毛祖夏,王國(guó)權(quán),孫寶生,李佳明,黃 磊,陳式軒
(1.寧波市鄞城集團(tuán)有限責(zé)任公司,浙江 寧波 315000;2.寧波市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 寧波 315000)
頂管法作為一種非開(kāi)挖的技術(shù),可以顯著降低對(duì)周邊環(huán)境以及地面交通的影響,其在污水管網(wǎng)、綜合管廊等地下工程得到大量應(yīng)用。矩形頂管較圓形頂管有更高斷面利用率,能更好的適用淺覆土工況,常用于城市地下聯(lián)絡(luò)通道。但相較圓形頂管,其弊端在于更易受到掌子面支護(hù)壓力、注漿壓力、管土摩阻力、背土效應(yīng)、超挖、欠挖等因素的影響,易造成地表及臨近管線下沉或隆起,甚至?xí)斐傻叵驴斩磫?wèn)題,從而引發(fā)地面塌陷。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)矩形頂管開(kāi)展了一些研究。有學(xué)者對(duì)軟土地區(qū)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果表明:地表前期隆起越大,則相應(yīng)最終沉降越小,最大沉降位于始發(fā)井周圍;頂推力造成地表隆起,土層損失造成地表下沉?;诶碚摲椒ㄟM(jìn)行分析,結(jié)果表明:地表隆起的主誘因是正面附加推力,其次為頂管機(jī)及后續(xù)管節(jié)造成的摩阻力。通過(guò)理論、實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算的分析方法對(duì)施工階段多因素進(jìn)行研究,結(jié)果表明:地層損失對(duì)地表沉降影響較大,摩阻力次之,注漿有助于地表抬升。分析了摩阻力、掌子面附加應(yīng)力、地層損失的共同作用,提出矩形頂管地層位移計(jì)算方法,表明地表隆起主要是附加應(yīng)力、摩阻力,沉降則是地層損失造成。通過(guò)ABQUES模擬淺層頂管頂進(jìn),并與實(shí)測(cè)對(duì)比分析,結(jié)果表明:淺埋頂管施工,地表為整體沉降,側(cè)摩阻力和推力共同引發(fā)了短時(shí)間地表隆起。通過(guò)理論、數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)3方面對(duì)頂管施工引起的臨近地鐵隧道展開(kāi)研究,認(rèn)為地層損失是引發(fā)隧道變形的主要原因。
目前,矩形頂管相關(guān)研究分析主要集中在深埋情況,對(duì)于軟土地基淺埋大斷面的矩形頂管深入研究較少。本文依托寧波市鄞州區(qū)醫(yī)藥學(xué)校地道頂管工程,通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬及相關(guān)影響敏感性參數(shù)進(jìn)行分析,進(jìn)一步完善淺埋大斷面頂管施工對(duì)地表沉降理論分析,可為相關(guān)工程提供設(shè)計(jì)依據(jù)及施工技術(shù)參考。
工程位于寧波市鄞州區(qū)鄞縣大道東段,北側(cè)為浙江醫(yī)藥高等??茖W(xué)校,南側(cè)為浙江萬(wàn)里學(xué)院,通道橫穿鄞縣大道,主通道段全長(zhǎng)67.5 m,采用矩形頂管工藝施工,共45節(jié),單片管節(jié)長(zhǎng)度為1.5 m,管節(jié)尺寸為6.0 m×3.3 m(內(nèi)部?jī)魧挕羶舾?,壁厚為45 cm,管節(jié)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,頂管最小覆土僅為4.5 m。頂管平面和標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1、圖2所示。
圖1 頂管通道平面圖Fig.1 Cross section view of pipe jacking channel
圖2 頂管通道橫斷面圖Fig.2 Cross section view of pipe jacking channel
根據(jù)本工程提供的地勘報(bào)告,頂管施工區(qū)域?yàn)闉I海相淤積平原,主要土層包括為雜填土、黏土、淤泥質(zhì)黏土、淤泥、粉質(zhì)黏土,頂管穿越土層主要涉及黏土、淤泥質(zhì)黏土、淤泥;各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。
表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表Tab.1 Physical and mechanical parameters table of soil layer
頂管上方為鄞縣大道,是城市主干道,車流量密集,因此需防止頂管施工期間路面產(chǎn)生較大的沉降或隆起變形。為全面觀測(cè)施工期間路面的變形情況,在頂管上方地表共設(shè)置了21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn);共3個(gè)斷面,每個(gè)斷面設(shè)7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn);點(diǎn)位沿頂管軸線對(duì)稱布置,橫向間距3 m,編號(hào)為D1~D21,具體如圖3所示。3個(gè)斷面分別距離頂管始發(fā)位置為24、33和42 m。
圖3 地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)位平面圖Fig.3 Plan of monitoring points for ground subsidence
數(shù)值模擬的實(shí)質(zhì)是將復(fù)雜而抽象的問(wèn)題簡(jiǎn)單化,針對(duì)問(wèn)題的關(guān)鍵因素進(jìn)行研究,本文主要研究頂管施工過(guò)程中地面的沉降規(guī)律,結(jié)合其他研究人員對(duì)頂管施工數(shù)值模擬的研究成果,現(xiàn)對(duì)模型作如下假設(shè):
(1)假設(shè)地面是水平的,且各地層分界面均平行于地表;
(2)假設(shè)各土層土體均為均質(zhì)、各向同性、理想彈塑性體;
(3)土體在頂管施工前為穩(wěn)定狀態(tài),模型中設(shè)定初始狀態(tài)下的地面沉降為零;
(4)不考慮施工過(guò)程中的時(shí)間效應(yīng),僅以頂管管片位置的變化來(lái)反映頂進(jìn)過(guò)程;
(5)假設(shè)作用于掌子面的壓力為定值,并簡(jiǎn)化為作用在掌子面的均布荷載。
本文土體選取Drucker-Prager模型(以后簡(jiǎn)稱D-P模型)作為本構(gòu)模型(本構(gòu)模型的確定見(jiàn)后文4.1部分),對(duì)頂管施工過(guò)程進(jìn)行分析。D-P模型下土體的粘聚力及內(nèi)摩擦角采用本工程提供的地勘報(bào)告,并通過(guò)式(1)和式(2)進(jìn)行換算,換算后各土層物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。
表2 D-P模型下的土體物理力學(xué)參數(shù)表Tab.2 Physical and mechanical parameters table of soil layer under the D-P model
(1)
(2)
式中:、分別為D-P模型下的粘聚力和內(nèi)摩擦角;、分別為M-C模型下的粘聚力和內(nèi)摩擦角。
頂管管片采用C50鋼筋混凝土,機(jī)殼為鋼結(jié)構(gòu),注漿體為水泥漿液,模型中均為彈性體;各材料物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。
表3 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表Tab.3 Physical and mechanical parameters table of structure
掌子面土壓力計(jì)算值為=10kPa,模型中取掌子面處均布?jí)毫?12=126 kPa。管片與土體之間摩阻力取=8 kPa。
采用有限元分析軟件Midas GTS NX進(jìn)行建模分析,結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn),在頂管以外3~5(為管片長(zhǎng)邊尺寸)處,施工對(duì)土層的影響有限,故取模型寬度66 m,高度30 m,長(zhǎng)度取頂管段長(zhǎng)度67.5 m。
土體及注漿體采用實(shí)體單元,頂管機(jī)殼及管片采用板單元,模型網(wǎng)格劃分后得到94 551個(gè)單元和61 488個(gè)節(jié)點(diǎn),模型如圖4所示。
圖4 數(shù)值模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of numerical model
將頂管頂進(jìn)過(guò)程劃分為多步驟進(jìn)行模擬,以實(shí)現(xiàn)頂管頂進(jìn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程,全過(guò)程共分為47個(gè)施工階段,包含初始應(yīng)力階段+45個(gè)頂管頂進(jìn)階段+貫通階段,每頂進(jìn)一節(jié)管片設(shè)為一個(gè)施工階段,假設(shè)每個(gè)施工階段是瞬時(shí)完成的。Midas GTS NX中對(duì)土體的開(kāi)挖是通過(guò)對(duì)單元的激活和鈍化來(lái)實(shí)現(xiàn)的,模型的具體模擬過(guò)程如下:
(1)初始應(yīng)力階段,激活全部土體單元及邊界約束,并采用重力加載形成初始地應(yīng)力,設(shè)置初始應(yīng)力狀態(tài)下土體沉降為零;
(2)頂進(jìn)階段(頂管機(jī)進(jìn)入),鈍化該階段開(kāi)挖土體,激活頂管機(jī)殼,并施加掌子面支護(hù)力及機(jī)殼與土體之間的摩阻力;
(3)頂進(jìn)階段(管片進(jìn)入),鈍化該階段開(kāi)挖土體,鈍化前一階段的機(jī)殼及掌子面支護(hù)力,激活現(xiàn)階段頂管機(jī)殼、掌子面支護(hù)力及頂管機(jī)尾部頂管管片;
(4)重復(fù)階段3,直至頂管完成。
圖5~圖7分別為頂管過(guò)程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)D4、D11、D18處地表變形監(jiān)測(cè)值與模擬值對(duì)比圖。從圖5~圖7中可以看出以下幾點(diǎn):
圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)D4豎向沉降曲線圖Fig.5 Vertical settlement curve of monitoring point D4
圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)D11豎向沉降曲線圖Fig.6 Vertical settlement curve of monitoring point D11
圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)D18豎向沉降曲線圖Fig.7 Vertical settlement curve of monitoring point D18
(1)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形的模擬曲線呈現(xiàn)出與監(jiān)測(cè)曲線相似的變化趨勢(shì),兩者吻合較好,說(shuō)明了模擬結(jié)果的可靠性。各點(diǎn)位沉降變化曲線總體上表現(xiàn)為先隆起、后沉降的變化規(guī)律。實(shí)測(cè)沉降轉(zhuǎn)折點(diǎn)在機(jī)頭頂進(jìn)到距離監(jiān)測(cè)斷面4.5~6 m的位置;而模擬結(jié)果中出現(xiàn)明顯沉降趨勢(shì)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)均在頂管機(jī)頭距離監(jiān)測(cè)斷面4.5 m處,與監(jiān)測(cè)結(jié)果也較為吻合;
(2)從最終沉降量可以看出,D4監(jiān)測(cè)點(diǎn)已基本趨于穩(wěn)定,D11監(jiān)測(cè)點(diǎn)也即將趨近平穩(wěn);而D18監(jiān)測(cè)在頂管結(jié)束后仍保持著一定的沉降速度,這是因?yàn)镈4監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離始發(fā)井最近,最先出現(xiàn)沉降,隨著頂管機(jī)頭的頂進(jìn),當(dāng)機(jī)頭距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)一定距離(本工程約40 m處)時(shí),頂管施工對(duì)該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影響有限。而D18距離接收通道不足40 m,故頂管結(jié)束時(shí)沉降仍未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);
(3)在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中,各點(diǎn)最大隆起值分別為4.5、6.7和6.5 mm,最大沉降值分別為-27.9、-17.5和-10.6 mm;表現(xiàn)為離始發(fā)井越遠(yuǎn),最終隆起量越大,而最終沉降量越小。在模擬結(jié)果中,D4無(wú)隆起量,D11和D18有較小隆起量,分別為1.0、2.0 mm;最大沉降值分別為22.9、19.1和16.4 mm。從沉降曲線可以看出,模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較好;而從隆起量可以看出,兩者之間有一定的差別。
根據(jù)文獻(xiàn)[12]、文獻(xiàn)[13]模擬結(jié)果可以看出,各點(diǎn)位均體現(xiàn)出先隆起,后沉降的變化規(guī)律。針對(duì)本文中D4監(jiān)測(cè)點(diǎn)無(wú)隆起的現(xiàn)象,認(rèn)為其原因在于本工程土質(zhì)較差所致。因基本為淤泥質(zhì)黏土,局部為淤泥,該部分土體強(qiáng)度較低,且具有高壓縮性,受頂推力擾動(dòng)影響,土體顆粒重排列,顆粒間孔隙水消散,軟土層自身壓縮變形較大,從而引起地表變形較小,不足以抵消因頂管施工引起的沉降,故該點(diǎn)位未能體現(xiàn)出隆起量。為了證實(shí)上述觀點(diǎn),現(xiàn)對(duì)土層參數(shù)進(jìn)行改良,統(tǒng)一提高土層參數(shù),取=30 kPa、=20°;相應(yīng)D-P模型下=85.7 kPa、=37.7°,由此得到的模擬結(jié)果如圖8所示。
圖8 土體改良后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向沉降曲線圖Fig.8 Vertical settlement curve of each monitoring point after soil improvement
從圖8可以看出,對(duì)土體進(jìn)行改良后,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)了較為明顯的隆起量,由此證實(shí)了上述觀點(diǎn)。
圖9~圖11分別為頂進(jìn)60 m時(shí)斷面A、B、C處沉降槽曲線實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比圖。
圖9 斷面A沉降曲線圖Fig.9 Settlement curve of section A
圖10 斷面B沉降曲線圖Fig.10 Settlement curve of section B
圖11 斷面C沉降曲線圖Fig.11 Settlement curve of section C
從圖9~圖11中可以看出:
(1)所有斷面的沉降實(shí)測(cè)值與模擬值均呈現(xiàn)出中間大,兩邊小的規(guī)律,即頂管中軸線上方地表沉降量最大;
(2)距離始發(fā)井越遠(yuǎn),沉降槽越平緩,最終沉降量越小;
(3)距離中軸線18 m處沉降量已小于3 mm,可忽略不計(jì),故可認(rèn)為頂管施工對(duì)地面的影響范圍在頂管中軸線兩側(cè)各2(為管片長(zhǎng)邊尺寸)范圍內(nèi),對(duì)2范圍外幾乎無(wú)影響。
目前,巖土分析中涉及到的簡(jiǎn)單本構(gòu)模型包括摩爾-庫(kù)倫(Mohr-Coulomb)、德魯克-普拉格(Drucker-Prager),高級(jí)本構(gòu)模型中修正劍橋(Modified Cam-Clay)、硬化土(Hard Soil)、硬化土小應(yīng)變(HS-Small)等較為常見(jiàn)。
摩爾庫(kù)倫模型和德魯克-普拉格模型由于選用參數(shù)簡(jiǎn)單、易于獲取,被廣泛應(yīng)用于巖土分析。但實(shí)際土體各參數(shù)的變化通常是非線性的,簡(jiǎn)單線彈性模型難以真實(shí)的反映土體變化過(guò)程,尤其是土體的硬化(軟化)過(guò)程。修正劍橋模型是在軟土基礎(chǔ)上建立的本構(gòu)模型,能夠較好的體現(xiàn)土的非線性變化。硬化土和硬化土小應(yīng)變模型是進(jìn)一步考慮土體的壓硬性和剪脹性特點(diǎn),硬化土小應(yīng)變模型在硬化土模型上增加對(duì)小應(yīng)變區(qū)域內(nèi)剛度隨應(yīng)變的非線性變化考慮,但目前該兩種模型參數(shù)只通過(guò)地勘資料無(wú)法直接獲得,各參數(shù)的選取存在大量經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,對(duì)不同的土體參數(shù)間關(guān)系差別過(guò)大,難以做到準(zhǔn)確的選取。
本文中根據(jù)寧波軟土特點(diǎn),選取摩爾庫(kù)倫模型、德魯克-普拉格模型、修正劍橋模型、硬化土模型4種模型與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。
圖12為D11監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同模型下模擬值與實(shí)測(cè)變形對(duì)比結(jié)果。
圖12 不同本構(gòu)模型下D11沉降曲線圖Fig.12 Settlement curves of D11 under different constitutive models
由圖12可以看出,修正劍橋和德魯克-普拉格模型的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相符程度最高,均能較為準(zhǔn)確的反映實(shí)際施工過(guò)程;而其余模型與實(shí)際結(jié)果偏差過(guò)大。
這主要是因?yàn)楸緲?gòu)關(guān)系與土體特性是相關(guān)的,該項(xiàng)目施工區(qū)域土層以軟土為主,摩爾庫(kù)倫模型難以描述軟土變化非線性變化過(guò)程,因此難以體現(xiàn)土體變形過(guò)程。硬化土模型考慮壓縮硬化和剪切硬化,但地勘報(bào)告中通常未能給出所需的割線模量、卸載模量等參數(shù),主要依賴經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)選取。目前未有寧波地區(qū)關(guān)于硬化土參數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值方面的相關(guān)研究,本文借鑒的是上海地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)取值,這極大地影響了模擬效果,除此之外硬化土模型在軟土上的適用性仍存在缺陷,事實(shí)上軟土地基在不斷加載和卸載過(guò)程中,可能會(huì)顯著出現(xiàn)軟化和液化的問(wèn)題,硬化土模型并不能很好考慮該特性。
理想的頂管過(guò)程,是能夠在頂進(jìn)過(guò)程中始終保存保持管節(jié)尺寸與開(kāi)挖尺寸相等。而現(xiàn)實(shí)中頂管機(jī)開(kāi)挖斷面大于管節(jié)斷面,工程上會(huì)采用注漿形成泥漿套擬彌補(bǔ)空隙和減小頂進(jìn)阻力,但往往會(huì)遇到泥漿套形成困難,管土接觸不佳,造成背土作用,反而使得前方管節(jié)外輪廓大于后方管節(jié),進(jìn)一步加大空隙,形成土層損失。在Midas GTS和Plaxis中可以通過(guò)對(duì)管片施加收縮,來(lái)模擬隧道洞室斷面面積的減小,收縮用百分比表示,代表減小的面積占原先外部管片面積的比例。收縮斷面示意圖如圖13所示。
圖13 收縮斷面示意圖Fig.13 Schematic diagram of reduced section
以監(jiān)測(cè)點(diǎn)D11為例,通過(guò)設(shè)置不同斷面收縮模擬不同地層損失差異,模擬結(jié)果如圖14所示。
由圖14可以看出,隨著斷面收縮的加大,頂管機(jī)未到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)前隆起量降低;這是因?yàn)楸緛?lái)受掌子面壓力向斜上方隆起的土體,為彌補(bǔ)頂管機(jī)與管片尺寸差異造成的土層損失,土體向地層損失區(qū)域移動(dòng),從而降低了地表隆起量。當(dāng)頂管結(jié)束時(shí),最終的沉降量有所增加而且會(huì)高于降低的隆起量;這實(shí)際上是由于斷面收縮(地層損失)加大,導(dǎo)致受到擾動(dòng)的土體程度越深,范圍越廣,后期沉降也就越大。
圖14 不同斷面收縮下D11沉降曲線圖Fig.14 Settlement curve of D11 under different section contraction
為研究掌子面不同壓力對(duì)地表變形的影響,取壓力值分別為0.75、1.0、1.2、1.5、2.0進(jìn)行計(jì)算。圖15為不同壓力下,D11監(jiān)測(cè)點(diǎn)在頂進(jìn)過(guò)程中的位移對(duì)比圖。
圖15 不同掌子面壓力下D11沉降曲線圖Fig.15 Settlement curve of D11 under different face pressure
從圖15可以看出,當(dāng)掌子面壓力小于理論計(jì)算土壓力時(shí),地表在開(kāi)挖全過(guò)程始終保持下降趨勢(shì),隨著壓力增大,監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終沉降量越小,而期間產(chǎn)生的最大隆起量越大,且呈現(xiàn)出隨著壓力的增大,隆起量增加越明顯的趨勢(shì),說(shuō)明掌子面壓力對(duì)地面的隆起量有較大影響。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看,該監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)較大隆起可能是頂進(jìn)過(guò)程中掌子面壓力較大所致。
綜合比較5種掌子面壓力下的地表沉降曲線,對(duì)于寧波軟土地區(qū)結(jié)合數(shù)值分析和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)建議取1.2倍理論土壓力作為掌子面壓力,既能避免造成前期的過(guò)大隆起,又能有效的控制地表的最終沉降。
管土摩阻力是引發(fā)土體擾動(dòng)和背土效應(yīng)的主要誘因,在工程中常采用減阻注漿的方式,減小管土間的摩阻力,以減小對(duì)周邊環(huán)境的影響。
圖16為不同管土摩阻力的下D11的豎向位移變化。
圖16 不同管土摩阻力下D11沉降曲線圖Fig.16 Settlement curve of D11 under the different friction between pipe joint and soil
從圖16可以看出,摩阻力越大,地面前期隆起加劇,后期沉降增加。導(dǎo)致這種現(xiàn)象主要是因?yàn)楣芡灵g的摩阻力過(guò)大帶動(dòng)周圍土體移動(dòng),頂管機(jī)后方土體隨管節(jié)向前移動(dòng),從而使得前方隆起加?。欢蠓酵馏w地層損失增加,最終沉降加大。
依托寧波市鄞州區(qū)醫(yī)藥學(xué)校地道頂管工程實(shí)例,通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,并對(duì)外部因素和施工因素進(jìn)行分析,得到如下幾點(diǎn)結(jié)論:
(1)借助Midas GTS有限元軟件,對(duì)多種土體本構(gòu)模型進(jìn)行試算并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果表明:土體采用修正劍橋本構(gòu)或Drucker-Prager本構(gòu)模型所計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)際相比較更為合理。其中土體采用Drucker-Prager本構(gòu)模型與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比,兩者擬合程度較好,數(shù)值模擬能夠較好地反映實(shí)際施工過(guò)程中的地表變形;
(2)地表沉降主要發(fā)生在頂管中軸線兩側(cè)各2(為管片長(zhǎng)邊尺寸)范圍內(nèi),其余區(qū)域無(wú)明顯沉降。故在軟土地區(qū)類似工程項(xiàng)目中,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)頂管軸線兩側(cè)各2范圍內(nèi)地面的變形監(jiān)測(cè);
(3)頂管掌子面壓力是引起地表隆起的主要原因,對(duì)于寧波軟土地區(qū)的頂管施工,建議掌子面壓力取1.2倍理論土壓力。此外當(dāng)泥漿套不理想的情況下,管土之間摩阻力較大,對(duì)于淺埋頂管易于發(fā)生背土效應(yīng)加劇地表的隆起,施工中應(yīng)采取有效的減摩措施。