管施工平面與縱橫斷面圖Fig.1 Plan and longitudinal-cross section of pipe jacking project

2 數(shù)值模擬

2.1 三維模型建立

基于有限元軟件ABAQUS建立三維模型模擬頂管施工過(guò)程，對(duì)頂管施工過(guò)程引起的地表豎向變形特征以及頂管應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析。矩形大斷面頂管工程施工引起土體應(yīng)力變化影響范圍一般為3～5倍頂管斷面高度與寬度中的較大值[12-14]，因此模型尺寸設(shè)定為80 m×47.25 m×50 m(長(zhǎng)×寬×高)。模型的網(wǎng)格劃分采用C3D8非協(xié)調(diào)單元的網(wǎng)格劃分方式。模型的上表面設(shè)為自由邊界，模型兩側(cè)限制水平位移，底面限制水平和豎直兩方向的位移。采用DP模型進(jìn)行分析，三維模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 三維模型網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Grid mesh of 3D model

2.2 模型參數(shù)選取

現(xiàn)場(chǎng)取樣得到土層的物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 地層物理參數(shù)

3 數(shù)值模擬分析

3.1 地表豎向位移分析

選取距始發(fā)井13 m處設(shè)為斷面A，對(duì)頂管施工造成的地表豎向位移情況進(jìn)行分析。圖3為施工時(shí)，頂管頂進(jìn)10、20、30 m以及貫通時(shí)的土體地表豎向位移云圖。

分析結(jié)果表明，頂管的頂進(jìn)會(huì)造成土體表面較大的沉降，土體受影響范圍隨頂管頂進(jìn)距離的增加而不斷擴(kuò)大。圖3(a)中，由于頂管機(jī)接近斷面A并對(duì)前方掌子面產(chǎn)生頂進(jìn)作用力，使前方土體受到擠壓而產(chǎn)生一定的隆起，隆起的最大值達(dá)到6.041 mm。而在頂管機(jī)通過(guò)斷面A后，隨著距離不斷增加(圖3(b-d))，周圍土層的地表由隆起轉(zhuǎn)變?yōu)槌两?，沉降變形和范圍逐漸增加，最終達(dá)到42.11 mm。

(a)頂管頂進(jìn)10 m

(b)頂管頂進(jìn)20 m

(c)頂管頂進(jìn)30 m

(d)頂管貫通圖3 頂管項(xiàng)進(jìn)過(guò)程地表豎向位移云圖Fig.3 Vertical displacement diagram of ground surface during pipe jacking

將距離頂管始發(fā)井13、18、23、28 m 4個(gè)位置分別設(shè)為斷面A、B、C、D，斷面具體位置如圖4所示。

圖4 斷面A、B、C、D位置圖(單位：m)Fig.4 Location diagram of section A、B、C、D

在斷面A、B、C、D上，分別將頂管頂進(jìn)10、15、20、25、30、35、40 m，而后對(duì)頂管貫通時(shí)的地表沉降曲線變化規(guī)律進(jìn)行分析，如圖5所示。

(a)斷面A

(b)斷面B

(c)斷面C

(d)斷面D圖5 頂管頂進(jìn)過(guò)程中各斷面處地表沉降曲線Fig.5 Surface settlement curve of each section during pipe jacking

分析結(jié)果表明：(1)在斷面A和B處，當(dāng)頂管機(jī)接近斷面時(shí)，頂管上方土體出現(xiàn)少量隆起，是由于頂管頂推力作用使頂管機(jī)前方土體受到擠壓而產(chǎn)生。(2)當(dāng)頂管機(jī)通過(guò)斷面后，頂管機(jī)與后續(xù)管節(jié)的管徑差造成地層損失使地表出現(xiàn)較大的沉降，隨頂管不斷向前頂進(jìn)，地表土體沉降量以及沉降范圍逐漸擴(kuò)大，頂管機(jī)貫通時(shí)所產(chǎn)生地表沉降值最大。(3)頂管施工的橫向影響范圍約8D(D為頂管的寬度)，離頂管中軸線越近頂管上方土體的沉降量就越大，在頂管中軸線左右超過(guò)4D的范圍，頂管頂進(jìn)幾乎不對(duì)地表土體產(chǎn)生影響。(4)斷面上的最大沉降點(diǎn)始終在頂管中軸線正上方的位置，沉降值隨中軸線向兩側(cè)逐漸遞減。

將斷面A處位于頂管中軸線上的測(cè)點(diǎn)設(shè)為a。圖6為測(cè)點(diǎn)a隨頂管頂進(jìn)10、15、20、25、30、35、40 m以及頂管貫通時(shí)的地表豎向位移曲線圖。

圖6 測(cè)點(diǎn)a地表豎向位移曲線Fig.6 Vertical displacement curve of monitoring point a

頂管頂進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)頂管機(jī)接近監(jiān)測(cè)點(diǎn)a時(shí)，由于頂管機(jī)對(duì)前方掌子面產(chǎn)生頂進(jìn)作用力，測(cè)點(diǎn)a處的地表土體受到擠壓而產(chǎn)生隆起。當(dāng)頂管機(jī)通過(guò)測(cè)點(diǎn)a之后，地表從隆起迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槌两?，隨頂管逐漸向前頂進(jìn)對(duì)周圍土體產(chǎn)生持續(xù)擾動(dòng)，地表沉降值逐漸增大，在頂管貫通時(shí)沉降值達(dá)到最大。

3.2 頂管應(yīng)力分析

圖7為位于頂管機(jī)后方距離為5、10、15、20、25 m 5個(gè)斷面處頂管上側(cè)、左側(cè)以及下側(cè)管壁在頂管施工過(guò)程中最大主應(yīng)力的變化規(guī)律。

(a)上側(cè)管壁

(b)左側(cè)管壁

(c)側(cè)管壁圖7 各個(gè)側(cè)面管壁最大主應(yīng)力值Fig.7 Maximum principal stress on all sides of the pipe wall

分析結(jié)果表明，5個(gè)斷面的最大主應(yīng)力變化規(guī)律基本相同，頂管剛頂進(jìn)時(shí)，最大主應(yīng)力迅速增加。隨頂管逐步頂進(jìn)，由于漿液的潤(rùn)滑效果，最大主應(yīng)力的增長(zhǎng)速率逐漸下降，但最大主應(yīng)力值仍然在緩慢增加。頂進(jìn)完畢時(shí)，頂管上側(cè)管壁的最大主應(yīng)力值達(dá)到4.11 MPa，頂管左側(cè)管壁的最大主應(yīng)力值達(dá)到4.37 MPa，頂管下側(cè)管壁的最大主應(yīng)力值達(dá)到8.96 MPa。頂管下側(cè)管壁最大主應(yīng)力較頂管上側(cè)和左側(cè)管壁最大主應(yīng)力值有較大的提高，原因是頂管下側(cè)管壁在頂管頂進(jìn)時(shí)受到頂管上部土壓力以及頂管自身的重力作用。

通過(guò)對(duì)實(shí)際工況數(shù)值模擬分析，大斷面矩形頂管施工力學(xué)特性有：(1)掘進(jìn)機(jī)接近監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，由于頂管機(jī)對(duì)前方土體的擠壓，使斷面周圍土體產(chǎn)生略微隆起；(2)頂管施工對(duì)周圍地表的橫向影響約為8D，造成地表沉降最大值在頂管中軸線的正上方；(3)頂管應(yīng)力在頂管剛頂進(jìn)時(shí)迅速增大，隨著后續(xù)漿液注入產(chǎn)生的潤(rùn)滑效果降低了管土之間的摩擦力，應(yīng)力的增大速率降低但仍然在繼續(xù)增大；(4)頂管頂進(jìn)時(shí)受到上部土壓力及自身的重力作用，使得頂管下側(cè)管壁所受應(yīng)力大于上側(cè)和左側(cè)位置。

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 施工監(jiān)測(cè)方案

為保證工程的順利實(shí)施，對(duì)頂管施工影響范圍內(nèi)土體的地表豎向位移變化情況進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，在頂管施工地表附近區(qū)域布置了沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體布置情況如圖8所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要布置在頂管頂進(jìn)路線周圍的兩側(cè)以及頂管中軸線的正上方，共計(jì)17個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為D1～D17。D1測(cè)點(diǎn)距離頂管起始位置3 m，其余各監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離為5 m左右。一共布置兩排一列測(cè)點(diǎn)，在距離頂管始發(fā)井13、28 m位置處有兩排橫向監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在頂管的中軸線正上方有一列縱向測(cè)點(diǎn)。施工中使用J2型經(jīng)緯儀測(cè)量地表豎向位移變化情況，并采用fx4500P計(jì)算器編排程序計(jì)算地表土體豎向位移的變化值。

圖8 地表沉降測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.8 Layout of measuring points for surface settlement

4.2 頂管橫斷面地表沉降分析

圖9是距始發(fā)井13 m處監(jiān)測(cè)斷面在頂管分別頂進(jìn)10、15、20、25、30、35、40 m以及頂管貫通時(shí)地表豎向位移變化曲線。

圖9 距始發(fā)井13 m斷面處地表豎向位移曲線Fig.9 Vertical displacement diagram of ground surface at the 13m section from the original well

從圖9可看出：(1)頂管頂進(jìn)10 m時(shí)，頂管機(jī)還未達(dá)到監(jiān)測(cè)斷面，由于頂管機(jī)的頂推力使監(jiān)測(cè)斷面上方的土體呈略微隆起，最大隆起值在頂管中軸線正上方，并且距離中軸線越遠(yuǎn)，土體的隆起越小。(2)在頂管頂進(jìn)15 m時(shí)，由于施工方對(duì)注漿量以及注漿壓力的施加較小，在路面荷載的作用下，頂管監(jiān)測(cè)斷面上的各測(cè)點(diǎn)開始出現(xiàn)沉降趨勢(shì)。(3)在頂管頂進(jìn)25、30、35 m時(shí)，地表產(chǎn)生了較大沉降，是因?yàn)轫敼軝C(jī)頂進(jìn)到18 m位置處刀盤受阻，施工方采用開槽清除障礙物的方法對(duì)周圍土體產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，而之后頂管頂進(jìn)對(duì)周圍土體進(jìn)行二次擾動(dòng)，從而產(chǎn)生了較大的地表沉降。(4)在頂管頂進(jìn)35、40 m以及頂管貫通時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面上的部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)在原有沉降的基礎(chǔ)上各自出現(xiàn)了略微的隆起，這是由于地下承壓水的上浮力對(duì)頂管產(chǎn)生的作用，使頂管產(chǎn)生上浮，致使監(jiān)測(cè)斷面上的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在原位沉降的基礎(chǔ)上各自出現(xiàn)了略微的隆起。

4.3 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)布置情況，選取距離始發(fā)井13、28 m處兩排橫向監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析地表沉降時(shí)程變化規(guī)律，如圖10所示。

圖10 監(jiān)測(cè)斷面上各測(cè)點(diǎn)施工過(guò)程地表變形Fig.10 Surface deformation of measuring points on sections during construction

從圖10的沉降變化曲線可以看出：(1)頂管機(jī)距離監(jiān)測(cè)斷面較遠(yuǎn)時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面的地表變形隨頂管的頂進(jìn)而逐漸增大，主要是由于頂管機(jī)通過(guò)頂管斷面時(shí)，切削監(jiān)測(cè)斷面下方附近的土體使土體原有的平衡遭到破壞，從而產(chǎn)生地表沉降。(2)頂管機(jī)靠近監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，地表土體會(huì)產(chǎn)生一定的隆起，這是由于頂管機(jī)對(duì)周圍土體產(chǎn)生的擠壓作用。(3)頂管機(jī)通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面后，由于頂管機(jī)的斷面尺寸大于后續(xù)的頂管管節(jié)而產(chǎn)生空隙，使土體存在地層損失，最終導(dǎo)致明顯的沉降。可以在頂管機(jī)頭通過(guò)的位置進(jìn)行減摩注漿的填充，以減少地表沉降量，降低頂管頂進(jìn)對(duì)地表照成的影響。(4)在頂進(jìn)35 d后，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降值突然增大，是因?yàn)轫敼茼斶M(jìn)到35 d 后，頂管的掘進(jìn)機(jī)發(fā)生了刀盤受阻的現(xiàn)象，施工方采用開槽清除障礙物的方法對(duì)掘進(jìn)機(jī)周圍的土體產(chǎn)生了較大的擾動(dòng)。

4.4 模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比

圖11(a)和圖11(b)分別選取距離始發(fā)井13 m監(jiān)測(cè)斷面處，當(dāng)頂管頂進(jìn)10、15 m時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的地表沉降情況對(duì)比圖。

通過(guò)圖11(a)和圖11(b)可知，有限元分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線發(fā)展基本一致，實(shí)測(cè)與分析數(shù)據(jù)相比略有波動(dòng)，地表的隆起和沉降的最大值都出現(xiàn)在頂管中軸線正上方，并且離中軸線越遠(yuǎn)，頂管對(duì)地表沉降的影響也越小。

圖11(a)為頂管頂進(jìn)10 m時(shí)地表豎向位移曲線，地表呈現(xiàn)隆起趨勢(shì)。斷面上的曲線呈現(xiàn)正態(tài)分布的規(guī)律，在頂管中軸線正上方隆起值最大，模擬值6.12 mm與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值7.36 mm相近。中軸線左右兩側(cè)測(cè)點(diǎn)均略小于模擬值，是由于施工場(chǎng)地位于人流量較大的商業(yè)區(qū)，頂管施工過(guò)程中易受到不均勻路面荷載影響而導(dǎo)致的。總體來(lái)看，實(shí)際監(jiān)測(cè)值與有限元分析計(jì)算值變化趨勢(shì)大致相同。圖11(b)為頂管頂進(jìn)15 m時(shí)地表豎向位移曲線，地表呈現(xiàn)下沉趨勢(shì)。頂管中軸線正上方測(cè)點(diǎn)的沉降值最大，模擬值為-23.41 mm，與實(shí)測(cè)值-21.62 mm較為相近。斷面上的沉降曲線呈現(xiàn)拋物線分布，實(shí)測(cè)曲線在模擬曲線周圍輕微波動(dòng)與模擬曲線基本相同，數(shù)值模擬結(jié)果基本正確，滿足工程實(shí)際要求。

(a)10 m處

(b)15 m處

(c)中軸線正上方圖11 頂管頂進(jìn)過(guò)程中實(shí)測(cè)值與模擬沉降值對(duì)比Fig.11 Comparison of settlement between measured and simulated values during construction

圖11(c)為距離始發(fā)井13 m處的監(jiān)測(cè)斷面在頂管中軸線正上方測(cè)點(diǎn)隨頂管頂進(jìn)過(guò)程中的數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的地表沉降情況對(duì)比圖。根據(jù)圖11(c)的分析結(jié)果，頂管頂進(jìn)10 、15 m時(shí)，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)值擬合度較高；但頂管頂進(jìn)15 m之后，地表產(chǎn)生了較大沉降，是因?yàn)轫敼軝C(jī)頂進(jìn)到18 m處由于刀盤受阻，施工方采用了開槽清除障礙物的方式對(duì)周圍土體的擾動(dòng)較大，使數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差別較大。

由于數(shù)值模擬時(shí)簡(jiǎn)化了土層參數(shù)及施工現(xiàn)場(chǎng)不規(guī)律的車流量等施工擾動(dòng)因素，使地表沉降監(jiān)測(cè)值與數(shù)值模擬雖大體上擬合，但也存在略微差距。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工中頂管機(jī)前方塊石和拋石開槽清理對(duì)周圍的土體擾動(dòng)影響較大，造成地表土體沉降變形無(wú)規(guī)律可循，不利于頂管施工順利進(jìn)行。

5 結(jié)論

1)對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頂管機(jī)靠近監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，頂管上覆土體產(chǎn)生略微的隆起現(xiàn)象；當(dāng)頂管機(jī)通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面后頂管上覆土體逐漸開始沉降，隨著頂管的繼續(xù)深入，由于頂管機(jī)與后續(xù)管節(jié)的管徑差造成地層損失，地表出現(xiàn)較大的沉降。地表最大沉降量位于頂管中軸線的上方，頂管的沉降影響范圍約8倍的頂管寬度。

2)當(dāng)頂管機(jī)接近頂管中軸線上的測(cè)點(diǎn)時(shí)，由于下方頂管機(jī)的頂推力使測(cè)點(diǎn)處地表產(chǎn)生一定的隆起；當(dāng)頂管機(jī)通過(guò)測(cè)點(diǎn)后，測(cè)點(diǎn)處地表從隆起迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槌两?，并且隨頂管機(jī)向前頂進(jìn)，地表的沉降值不斷增大，頂管施工完成時(shí)，測(cè)點(diǎn)處地表沉降達(dá)到最大。

3)頂管剛剛頂進(jìn)時(shí)，最大主應(yīng)力迅速增加。隨著管節(jié)的逐步頂進(jìn)，最大主應(yīng)力的增長(zhǎng)速率逐漸下降，頂進(jìn)完畢時(shí)，應(yīng)力值達(dá)到最大。由于頂管的下側(cè)管面在頂管頂進(jìn)時(shí)受到頂管上部土壓力以及頂管自身的重力作用，使頂管下側(cè)管壁最大主應(yīng)力大于頂管上側(cè)和左側(cè)管壁。

4)通過(guò)開槽的方式清理掘進(jìn)機(jī)前方障礙物對(duì)周圍的土體擾動(dòng)影響較大，造成地表土體呈現(xiàn)出不合理的沉降，不利于頂管施工順利進(jìn)行。在頂管施工前應(yīng)做好地質(zhì)勘察，避免長(zhǎng)時(shí)間開槽導(dǎo)致工期延后以及過(guò)大的土體擾動(dòng)。