馬險(xiǎn)峰，陳 飛，吳 冰，胡 超，曹明洋

(1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3.喀什大學(xué)土木工程學(xué)院，喀什 844006；4.國網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，杭州 310007)

隨著中國城市化進(jìn)程不斷加快，土地資源變得極為稀缺。大直徑頂管電纜隧道作為城市輸供電網(wǎng)的重要配套設(shè)施，不僅能顯著提高電纜線路的輸送能力，而且有利于城市土地資源的充分利用，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于中國的城市電網(wǎng)建設(shè)中[1-3]。電纜隧道的建設(shè)往往需要穿越密集的建筑物群和既有的城市地下管線，而電纜頂管隧道作為淺埋基礎(chǔ)設(shè)施[4]，易對(duì)鄰近的建筑物和既有地下管線造成擾動(dòng)。因此，頂管電纜隧道施工時(shí)尤其需要考慮其對(duì)鄰近淺基礎(chǔ)建筑物和地下管線的擾動(dòng)影響。目前，中外許多研究學(xué)者通過有限元數(shù)值計(jì)算、物理模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法探究了頂管隧道施工對(duì)鄰近的建筑物和既有地下管線造成的擾動(dòng)影響規(guī)律，并發(fā)表了相應(yīng)的科研成果[5-8]。楊金虎等[9]采用數(shù)值模擬方法，研究了雙層頂管隧道施工對(duì)土體豎向變形的影響規(guī)律，研究表明頂管隧道開挖引起的土體沉降主要是由于地層損失引起的。李明宇等[10]通過對(duì)某雙線矩形頂管隧道的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，研究了雙線頂管隧道施工過程中地面沉降變化規(guī)律和分布特征。韓煊等[11]通過機(jī)理研究和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提出隧道施工過程中預(yù)測(cè)建筑物沉降曲線的方法。但是，以上研究關(guān)于采用土工離心機(jī)試驗(yàn)探究頂管隧道施工對(duì)鄰近淺基礎(chǔ)建筑物和地下管線的擾動(dòng)影響還不多見，而且現(xiàn)有關(guān)于隧道施工過程中預(yù)測(cè)建筑物沉降曲線的方法也沒有考慮土體內(nèi)摩擦角的影響?；诖?，現(xiàn)以上海地區(qū)軟黏土為例，采用離心機(jī)模型試驗(yàn)和有限元數(shù)值方法開展不同地層損失率工況下頂管電纜隧道施工對(duì)淺基礎(chǔ)建筑物及地下管線的影響研究，并提出用于評(píng)估頂管施工對(duì)鄰近淺基礎(chǔ)建筑物擾動(dòng)影響的修正Peck公式。研究成果將為頂管電纜隧道的建設(shè)提供一定的參考依據(jù)。

1 離心模型試驗(yàn)

相關(guān)研究表明地層損失是隧道開挖引起地層變形的主要原因[12]。采用離心機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)，探究不同地層損失率下頂管電纜隧道施工對(duì)鄰近淺基礎(chǔ)建筑物和地下管線的擾動(dòng)影響規(guī)律。

1.1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)的TLJ-150復(fù)合型巖土離心試驗(yàn)機(jī)上開展。工程中頂管施工產(chǎn)生的平均地層損失率在1%～3%范圍內(nèi)[13]，因此，分別設(shè)置地層損失率為1%、2%和3%的3個(gè)工況來進(jìn)行離心機(jī)模擬。采用排液法模擬不同地層損失率的工況，測(cè)定不同地層損失率下頂管電纜隧道施工時(shí)地表沉降、鄰近普通磚混建筑物和鑄鐵管線及混凝土管線的沉降變形，分析頂管隧道施工對(duì)鄰近建筑物和地下管線擾動(dòng)影響。地表沉降和建筑物沉降采用激光位移計(jì)測(cè)量，管線變形采用應(yīng)變片測(cè)量然后積分得到。

1.2 模型設(shè)計(jì)和制作

模型箱的尺寸為500 mm(寬)×800 mm(長)×500 mm(高)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾脠D及構(gòu)件詳圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾脠D及構(gòu)件詳圖

1.3 隧道、建筑物和管線模型設(shè)計(jì)

采用鋁合金空心管模擬隧道結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)中相似比N=50，根據(jù)等效剛度原理[14][式(1)]，可得出試驗(yàn)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)表

(1)

式(1)中：Em、Ep分別為模型和原型的彈性模量；νm、νp分別為模型和原型的泊松比；tm、tp分別為模型和原型的厚度；N為相似比，N=50。原型基礎(chǔ)的Ep=25 GPa，tp=200 mm，νp=0.2；基礎(chǔ)模型的Em=207 GPa，νm=0.29，計(jì)算得到鋁板基礎(chǔ)模型厚度tm=1.95 mm，此處取2 mm。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

為了保證在離心機(jī)中固結(jié)時(shí)隧道周圍溶液延長度方向能均勻分布，將乳膠套延隧道長度方向均分為兩段，每段長為220 mm。已知頂管管節(jié)模型外徑為60 mm，乳膠膜直徑為70 mm，可得出1%、2%和3%這3個(gè)地層損失率對(duì)應(yīng)的每個(gè)乳膠套需要累計(jì)排出液體量分別為8.5、17和15.5 mL。試驗(yàn)的詳細(xì)步驟如下。

(1)模型箱填土，安裝并固定好新建隧道后覆土固結(jié)。

(2)埋設(shè)地下管線和安裝建筑物模型并固結(jié)。

(3)打開第一個(gè)乳膠膜電磁閥，啟動(dòng)電機(jī)，通過電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)間換算得排液8.5 mL時(shí)依次關(guān)閉電機(jī)和電磁閥。

(4)打開第二個(gè)乳膠膜電磁閥，啟動(dòng)電機(jī)，通過電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)間換算得排液8.5 mL時(shí)依次關(guān)閉電機(jī)和電磁閥。

(5)測(cè)定既有管線應(yīng)變值和建筑物4個(gè)角點(diǎn)沉降值，固結(jié)一段時(shí)間后再測(cè)量，得出地層損失率為1%情況下頂管施工對(duì)鄰近建筑物和既有管線的影響。

(6)重復(fù)以上步驟，得出地層損失率為2%和3%情況下頂管施工對(duì)鄰近建筑物和既有管線的影響，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D(1∶10)

1.5 試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論

地表沉降由試驗(yàn)前后對(duì)應(yīng)位置激光位移計(jì)示數(shù)差換算得到[圖3(a)]，建筑物不均勻沉降由靠近隧道面底板和遠(yuǎn)離隧道面底板激光位移計(jì)示數(shù)差換算得到[圖3(b)]。通過對(duì)應(yīng)變片原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得到不同地層損失率條件下頂管隧道開挖對(duì)混凝土管、鑄鐵管的擾動(dòng)影響規(guī)律，計(jì)算結(jié)果如圖4(a)和圖4(b)所示。

圖3 不同地層損失率下的地表沉降和建筑物不均勻沉降

圖4 不同地層損失率下混凝土管線和鑄鐵管線變形曲線

由試驗(yàn)結(jié)果可知：隨著地層損失率的增大，地表沉降和建筑物沉降差顯著增大，這與文獻(xiàn)[15]中報(bào)道的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果一致;隨著地層損失率的增大，鑄鐵管和混凝土管豎向變形均顯著增大，但鑄鐵管的豎向變形小于混凝土管，這也說明了地下管線剛度的增加可以有效減小鄰近頂管隧道施工的擾動(dòng)影響。

2 有限元數(shù)值模擬

采用PLAXIS 3D2016有限元軟件研究軟黏土地層頂管電纜隧道施工過程中不同地層損失率對(duì)鄰近淺基礎(chǔ)建筑物及地下管線的擾動(dòng)影響規(guī)律。

2.1 數(shù)值模型的建立與計(jì)算參數(shù)選取

為了模擬頂管電纜隧道施工對(duì)鄰近建筑物和地下管線的擾動(dòng)影響，分別建立頂管電纜隧道-土體-淺基礎(chǔ)建筑物和頂管電纜隧道-土體-地下管線的共同作用模型，并在模擬中做出以下假設(shè)：①模型中的每層土體各向同性，且都遵循Drucker-Prager(D-P)準(zhǔn)則；②不考慮頂管機(jī)頭和管道連接處的影響，認(rèn)為管道的材料為各向同性的線彈性體；③正面頂推力的加載面與工具管的切削面大小相同，并且頂推力均勻分布在這個(gè)圓面上；④在頂管施工模擬過程中不考慮土體變形的時(shí)間效應(yīng)，僅僅考慮頂進(jìn)空間距離上的變化；⑤不考慮施工前土體自重應(yīng)力產(chǎn)生的變形；⑥地下管線與土體始終保持接觸，不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。

模型中土體的幾何寬度和深度為分別取80 m(X向)和40 m(Y向)以減小邊界效應(yīng)對(duì)模擬計(jì)算的影響。土體模型的頂面為自由面無約束，底部施加完全固定約束，兩側(cè)豎直邊界施加滑動(dòng)約束(Ux=0，Uy自由)。本次數(shù)值模擬擬采用小應(yīng)變硬化土模型(hardening soil model with small strain stiffness，HSS)來模擬土體的變形特性，建筑物、頂管電纜隧道和地下管線采用線彈性本構(gòu)模型。本次數(shù)值模擬采用上海交通大學(xué)測(cè)定的上海地區(qū)軟黏土參數(shù)，如表2、表3所示。電纜頂管隧道、建筑物和地下管線的計(jì)算參數(shù)分別如表4～表6所示。

表2 土層參數(shù)

表3 土層參數(shù)

表4 建筑物參數(shù)

表5 頂管電纜隧道參數(shù)

表6 地下管線參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬工況和結(jié)果分析

數(shù)值模擬工況：頂管電纜隧道模型的直徑為3 m，埋深為5 m，管節(jié)為3 m，總頂進(jìn)距離為33 m，管道周圍摩阻力取3 kPa，機(jī)頭壓力和注漿壓力都取管道中心處靜止土壓力119.6 kPa。分別取地層損失率為1%、1.5%、2%、2.5%和3%共5個(gè)工況下頂管電纜隧道開挖對(duì)鄰近淺基礎(chǔ)建筑物和地下管線的影響規(guī)律開展數(shù)值模擬研究。數(shù)值計(jì)算得到曲線如圖5所示，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：在地層損失率為1%～3%范圍內(nèi)，隨著地層損失率增加，建筑物不均勻沉降和管線豎向位移最大值皆逐漸增大，且數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果與前述的離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致。

圖5 數(shù)值模擬曲線

2.3 Peck公式的修正

韓煊等[11]提出一個(gè)考慮建筑物結(jié)構(gòu)剛度的建筑物沉降曲線的預(yù)測(cè)方法，計(jì)算公式為

(2)

式(2)中：

(3)

KS=βMβdβgβHK

(4)

βM=0.70M0.2

(5)

(6)

(7)

式中：s(x)為采用修正公式得到的地面任一點(diǎn)的沉降值，m；AL為隧道截面積，m2；VS為修正的地層損失率(考慮隧道和建筑物的夾角為α?xí)r)；KS為修正沉降槽寬度參數(shù)；z0為隧道軸線埋深，m；x為距隧道軸線的橫向水平距離，m；V為地層損失率;βM為建筑物剪切剛度修正系數(shù)；M為建筑物截面剪切剛度，109N；G為梁板柱等建筑物構(gòu)件的剪切模量，N/m2；ζ為建筑物有門窗洞口時(shí)的剛度折減系數(shù)；A為對(duì)應(yīng)建筑物構(gòu)件的截面積，m2；βd為考慮基礎(chǔ)埋深的沉降槽寬度參數(shù)修正系數(shù)；h為基礎(chǔ)埋深，m；βg為建筑物自重對(duì)建筑物沉降的沉降槽寬度參數(shù)修正系數(shù)，取βg=1；βH為考慮建筑物與隧道軸線之間距離的沉降槽寬度參數(shù)修正系數(shù)，取βH=1；K為沉降槽寬度參數(shù);φ為土的有效內(nèi)摩擦角。

對(duì)于Peck曲線中沉降槽寬度系數(shù)K的取值，目前應(yīng)用最多的O’reilly等[16]提出的經(jīng)驗(yàn)取值法(即根據(jù)不同的土質(zhì)直接賦予其經(jīng)驗(yàn)值，一般規(guī)定軟黏土取0.7)。由于軟黏土有效內(nèi)摩擦角并不是一個(gè)固定值，不同地區(qū)、成因的軟黏土的有效內(nèi)摩擦角會(huì)有差異。對(duì)工況相同但所在土層有效內(nèi)摩擦角不同的頂管電纜隧道開挖進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到了對(duì)應(yīng)的地表沉降曲線，將從這些地表沉降曲線中分析得出的沉降槽寬度系數(shù)值進(jìn)行研究，擬合得出了其與土體有效內(nèi)摩擦角的對(duì)應(yīng)公式。利用Origin2019軟件進(jìn)行曲線擬合，根據(jù)散點(diǎn)圖規(guī)律假設(shè)擬合函數(shù)形式為

y=Ae-x/t+y0

(8)

圖6 沉降槽寬度系數(shù)與土體有效內(nèi)摩擦角關(guān)系

通過處理，得到A=22.98,t=0.66,y0=3.466，因此得到軟黏土沉降槽寬度系數(shù)K與其有效內(nèi)摩擦角的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

(9)

由于該修正公式是基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果總結(jié)提出的，為了證明該修正公式的正確性，將該公式應(yīng)用于杭州蕭山燃機(jī)頂管項(xiàng)目[頂進(jìn)距離為600 m(沉降已相對(duì)穩(wěn)定)時(shí)11號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)]地表沉降預(yù)測(cè)(即將建筑物剛度修正系數(shù)取1用于預(yù)測(cè)地表沉降)，將該修正公式預(yù)測(cè)的地表沉降曲線與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及未修正的Peck沉降曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。

圖7 未修正及修正后的Peck沉降曲線與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

如圖10所示，修正后的Peck計(jì)算公式能更好地符合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律，說明提出軟黏土范圍內(nèi)對(duì)經(jīng)典Peck曲線的修正方法能更好地反映頂管電纜隧道開挖對(duì)周圍地層產(chǎn)生的擾動(dòng)影響。

3 結(jié)論

通過離心機(jī)試驗(yàn)和有限元數(shù)值計(jì)算方法探究了軟黏土地區(qū)頂管電纜隧道施工對(duì)鄰近建筑物和地下管線的擾動(dòng)影響，得出以下結(jié)論。

(1)頂管電纜隧道施工時(shí)，隨著地層損失率的增大，鄰近淺基礎(chǔ)建筑物不均勻沉降和地下管線豎向位移皆增大，且大剛度的地下管線相較于小剛度的地下管線擾動(dòng)影響更小。

(2)有限元數(shù)值模擬方法可以較好地模擬頂管隧道在不同地層損失率的工況。

(3)提出的修正Peck公式可以較好地評(píng)估在軟黏土區(qū)域的頂管電纜隧道開挖對(duì)周圍地層產(chǎn)生的擾動(dòng)影響。