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        頂管工程對臨近既有管廊沉降影響的有限元分析

        2021-12-31 04:56:32于江
        特種結(jié)構(gòu) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:頂管管廊擾動

        于江

        天津市政工程設(shè)計研究總院有限公司 300392

        引言

        隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及土地資源的日益稀缺,建設(shè)地下工程進(jìn)行大范圍開挖,不僅成本較高,也會對周邊建(構(gòu))筑物的使用產(chǎn)生影響,帶來不便。尤其是管道工程施工,傳統(tǒng)的明挖鋪設(shè),基坑距離較長,影響沿線其他設(shè)施使用,且安全、成本更是難以保證。相比而言,采用頂管施工技術(shù),既能節(jié)約土地、資金,又對周遭干擾小,可更好地避免以上隱患,保證項目順利進(jìn)行。但頂管工程施工難度大,施工前必須對周圍地下建(構(gòu))筑物勘測探明,頂管過程會產(chǎn)生的土體擾動是施工過程中的不利因素。因此對大型頂管工程所穿越的建(構(gòu))筑物沉降影響進(jìn)行預(yù)測,掌握其沉降變形規(guī)律和確保安全施工是十分重要的[1]。

        1 頂管引起管廊沉降的原因

        頂管施工法的工藝流程是由頂管機(jī)頭切削土體進(jìn)行開挖,土體先處于卸載狀態(tài);再由工作井千斤頂頂進(jìn),對機(jī)頭前方一定土體產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動作用而使其處于擠壓狀態(tài);由于機(jī)頭工具管的管徑大于后續(xù)管節(jié)直徑產(chǎn)生空隙,使管周土體處于卸載狀態(tài)產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象[2]。

        頂管施工引起土體變形致使管廊發(fā)生沉降的原因是施工過程中對土體擾動和由于開挖引起的土體應(yīng)力損失兩方面。應(yīng)力對土體產(chǎn)生擾動:在頂管施工中應(yīng)力的來源主要有兩種:一是正面附加頂推力;二是由于掘進(jìn)機(jī)與土體及后續(xù)管道與土體之間的摩阻力共同對土體產(chǎn)生擾動。土體應(yīng)力損失:在掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭開挖過程中,前艙壓力的過大會引起超挖,即開挖面的超挖,也會引起土體損失;另外工具管在頂進(jìn)時,由于各種原因會偏離設(shè)計軸線,這時需要糾偏,糾偏方法有挖土糾偏法和強(qiáng)制糾偏法,這兩種方法都會產(chǎn)生空隙,形成土體損失[3]。

        為了掌握頂管工程導(dǎo)致管廊發(fā)生沉降的影響規(guī)律,需要在研究上述沉降機(jī)理的基礎(chǔ)上,對其施工的影響范圍與大小進(jìn)行定量研究,即不僅要預(yù)測土層運(yùn)動的最大值,而且還要研究其影響的分布規(guī)律[4]。

        2 工程概況及地質(zhì)條件

        2.1 工程概況

        擬建管道是由于工程需要進(jìn)行的頂管工程施工,其中頂管過程某段管道穿越既有的管廊結(jié)構(gòu)下方,管道最近點(diǎn)距離管廊底板約4.5m,故選取此段管道、管廊及周圍土體作為模擬研究對象。頂管管徑為D2500mm,下斜穿管廊斷面,頂管階段為使管道順利頂進(jìn),管壁與土體間會留有空隙,頂進(jìn)同時進(jìn)行管外壁注漿以減小對周圍土體的擾動,由于此次模擬工程頂管4.5m 范圍內(nèi)存在管廊,故通過模擬分析觀測管廊的變形情況,以便對實際工程提出指導(dǎo)意見。

        2.2 地質(zhì)條件

        模型地質(zhì)情況如下:埋深30.0m以上土層的水平方向地層層狀分布起伏不大;由于各土層地質(zhì)年代及成因類型不同,在垂直方向上出現(xiàn)海陸交替沉積,主要巖性特征為粉質(zhì)黏土、粉砂和粉土相間沉積。整體分析各土層,垂向各土層力學(xué)性質(zhì)有所差異。其中管道主要穿越淤泥質(zhì)黏土以及粉土層。淤泥質(zhì)黏土,土層靈敏度較高,壓縮性高,強(qiáng)度低,易造成土體的不均勻沉降。相關(guān)土層物理力學(xué)參數(shù)及地層分布見表1。

        表1 地層分布及參數(shù)Tab.1 Stratigraphic distribution and parameter

        3Midas三維有限元分析

        3.1 計算模型的建立

        應(yīng)用Midas軟件進(jìn)行模擬計算時,土體采用修正的MC 本構(gòu)模型[5],共分成6 層土。頂管管節(jié)采用線彈性本構(gòu)。土層模型外邊界采用6 面體固定約束。網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格劃分,每1m劃分一格。對頂管逐步頂進(jìn)的施工過程進(jìn)行模擬,共11 個施工步驟,逐步進(jìn)行鋼管頂進(jìn)。另考慮頂管對周圍土層的擾動,對管壁周圍進(jìn)行一層薄弱層的劃分,以模擬頂進(jìn)時管道與土體間的空隙。模擬時只考慮在正常工況下施工,如遇大量降水等極端狀況需調(diào)整圖紙參數(shù)及排水情況另作研究。

        模型計算域為50m ×50m ×20m,幾何模型見圖1,管道上方到所穿管廊最近點(diǎn)垂直距離為4.5m。管廊內(nèi)徑2.2m ×3.5m,壁厚0.35m,底板厚0.45m,管道管節(jié)外徑3.0m,內(nèi)徑2.5m,管壁厚度250mm,管節(jié)長度根據(jù)模擬需要設(shè)定為5m/節(jié),共頂進(jìn)10 次。頂推力150kN/m2,網(wǎng)格模型見圖2。

        圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model diagram

        圖2 幾何網(wǎng)格Fig.2 Geometric model

        3.2 計算分析

        通過軟件,主要模擬計算了管道頂進(jìn)過程中管廊的沉降量。頂管每步頂進(jìn)距離5m,頂進(jìn)第十步即頂管完成50m。所得的豎向位移云圖如圖3 所示,云圖中正值為隆起量,負(fù)值為沉降。

        由模擬云圖可得到管廊受到頂管影響產(chǎn)生沉降的位移分布,管廊最大位移點(diǎn)出現(xiàn)在管道與管廊豎向平面最近處,分布狀況如圖3a、b。

        圖3 Z 向位移云圖(單位: mm)Fig.3 Z-displacement cloud diagram(unit:mm)

        管廊沉降隨著頂進(jìn)動態(tài)變化,圖4 顯示了在整個頂進(jìn)過程中距管道最近點(diǎn)的位移變化量,橫坐標(biāo)S1 ~S11 代表頂進(jìn)過程施工段。X、Y為頂進(jìn)平面的橫、縱方向量,Z為垂直頂進(jìn)平面顯示沉降的方向量,總位移為X、Y、Z三向合向量。由圖可知管廊的沉降量在頂進(jìn)完成時管廊沉降量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)且為最大值約8mm,沉降量隨頂進(jìn)距離增大而增加。

        圖4 管廊距頂管管道最近點(diǎn)位移變化曲線Fig.4 Displacement curve of the nearest point between the pipe gallery and the pipe jacking

        3.3 數(shù)據(jù)比較

        根據(jù)頂管施工現(xiàn)場實際反饋,頂管形式采用泥水平衡式,管道頂進(jìn)至施工完成管廊沉降監(jiān)測值最大約1cm,出現(xiàn)在施工結(jié)束后第2 天。實測數(shù)值略大于模擬結(jié)果。根據(jù)《頂管施工技術(shù)及驗收規(guī)范》(試行)表格4.0.4 規(guī)定,泥水平衡式頂管機(jī)型沉降量小于3cm即滿足要求。綜上,頂管施工離管廊底部較近(4.5m)雖然產(chǎn)生輕微沉降,但不會影響管廊內(nèi)部運(yùn)行或?qū)Y(jié)構(gòu)造成不良影響。

        4 結(jié)語

        在頂管工程實際施工中應(yīng)加強(qiáng)對管廊變形的監(jiān)測,尤其是距離頂管較近處在施工過后進(jìn)行長期監(jiān)測,以便掌握周圍土體變形狀況,還可對管廊側(cè)壁、底板的應(yīng)力狀況監(jiān)測把控,防止出現(xiàn)局部沉降導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞等狀況發(fā)生。如果所建工程環(huán)境條件復(fù)雜,頂管工程穿越諸如道路等城市基礎(chǔ)設(shè)施工程時,可根據(jù)地質(zhì)條件等數(shù)據(jù)建立有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析預(yù)測,根據(jù)模擬結(jié)果提前得出應(yīng)急方案。處于不同地質(zhì)環(huán)境的工程會有模擬結(jié)果上的差異,應(yīng)及時根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整施工參數(shù)。

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