左志鵬

(南昌市城市規(guī)劃設計研究總院, 江西南昌330038)

管幕箱涵頂進法將頂管和箱涵兩種技術結合起來[1]，能較好地適應城市軟土地層隧道的開挖。管幕法是一種新型的地下工程暗挖技術，是在小型管幕的基礎上構筑大跨度、大斷面地下工程的施工方法，頂管機將微型圓管提前頂入土體之中，再利用鎖扣將各個單管連接成管幕[2]，鎖扣處可通過注入砂漿來提高其防水能力[3]。箱涵頂進法的原型為頂管法，頂管施工過程中，頂管改變了原有的土體平衡，使頂管周邊土體發(fā)生應力重分布，從而對土體的穩(wěn)定性造成影響。毛海和[4]依托工程算例建立了數(shù)值計算模型，求證了由頂管機作用在后背墻各部分產(chǎn)生的反力在寬度和深度上的分布規(guī)律；黃章君[5]等建立了頂管過程中反力墻的三維有限元分析模型，研究了反力荷載對墻后土體、應力、空隙水壓的影響。

箱涵頂進法具有可以保證路上行車運輸安全，行車不中斷，臨時占地小等獨特的優(yōu)勢[6]，對施工環(huán)境的影響很小。孫鈞[7]等曾用數(shù)值模型模擬管幕箱涵頂進過程，并對地表變形特征進行了系統(tǒng)的研究。本文采用數(shù)值模擬的方法，對管幕的保護下箱涵受力情況和地表變形的程度進行了分析。同時，考慮到本工程反力墻是由人工填土構成，通過研究探明箱涵頂進完成后人造反力墻結構及反力墻樁基的變形位移。

1 工程概況

本文以贛江大道南昌大橋西橋頭路段的非機動車道改造工程為依托進行研究。工程起點為省教育廳對面的非機動車道，終點接萬達華府門前的非機動車道，道路全長約768 m，非機動車道標準斷面寬7 m，雙向通行。本文擬利用有限差分軟件對管幕結構對土體的加固效果和始發(fā)井反力墻的變形進行分析。工程位置如圖1所示。

圖1 工程位置

通道采用分離式雙箱雙孔斷面，分上下兩幅通行，單孔通道凈寬5 m，凈高3.3 m。頂管暗埋段兩側穿越地層為路基，主要為回填砂，無地下水，由于道路本身凈高的限制，暗埋段埋深僅1.5 m，頂管通道外包尺寸為4 300 mm×6 000 m(高乘寬)，箱涵管片的寬度為1.5 m，厚度為0.5 m，箱涵與路基相對位置如圖2所示。

圖2 箱涵與地基的位置關系(單位：m)

頂管暗埋段部分全長24 m，既有道路北側是頂管始發(fā)井，寬14.1 m，南側為頂管接收井兼做管幕工作井，寬16.6 m，深度為3 m，工程平面如圖3所示。

圖3 工程平面

工作井、接收井在土體加固達到設計強度后施做。頂管井支護采用φ1 000 mm鉆孔灌注樁結構型式，樁身混凝土強度等級C30，樁長16 m。工作井為兩排φ1 000 mm鉆孔灌注樁，后靠回填約3m土體用于抵抗頂推力；接收井為1排φ1 000 mm鉆孔灌注樁。頂管井深度約3 m，無地下水，采用自然放坡加拉森鋼板樁支護開挖。墻體混凝土強度等級為C30，設計抗?jié)B等級P6，始發(fā)井反力墻示意圖見圖4。

圖4 始發(fā)井反力墻

工程施工步驟主要為：

(1)圍擋施工場地，平整清理施工場地，測量放線，同時預制頂管管節(jié)。

(2)施工始發(fā)井、接收井支護樁、冠梁等。

(3)對始發(fā)井、接收工作井臨進現(xiàn)狀南斯友好路擋土墻區(qū)域土體進行高壓旋噴樁加固并對通道穿越范圍內(nèi)土體進行全斷面注漿加固。

(4)待土體加固達到設計強度后開挖始發(fā)、接收工作井，施做工作井底板及側墻結構。

(5)從南往北頂進管幕鋼管，施做洞門結構，鋼管內(nèi)灌注自密實混凝土，鋼管之間注漿。

(6)從北往南頂管頂進，施工頂管段。

(7)路面結構施工，通道裝飾。

2 管幕結構作用機理分析

淺埋隧道在開挖過程中，隧道開挖面前方土體受到施工擾動，發(fā)生應力松弛和地層移動；擾動區(qū)的范圍與隧道開挖面高度、跨度及埋深等因素有關。當埋深較小時地層移動迅速延伸至地表，宏觀的表現(xiàn)為地表沉降，而對深埋隧道能形成“土拱效應”，地層移動不會延伸至地表。為此，超前支護例如管幕(棚)、超前小導管等措施常常被應用于對沉降控制嚴格的淺埋隧道或軟弱地層中，達到對開挖面前方圍巖進行預支護或者預加固從而最大程度的控制地層移動。

管幕法中，形成管幕的鋼管使用鎖口連接，并在鎖口處注漿，形成密封的止水管幕。在管幕保護下，對管幕內(nèi)土體進行加固處理，然后一邊開挖一邊支護，管幕段開挖貫通之后，再澆筑鋼筋混凝土結構，形成大斷面通道矩型居多；本工程施工方法為管幕箱涵頂進法，即在管幕形成之后，先在兩側工作井內(nèi)澆筑箱涵，然后邊開挖土體邊頂進箱涵，形成所需的地下大通道。本施工方法中由于管幕的作用，能明顯降低地面沉降，從而更有效地保護地面建筑物的安全。管幕箱涵應用實例如圖5所示。

圖5 箱涵應用實例

3 有無管幕箱涵頂進數(shù)值模擬比較

3.1 數(shù)值模型的建立及計算假定

本文采用有限差分數(shù)值分析軟件Flac3D模擬管幕施工、箱涵頂進過程，以分析施工期間及完工后路面穩(wěn)定性。根據(jù)本項目實際尺寸情況，結合數(shù)值模擬邊界效應的影響，三維數(shù)值模型長55 m，寬24 m，高32 m，如圖6、圖7所示，區(qū)別在于前者頂進過程沒有管幕結構對土層進行加固，后者相反。針對本項目，參考其他類似項目經(jīng)驗，進行如下假定：

(1)土體為均勻的各向同性彈塑性體，采用3維8結點等參塊體單元模擬。

(2)頂管正面推力為圓形均布荷載。

(3)地層損失沿管道軸向均勻分布。

(4)由于僅考慮土層受到的附加變形及應力，計算中不考慮土體自重產(chǎn)生的變形和應力。

(5)頂管推進過程中不考慮土體時間效應，只考慮頂進空間距離的變化。

(6)由于頂管機頭和襯砌的剛度遠大于土體剛度以及彈性體位移連續(xù)性的要求，不考慮實際的頂管機頭和襯砌，而以力、位移和邊界條件來模擬。

(7)由于管幕采用F型接頭彼此連接緊密且內(nèi)部注漿，采用實體單元模擬管幕。

圖6 無管幕箱涵頂進模型

圖7 有管幕箱涵頂進模型

3.2 計算參數(shù)的確定

3.2.1 正面推進力的模擬

對正面推力的模擬，一般是根據(jù)附加的正面推力(實際前艙的工作壓力與該中心土層靜止側壓力之差)直接作用來模擬。頂管隧道在施工過程中，當頂管管節(jié)的尺寸、頂管頂掘機的類型、地層參數(shù)、埋設深度確定之后，頂管管節(jié)的掌子面迎面阻力往往可以認為是一個定值。

3.2.2 地層損失的模擬

地層損失的實質是開挖管道周圍土體在自重應力場的作用下充填由于超挖等形成的空隙的過程。本節(jié)通過在地層損失間隙相應位置建立一定厚度的注漿層來等效地層的損失。本文不對此層厚度進行深入探討，按設計要求及可能的變異情況進行選取，在初始應力計算時將其“殺死”，開挖計算時將其激活，這樣周圍土體在自重作用下壓縮注漿層，填充地層損失形成的間隙。

3.2.3 頂管注漿層切向應力的模擬

根據(jù)作用力與反作用力原理，頂管頂進時，在任意位置上所需的推頂力，應等于該處受到的頂進阻力的總和。頂進阻力由工作面前壁阻力和管道外壁摩阻力組成。在對頂進阻力作預測或驗算時，可根據(jù)頂進面前方有無中繼站分別考慮。在計算模擬注漿層的切向應力時，是對管壁四周相鄰的土層施加均布的切向力，其方向為頂管推進方向，大小則取為單位面積的摩阻力。在頂管隧道施工過程中，管壁摩阻力可以由管壁所受的正壓力乘以管壁與地層的摩擦系數(shù)得到。

3.2.4 數(shù)值計算參數(shù)

巖土層計算參數(shù)按照地勘報告選取。根據(jù)其他工程經(jīng)驗，選取的模型參數(shù)計算具體取值如表1所示。

表1 建立模型參數(shù)選取

3.3 計算結果分析

如圖8、圖9所示是計算結果中兩種模型的z方向位移?？梢钥闯?，在箱涵穿越路基后，隧道底部均有大于3 cm的隆起，管幕對隧道底部的隆起不會有很大的影響。沒有管幕的情況下，靠近箱涵上方土體z方向的最大沉降到達了9.05 cm；有管幕的情況下，同位置模型z方向的最大沉降為1.45 cm，相比沒有管幕的情況減少了約84 %的土體變形。并且通過圖示可知，有管幕支撐的情況下，下穿通道中間部分基本不會發(fā)生沉降，最大的沉降都發(fā)生在出口處最后一段箱涵處，這是在施工階段開挖最后一段土體時產(chǎn)生的，這個工作面是工程中的危險截面。管幕對于地面沉降的控制更加有效，如圖在有管幕的情況下，地面的沉降最大僅有3 mm，對比無管幕的情況，箱涵上部的地面沉降大多為4 cm，減箱涵頂進的始發(fā)口和到達出口甚至達到7 cm。結果說明管幕結構能在很大程度上控制箱涵頂進法的地表沉降。

圖8 無管幕箱涵頂進地層沉降

圖9 有管幕箱涵頂進地層沉降

如圖10、圖11所示是計算結果中箱涵的z方向應力圖。在箱涵全部頂進完成后，有管幕工況下箱涵受到的最大壓應力為62 kPa，無管幕工況下箱涵受到的最大壓應力202 kPa，可以看出管幕代替箱涵承受了很多土層壓力，起到了很好地支護作用。有管幕情況下最大拉應力為821 kPa，無管幕情況下為1.05 MPa。

圖10 無管幕箱涵受力情況

圖11 無管幕箱涵受力情況

4 反力墻受力數(shù)值模擬分析

4.1 反力墻數(shù)值模型的建立

為了分析箱涵頂進對反力墻結構和灌注樁的變形影響，采用有限差分軟件建立了三維模型。本模型尺寸為x向50 m，y向50 m,始發(fā)井下土層取30 m，回填土下土層取32 m。計算模型頂面為自由界面，其余各面為固定法向位移邊界。

同時為了更直觀的反映箱涵頂進結束后灌注樁的變形，分別在靠近始發(fā)井一排的灌注樁取中間的一根和邊緣一根，遠離始發(fā)井一側以同樣的方式選取。再取四根樁軸線設置x方向位移監(jiān)測點。建立的三維模型如圖12所示，內(nèi)部結構和監(jiān)測點的設置如圖13所示。

圖12 反力墻結構和土層模型

圖13 冠梁結構和灌注樁監(jiān)測點

本節(jié)研究反力墻結構和灌注樁的位移變形，箱涵頂進過程不再模擬。本節(jié)計算出箱涵頂進的正面頂推力，然后將換算出的應力作用在后背鋼板上，計算出反力墻結構和灌注樁的位移變形。

4.2 反力墻模型參數(shù)設定

4.2.1 反力墻受力大小的確定

頂管隧道在施工過程中，當頂管管節(jié)的尺寸、頂管頂掘機的類型、地層參數(shù)、埋設深度確定之后，頂管管節(jié)的掌子面迎面阻力往往可以認為是一個定值。

葛春輝[8]在《頂管工程設計與施工》中對于大刀盤切削的土壓平衡式和泥水平衡式頂管機的迎面阻力有如下的計算公式：

PF=Apγ0HKa

(1)

式中：Ap為管節(jié)有效橫截面面積(m2)；H為管頂距地面的高度(m)；Ka為主動土壓力系數(shù)Ka=tan2(45°-φ/2)。

劉華清等[9]認為為了保持開挖掌子面的穩(wěn)定性，迎面頂進力需要與刀盤前部的土體壓力和地下水壓力保持平衡?？紤]土體壓力合力作用點的迎面阻力計算公式為：

(2)

式中：PF為迎面阻力(kN)；D為頂管機徑(m)，如果是其他頂管機非圓形的情況下，πD2/4換算成頂管頂掘機的開挖斷面面積；K0為靜止土壓力系數(shù)，按K0=1-sinφ計算；γ為土體容重(kN/m3)；Hw為土體壓力中心到水位面的距離(m)；γw為水的重度(kN/m3)；Hp為土體壓力中心到頂管機頂部距離(m)；H為管節(jié)埋深(m)。

馬保松[10]認為目前頂管掘進機基本采用壓力平衡式頂管機，其迎面阻力主要是由作用在切削刀盤上的阻力、工作腔中的壓力、切削工具管刃口上的阻力等三部分組成。

在實際的施工過程中，壓力平衡式頂管掘進機的迎面阻力采用下列的公式進行計算：

Pzu=P1+P2

(3)

式中：Pzu為壓力平衡頂管的迎面阻力(kN)；P1為切削刀盤上的阻力(kN)；P2為工作腔的壓力(kN)；p1為切削刀盤上單位面積阻力(kN/m2)；pw為頂管機工作腔壓力(kN/m2)；ds為切削刀盤直徑(m)；ds1為掘進機內(nèi)徑(m)。

結合上述公式，考慮本工程實際情況，本例中正面推進力取105 kPa。

根據(jù)箱涵橫截面和反力墻鋼板的面積關系，換算出平均作用在反力墻鋼板上的力為50.2 kPa。

4.2.2 模型各組物理參數(shù)的確定

后背梁、梁冠、灌注樁和縱梁結合部采用C30混凝土，后背梁鋼板和頂進底板采用Q235鋼，土層及各部分的材料參數(shù)如表2所示。

表2 反力墻結構及土層參數(shù)

4.3 計算結果的分析

4.3.1 豎向變形

如圖14、圖15所示是箱涵頂進完成后反力墻區(qū)域z方向的位移?？梢钥闯龀诉h離下穿隧道一部分巖體發(fā)生了大約1.5 mm的隆起，反力墻部分、鉆孔樁、底板部分都發(fā)生了沉降，最大的沉降出現(xiàn)在鋼板部分，達到了4.6 cm。這是因為在頂管的頂推力下，后背梁，剛板，底板產(chǎn)生繞y軸逆時針的旋轉變形所致。灌注樁和其周圍土體產(chǎn)生了1.5 cm的沉降。

圖14 反力墻結構z向變形云圖

圖15 灌注樁結構z向變形云圖

4.3.2 水平變形

如圖16所示是結構在x方向發(fā)生的位移，整個土體的位移并不明顯，在圓礫層下層中間部分有4 mm的位移，這是由于灌注樁的位移對其造成的影響。灌注樁從上到下在x方向的位移越來越大。與對灌注樁的監(jiān)測結果相結合可知整個結構的最大位移出現(xiàn)在灌注樁的最下端。反力墻鋼板的頂部產(chǎn)生反向最大位移，達到7.8 mm，這說明鋼板發(fā)生了一定程度的逆時針旋轉，與上小節(jié)得到的規(guī)律相同。

圖16 灌注樁結構x向變形云圖

如圖17、圖18所示是4根灌注樁的位移變形曲線圖。在土層中越深，灌注樁產(chǎn)生的變形越大?？梢钥闯霾粌H僅是鋼板，整個灌注樁和土層都發(fā)生了逆時針方向的旋轉變形，靠近一側中線灌注樁底端發(fā)生最大8.8 mm的位移，邊緣灌注樁的最大位移較小，約為7 mm，因為作用力作用在鋼板上，中線上的灌注樁是主要的受力對象；靠近始發(fā)井這一排樁距離反力墻更近，受到的力更大，所以比遠離一排灌注樁發(fā)生的位移更大。遠離一側中線灌注樁有7.8 mm的最大位移，邊緣灌注樁最大位移為6.7 mm。

圖17 靠近始發(fā)井一側灌注樁x向變形量

圖18 遠離始發(fā)井一側灌注樁x向變形量

5 結論

本文利用有限差分軟件建立了三維數(shù)值模型，按照設計給定參數(shù)模擬了箱涵頂進法有無管幕兩種工況，模擬了依托人工填土構筑的始發(fā)井反力墻結構。得到的結果表示：

(1)有管幕的情況下進行軟土淺埋箱涵頂進施工可以顯著減少箱涵上方土體的變形；沒有管幕的情況下，地表沉降大多為4 cm，甚至7 cm，有管幕支持下，地表的沉降最多為3 mm，效果顯著。

(2)管幕可以為箱涵分擔70 %的土層壓力，可以減少矩形箱涵直角處的拉應力。

(3)人工填土構成的反力墻結構可以為頂管機提供支撐。在頂進箱涵的過程中，由于土體被擠壓，回填土會發(fā)生一定的沉降，約2 cm。反力墻鋼板，頂進底板，鉆孔灌注樁會發(fā)生整體逆時針方向的旋轉變形(沿y向)。模型中線灌注樁的變形大于邊緣灌注樁，靠近始發(fā)井一排灌注樁變形大于遠離始發(fā)井一排。灌注樁發(fā)生的位移最大為8.8 mm。