徐中秋，楊 揚(yáng)，魯芬婷

（皖江工學(xué)院 土木工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000）

隨著城市地下空間工程的不斷增加， 地下頂管隧道工程日益增多。 頂管的進(jìn)洞和出洞是頂管施工安全風(fēng)險(xiǎn)最大的2 個(gè)階段， 尤其是在大直徑頂管隧道和平行頂管施工時(shí)， 如何選取合理的頂管端頭土體加固方式來(lái)確保頂管進(jìn)出洞施工的安全成為了一個(gè)重要的研究課題［1］，近年來(lái)得到了研究人員較為廣泛的研究。

在具體的應(yīng)用過(guò)程中， 頂管法施工不僅會(huì)對(duì)管道周?chē)耐馏w產(chǎn)生擾動(dòng)， 還會(huì)使周?chē)耐馏w出現(xiàn)卸載或加載等復(fù)雜的力學(xué)行為［2］，在頂管始發(fā)端頭的土體加固中，端頭土體加固的范圍、施工工藝是施工質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素， 選取合理的端頭土體加固范圍既能保障施工安全，又能控制施工成本［3］。 因此，對(duì)平行頂管施工引起的始發(fā)端地表豎向變形進(jìn)行研究具有十分重要的科學(xué)意義和實(shí)踐價(jià)值。

本文通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)， 分析了頂管在頂進(jìn)過(guò)程中對(duì)始發(fā)端頭土體豎向位移的影響， 采用有限元數(shù)值分析法分析頂管端頭土層在加固長(zhǎng)度下洞門(mén)拆除后土體穩(wěn)定性， 從而為現(xiàn)場(chǎng)端頭土層加固提供一定的數(shù)值分析基礎(chǔ)。 最后將試驗(yàn)得出的結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比， 為今后類(lèi)似頂管始發(fā)端施工提供理論借鑒，保障工程的安全性。

1 工程概況

常州市第三水廠(chǎng)工程二標(biāo)段項(xiàng)目位于常州高鐵站附近，主要任務(wù)為排除擴(kuò)建區(qū)域、部分高鐵區(qū)域及周邊區(qū)域的澇水。 地層以粉質(zhì)黏土、細(xì)砂和生物碎屑為主，地層持力性較差。 地下水資源豐富，潛水、承壓水分布范圍廣泛。 隧道布置如圖1 所示，隧道內(nèi)徑為4 m，隧道外壁間距為4 m，隧道管節(jié)厚為0.31 m，隧道中心埋深12 m。

圖1 隧道現(xiàn)場(chǎng)布置圖

始發(fā)端地表變形觀(guān)測(cè)共布置Ⅰ、 Ⅱ兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面， 監(jiān)測(cè)斷面平行于工作井外墻且與頂管頂進(jìn)方向成垂直狀態(tài)。 監(jiān)測(cè)點(diǎn)整體以2# 隧道橫斷面中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)布置，監(jiān)測(cè)斷面橫跨30 m，監(jiān)測(cè)斷面Ⅰ距離地連墻1 m， 監(jiān)測(cè)斷面Ⅱ沿著頂管頂進(jìn)方向與監(jiān)測(cè)斷面Ⅰ相距5 m。

2 室內(nèi)模型試驗(yàn)

2.1 確定相似比

若完全按照現(xiàn)場(chǎng)管道的原型和布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，將會(huì)出現(xiàn)許多不確定因素。 因此，在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段依據(jù)相似原理對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行縮放以提高試驗(yàn)的可操作性?？紤]到實(shí)驗(yàn)室的空間限制，選取幾何相似比為1∶40［4］。

2.2 選定相似材料

在試驗(yàn)中，結(jié)合相似性準(zhǔn)則的要求，采用石膏硅藻混合物來(lái)模擬管道接頭混凝土， 使用經(jīng)過(guò)加工的鐵絲模擬管道接頭加固，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 管節(jié)混凝土和鋼筋參數(shù)

同步注漿材料采用現(xiàn)場(chǎng)成品混合泥漿， 在實(shí)驗(yàn)室加入適當(dāng)?shù)乃M(jìn)行攪拌， 在攪拌的過(guò)程中加入天然鈉基高黏膨潤(rùn)土。 選取施工現(xiàn)場(chǎng)的原狀土作為試驗(yàn)的圍巖材料，從現(xiàn)場(chǎng)采集土樣后，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行清洗、噴灑和風(fēng)干。

2.3 模型設(shè)備總體設(shè)計(jì)

為達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康模?選擇了如圖2 所示的頂管模型試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)，該設(shè)備可以較好地模擬實(shí)際工況，并且可以全面監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，該設(shè)備具體組成如下。

圖2 頂管模型試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)

（1）試驗(yàn)箱尺寸為1 000 mm × 800 mm × 800 mm，該試驗(yàn)箱由整體框架和鋼化玻璃組成。

（2）切土系統(tǒng)可以完成切土工作，并把切下的土運(yùn)出。

（3）頂管機(jī)系統(tǒng)可以控制管節(jié)在土體中的頂進(jìn)速率和刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速，內(nèi)部設(shè)備包括機(jī)頭和管節(jié)。

（4）同步注漿系統(tǒng)可以將漿液裝入容器中，該容器上有閥門(mén)，通過(guò)調(diào)整閥門(mén)可控制注漿壓力大小。（5）數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄試驗(yàn)箱中土體的豎向位移變化。

2.4 試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)方案

按相似準(zhǔn)則分層填土（每層填土高為5 cm），填土后夯實(shí)。 夯實(shí)后，按相似比例加水，填埋土至模型箱高度650 mm 時(shí)停止， 隨后進(jìn)行8 h 不排水固結(jié)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置的位置， 將位移傳感器放置在模型箱的頂部支架上相對(duì)應(yīng)處， 形成2 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面為斷面Ⅰ和斷面Ⅱ。將其放置完畢后，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)，并試運(yùn)行，確保試驗(yàn)設(shè)備不會(huì)出差錯(cuò)。 將配制好的漿料倒入漿料槽中，在注漿過(guò)程中，保證氣壓穩(wěn)定，確保注漿順暢、不堵塞。 控制電機(jī)推動(dòng)頂管機(jī)，控制頂管機(jī)頂進(jìn)速度為4 mm/min，控制刀盤(pán)速度為5 r/min，速度均勻，頂推力穩(wěn)定，使頂管機(jī)連續(xù)頂進(jìn)至結(jié)束。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

隨著試驗(yàn)的推進(jìn)，當(dāng)頂進(jìn)距離達(dá)到25 mm 時(shí)，機(jī)頭正好達(dá)到監(jiān)測(cè)斷面Ⅰ， 以中間孔頂管軸線(xiàn)X 上的沉降觀(guān)測(cè)點(diǎn)為中心點(diǎn)O，中心點(diǎn)左側(cè)X 軸為負(fù)，右側(cè)X 軸為正，Y 軸為頂進(jìn)方向。 測(cè)得斷面Ⅰ和Ⅱ在施工過(guò)程中的地表變形圖。其中模型箱監(jiān)測(cè)面斷面如圖3所示，監(jiān)測(cè)斷面Ⅰ的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4 所示。

圖3 模型箱監(jiān)測(cè)斷面圖

圖4 斷面Ⅰ土體的Z 軸方向位移

由圖4 可知，在頂管始發(fā)破洞頂進(jìn)過(guò)程中，頂進(jìn)對(duì)開(kāi)挖隧道周邊土體產(chǎn)生了較大的擾動(dòng)， 其大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)顯示此時(shí)為沉降狀態(tài)， 并且沉降態(tài)勢(shì)進(jìn)一步擴(kuò)大。此后頂管進(jìn)行正常段頂進(jìn)施工，在頂進(jìn)一段時(shí)間后測(cè)得各觀(guān)測(cè)點(diǎn)地表沉降較之前的測(cè)值有所減小， 后續(xù)同步跟進(jìn)的注漿填補(bǔ)了管壁與土層間的空隙，并在注漿壓力的作用下，對(duì)土體形成了一定的外側(cè)擠壓效果， 彌補(bǔ)了之前的土體損失并隨之產(chǎn)生地表隆起。在排除施工中的停機(jī)、注漿等其他因素的干擾后，其整體變形趨勢(shì)仍符合Peck 經(jīng)驗(yàn)公式。 遠(yuǎn)離頂管橫斷面的土體在施工中主要產(chǎn)生隆起現(xiàn)象，其擾動(dòng)相對(duì)較小。

當(dāng)頂進(jìn)距離達(dá)到150 mm 時(shí)，機(jī)頭正好達(dá)到監(jiān)測(cè)斷面Ⅱ，監(jiān)測(cè)斷面Ⅱ的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5 所示。

圖5 斷面Ⅱ土體的Z 軸方向位移

由圖5 可知， 土體因受擠壓作用產(chǎn)生了不同程度的隆起，但在后續(xù)頂進(jìn)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，斷面Ⅱ和Ⅰ整體趨勢(shì)相同， 其地表變形規(guī)律類(lèi)似。 綜合斷面Ⅰ和Ⅱ，其實(shí)測(cè)地表變形曲線(xiàn)反映了頂管施工擾動(dòng)機(jī)理，即地表變形經(jīng)過(guò)頂管前端土體變形段、 施工沉降段和土體固結(jié)段3 個(gè)階段， 其斷面Ⅰ和斷面Ⅱ監(jiān)測(cè)地表變形量不超過(guò)1.0 mm。

4 數(shù)值模擬

4.1 計(jì)算模型的建立

運(yùn)用Midas GTS NX 軟件對(duì)三排頂管破洞始發(fā)這一過(guò)程進(jìn)行模擬分析，數(shù)值模型如圖6 所示。

圖6 三排頂管破洞始發(fā)數(shù)值模型

該數(shù)值模型采用的土體本構(gòu)關(guān)系是在莫爾庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上改進(jìn)的［5］，適用于模擬非線(xiàn)性彈性模型，可以運(yùn)用于大多數(shù)地面計(jì)算，該模型建立的參數(shù)如表2 所示。

表2 模型參數(shù)

4.2 地表變形分析

為研究在橫向端頭土體加固強(qiáng)度下， 三排頂管頂進(jìn)對(duì)始發(fā)端土體穩(wěn)定性的影響， 模擬三排頂管始發(fā)頂進(jìn)到10 m 時(shí)的工況， 取其Y=0 截面處地表位移圖，豎向位移結(jié)果如圖7 所示。

圖7 頂管群頂進(jìn)10 m 時(shí)Z 軸方向位移

從圖7 可知，當(dāng)頂管始發(fā)頂進(jìn)至10 m 處時(shí)地表沉降最大值為4.45 mm。 隨著加固區(qū)土體強(qiáng)度黏聚力的提升， 頂管頂進(jìn)過(guò)程中的整體地表沉降槽深度逐漸減小，對(duì)地表的施工擾動(dòng)也在減弱，其地表沉降最大值在不斷減小。因此在實(shí)際施工中，要充分保障高壓旋噴成樁施工質(zhì)量， 在考慮不影響頂管機(jī)刀盤(pán)切削土體的前提下， 旋噴注漿加固后的土體粘聚力越大越好。

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與模擬結(jié)果對(duì)比分析

數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比如圖8所示。

圖8 模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

由圖8 知， 在頂管始發(fā)破洞頂進(jìn)對(duì)原狀土造成了較大的擾動(dòng)， 在頂管群疊加擾動(dòng)區(qū)內(nèi)土體產(chǎn)生了沉降， 而外側(cè)產(chǎn)生地表隆起； 此時(shí)最大地表沉降為0.87 mm，斷面Ⅰ處的數(shù)值模擬最大沉降值1.36 mm，可見(jiàn)端頭土體的合理控制可以有效降低端頭土體始發(fā)沉降，提升整體施工的穩(wěn)定性。在頂管群后續(xù)頂進(jìn)到斷面Ⅱ工況時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果整體呈沉降狀態(tài)，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)變形結(jié)果相比差距較大， 可能是受頂進(jìn)的同步注漿、跟進(jìn)注漿等因素影響，此時(shí)斷面Ⅱ只在頂管中軸線(xiàn)2 m 范圍內(nèi)發(fā)生較小的沉降， 整體狀態(tài)為隆起狀態(tài)，最大隆起值達(dá)到4.12 mm。 從2 個(gè)斷面的數(shù)值模擬和實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看， 實(shí)測(cè)結(jié)果均被模擬值包絡(luò)在線(xiàn)形內(nèi)部， 由于數(shù)值模擬無(wú)法模擬頂管刀盤(pán)切削土體等眾多因素的存在， 模擬值較實(shí)測(cè)值平穩(wěn)，而實(shí)測(cè)值波動(dòng)較大，實(shí)測(cè)值與模擬值雖然在具體數(shù)據(jù)上有差別， 如斷面Ⅰ與斷面Ⅱ的實(shí)測(cè)值呈現(xiàn)出不規(guī)則波形，但總體趨勢(shì)相同，符合Peck 沉降槽經(jīng)驗(yàn)公式。

6 結(jié)論

本文主要研究了頂管始發(fā)段對(duì)端頭土層穩(wěn)定性的影響，并總結(jié)了頂管始發(fā)地表變形的一般規(guī)律，主要得出以下結(jié)論：

（1）頂管室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果表明，始發(fā)端土層在頂管施工的過(guò)程中， 主要經(jīng)歷了頂管前端土體變形段、施工沉降段和土體固結(jié)段3 個(gè)階段。

（2）頂管群端頭土體加固可以有效地減免頂管始發(fā)破洞對(duì)土體的擾動(dòng)，使沉降變形槽減小，地層穩(wěn)定改良效果顯著，即可以達(dá)到穩(wěn)定地層的目的。

（3）在注漿條件下，頂進(jìn)管周邊始發(fā)端土體的位移隨著頂進(jìn)距離的增大而增大， 通過(guò)調(diào)整施工參數(shù)可以有效降低端頭土體始發(fā)沉降， 可為今后現(xiàn)場(chǎng)頂管施工提供借鑒。