武 創(chuàng)

（中冶南方城市建設(shè)工程技術(shù)有限公司,湖北 武漢 430077）

0 引言

隨著城市化的不斷發(fā)展，地下管線日趨復(fù)雜。舊管線因?yàn)槔吓f破損，造成排水不暢、路面塌陷等事故時(shí)有發(fā)生。為了解決現(xiàn)狀管線的問(wèn)題，傳統(tǒng)開挖法新建和修復(fù)升級(jí)地下管道造成城市道路“開膛破肚”現(xiàn)場(chǎng)時(shí)常發(fā)生。而管道非開挖技術(shù)是能夠解決“馬路拉鏈”現(xiàn)象的最佳辦法之一，具有綜合成本低、施工周期短、環(huán)境影響小、施工安全性好等優(yōu)勢(shì)。

頂管法是管道非開挖修復(fù)中較為常用的技術(shù)，頂管法施工就是在工作坑內(nèi)借助于頂進(jìn)設(shè)備產(chǎn)生的頂力，克服管道與周圍土壤的摩擦力，將管道按設(shè)計(jì)的坡度頂入土中，并將土方運(yùn)走。作為管道非開挖實(shí)施技術(shù)的一種，頂管法有其他非開挖實(shí)施技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：少開挖地面、不拆遷、不破壞地面建筑物、省時(shí)、高效、安全、綜合造價(jià)低等[1]。

頂管法也存在一定的局限性，主要包括如下方面：

（1）施工時(shí)容易引起道路路基路面隆起，因此規(guī)范規(guī)定頂管覆土不得小于1.5 m[2]。

（2）施工時(shí)對(duì)臨近的現(xiàn)狀管道有一定影響，頂管法可能會(huì)損壞鄰近的管道，因此當(dāng)鄰近的管線距離小于0.8 cm 或埋深小于0.8 m 時(shí)，建議不要使用該方法，或采取相應(yīng)的保護(hù)措施[3]。

總結(jié)上述的問(wèn)題，因?yàn)轫敼苁┕r(shí)，頂進(jìn)管道過(guò)程中會(huì)造成一定程度的土體擠壓，所以對(duì)路基和相鄰管線有一定影響。該文擬通過(guò)有限元模擬分析頂管過(guò)程中的受力過(guò)程，得出頂管過(guò)程中管道對(duì)土體的影響，并通過(guò)有效的技術(shù)手段，擴(kuò)大頂管法的適用范圍。

1 理論計(jì)算

1.1 基本理論

管道進(jìn)入施工中引起土體變形的因素主要包括：

（1）地層損失造成沉降管道進(jìn)入時(shí)，掘進(jìn)面土體應(yīng)力較大，土體會(huì)向管內(nèi)移動(dòng)塌落，由于土體的松動(dòng)范圍超出工具管范圍，會(huì)造成進(jìn)管周圍的土層也被松動(dòng)，因此地層有了損失。

（2）正面附加推力與土壓力無(wú)法保持平衡，開挖面依靠附加推力與土壓力的平衡保證穩(wěn)定的出土，實(shí)際操作中，由于開挖面土質(zhì)條件復(fù)雜，會(huì)有附加推力與土壓力偏差較大的情況出現(xiàn)。若附加推力大于土體的被動(dòng)土壓力，會(huì)造成土體的擠壓變形；若附加推力小于土體的主動(dòng)土壓力，則會(huì)造成土體的坍塌。

（3）管道進(jìn)入與土體摩擦力帶動(dòng)周圍土體移動(dòng)。進(jìn)管過(guò)程中掘進(jìn)機(jī)以及后續(xù)管節(jié)均會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生摩擦力，一般情況下掘進(jìn)機(jī)與土體的接觸面積更大從而產(chǎn)生更大的摩擦力。

（4）總豎向位移。地表豎向變形主要由地層損失、正面附加推力、摩擦力三部分即造成，因此總的地表豎向變形如下式所示：

式中，P—掘進(jìn)正面附加推力（kPa）；D—掘進(jìn)機(jī)外圈直徑（m）；h—管道中軸線至地面距離（m）；G—土的剪切模量（MPa）。

經(jīng)計(jì)算，地層土體損失+正面附加推力+側(cè)面非均布摩擦力三者之和引起的豎向位移如表1 所示。

表1 沿縱斷面變形量圖——豎向總位移

1.2 計(jì)算研究結(jié)果分析

（1）管道進(jìn)管對(duì)x、y 方向上的土體均有影響。

（2）對(duì)于y 和z 方向上位移關(guān)系，表現(xiàn)為距離管道操作斷面距離越大，z 方向上土體位移越小，即影響越小。

（3）對(duì)于x 和z 方向上總位移關(guān)系，表現(xiàn)為z 方向上土體位移隨x 不斷變化，距離管道操作斷面距離0~±8~9 m 不斷增大，到±8~9 m 時(shí)出現(xiàn)極大值，然后不斷減小，到±30 m 以上趨近于0。

2 模擬搭建

公式法依然有以下幾個(gè)問(wèn)題不能解決：

（1）公式法計(jì)算包括計(jì)算土體沉降、管道與土體之間的摩擦力、正面附加推力三部分內(nèi)容，在計(jì)算正面附加推力時(shí)，由于現(xiàn)有公式無(wú)法計(jì)算已有管道通道的情況，因此在計(jì)算已有通道的管道進(jìn)入時(shí)，采用的是折算迎面土壓力Nf的方式來(lái)計(jì)算，雖然通過(guò)多組數(shù)據(jù)對(duì)比證明計(jì)算在常識(shí)上合理，但仍有邏輯不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡胤健?/p>

（2）公式法無(wú)法計(jì)算管道破壞后對(duì)地面承載力的影響，因此也無(wú)法驗(yàn)證采用何種手段加固的有效性。

（3）管道進(jìn)入過(guò)程中，管道的頂、拉的力是一直變化的，而在公式法中管道的頂、拉力在一定的客觀條件下被設(shè)定為恒定，這也是公式法存在的問(wèn)題。

2.1 模型搭建

根據(jù)第一章公式法計(jì)算的結(jié)果表明，頂進(jìn)管道、拖拉管道施工引起地面變形的因素主要包括土體損失、正面附加推力、管道與土體之間的摩擦力。其中，土體損失一般為土體產(chǎn)生沉降的主要原因，而正面附加推力、管道與土體之間的摩擦力會(huì)導(dǎo)致土體隆起。

為了克服傳統(tǒng)公式法計(jì)算的問(wèn)題，該文利用有限元軟件對(duì)頂、拉管過(guò)程進(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)模擬，采用位移貫入法克服了管道前進(jìn)過(guò)程中推、拉力不斷變化的問(wèn)題，分析了頂管摩擦力對(duì)地表土體豎向位移的影響程度及范圍，為施工對(duì)土體及周圍建筑物的影響及其危害程度提供了參考。

2.1.1 模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

該文擬研究管道在土體行進(jìn)過(guò)程中對(duì)周圍土體的影響，得出管道行進(jìn)垂直方向（y、z 軸）上土體的位移[4-5]。研究包括：

（1）對(duì)比推入和拉入管道情況下的土體位移。

（2）對(duì)比是否預(yù)先排土情況下的土體位移。

（3）對(duì)比不同管中埋深下的土體位移。

2.1.2 模型參數(shù)

設(shè)定進(jìn)入管道為鋼管Q235，管壁厚18 mm 單根管節(jié)長(zhǎng)6 m。設(shè)定自上而下地層依次如下：①層—淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土（厚4.0 m）；②層—粉砂（厚0.5 m）；③層—粉土。考慮頂管工程對(duì)土體影響的橫向?qū)ΨQ性，取1/2 土體進(jìn)行模擬，土體范圍為x 方向取-8~0 m，y 方向取-6~6 m，z 方向取0~12 m。

由于只考慮摩擦力對(duì)土體豎向位移的影響，因此模擬時(shí)不考慮土體的重力作用，同時(shí)假設(shè)同層土體為各項(xiàng)同性，各土層之間為水平分層。對(duì)開挖的土體采用生死單元進(jìn)行模擬，如圖1 所示，即開挖的單元隨頂管的頂進(jìn)逐步由活單元狀態(tài)變?yōu)樗绬卧獱顟B(tài)。考慮到模型中頂力施加的變化，采用位移貫入法給定單位時(shí)間位移使頂管沿給定方向移動(dòng)一定的距離（該文對(duì)頂管的動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程共采用了520 個(gè)增量步）。頂管及刀盤采用線彈性模型模擬，土體采用線性Mohr—Coulomb 彈塑性模型模擬，而在Marc 中Mohr—Coulomb 準(zhǔn)則的屈服函數(shù)與Drucker—Prager 準(zhǔn)則的屈服函數(shù)相同，其屈服函數(shù)F及相關(guān)參數(shù)α、бy分別如下：

圖1 管道計(jì)入過(guò)程模型建模圖

式中，I1——應(yīng)力狀態(tài)第一不可變量；J2——偏應(yīng)力張量第二不可變量；α、бy——應(yīng)力不變量的函數(shù)；φ——內(nèi)摩擦角；c——土體黏聚力。

該文采用Marc 軟件中的庫(kù)侖摩擦模型進(jìn)行摩擦模擬。由于頂管處于層②中，因此僅考慮頂管鋼管與層②的摩擦，對(duì)層①、層③與層②之間均采用黏合的接觸分析。Marc 軟件中對(duì)殼體單元的庫(kù)侖定理描述如下：

式中，ft——剪切力；μ——摩擦系數(shù)；fn——法向反作用力；vr——相對(duì)滑動(dòng)速度向量；rv——發(fā)生滑動(dòng)時(shí)接觸體之間的臨界相對(duì)速度；t——相對(duì)滑動(dòng)速度方向上的切向單位向量。

2.2 模擬結(jié)果及分析

2.2.1 對(duì)比是否預(yù)先排土情況下的土體位移

在相同管徑、相同土體、相同埋深、相同推拉方式的前提下，預(yù)先排土與不預(yù)先排土兩種情況在垂直方向上土體位移的比較，并得出相關(guān)結(jié)論，見(jiàn)表2。

表2 預(yù)先排土和不預(yù)先排土情況下的土體位移 /m

從表2 數(shù)據(jù)分析可以得出結(jié)論：

（1）在相同管徑、相同土體、相同埋深、相同推拉方式的前提下，預(yù)先排土情況下的土體位移相較于不預(yù)先排土要大得多，比如在H=3 m、D=1.8 m 情況下，預(yù)先排土位移值為0.056 m，而不預(yù)先排土的位移值達(dá)到了0.108 m。

（2）由于預(yù)先排土在土體位移數(shù)據(jù)上明顯優(yōu)于不預(yù)先排土的情況，因此后面的實(shí)驗(yàn)均在預(yù)先排土的假設(shè)下開展。

2.2.2 預(yù)先排土情況下，對(duì)比不同管道埋深下的土體位移

在相同管徑、相同管材、相同土體、預(yù)先排土情況下，比較管道埋深為2 m、3 m、4 m、5 m、6 m 五種情況在垂直方向上土體位移（不同進(jìn)管距離）的比較，并得出相關(guān)結(jié)論，見(jiàn)表3。

表3 不同管中埋深下的土體位移 /m

從表3 數(shù)據(jù)分析可以看出，管道上方土體位移隨著管道埋深增大而減小、隨著管徑增大而增大。

2.3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)上面的有限元實(shí)驗(yàn)，得出下面的結(jié)論：

為了保證頂管工藝對(duì)土體上面的影響降到最低，在頂管前預(yù)先排土是必要條件。管道上方土體位移隨著管道埋深增大而減小、隨著管徑增大而增大；為了讓實(shí)施過(guò)程對(duì)路面有更小的影響，應(yīng)探索能讓土體位移更小、地面承載力損失更小的工程手段。

3 土體預(yù)先加固研究

管道在頂進(jìn)過(guò)程中，對(duì)周圍土體有一定影響，進(jìn)而影響管道處正上方地面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。下述旨在量化管道頂進(jìn)過(guò)程中地面的受力，并研究使用超前小導(dǎo)管方法對(duì)土體進(jìn)行加固后地面的受力，從而驗(yàn)證措施的作用和合理性。

3.1 管道穩(wěn)定性研究

在相同土體情況下，分別比較1 000 m、1 500 m、1 800 mm 兩種管徑在管中埋深為2 m、4 m、6 m 三種情況下的地面的受力，見(jiàn)表4。

表4 不同管徑在不同覆土下頂管的路面受力情況比較/kPa

3.2 小導(dǎo)管加固方法下道路穩(wěn)定性研究

在相同管徑、相同土體情況下，采用超前小導(dǎo)管加固后，比較管中埋深為2 m、4 m、6 m 三種情況下采用不用加固厚度（10 cm、20 cm）情況下的地面的受力，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同管徑在不同覆土下頂管的路面受力情況比較/kPa

小導(dǎo)管加固的結(jié)論：

通過(guò)注漿加固的位移分布圖和應(yīng)力分布圖，找到管道斷面上的薄弱環(huán)節(jié)，在設(shè)置注漿加固方式時(shí)，在薄弱位置密集設(shè)置小導(dǎo)管，達(dá)到優(yōu)化布置小導(dǎo)管的目的；通過(guò)施工前后、小導(dǎo)管加固前后的地面承載力對(duì)比，得出非開挖施工方法對(duì)路面承載力影響的數(shù)學(xué)關(guān)系，可用于判斷具體實(shí)施方案的可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)理論計(jì)算和仿真，量化性地研究了管道在非開挖擴(kuò)容過(guò)程中管道對(duì)于路面的影響，對(duì)于研究管道頂管過(guò)程中的受力有著非常積極的作用：

（1）管道推入和拉入管道情況下，工藝對(duì)路面和周圍管線的影響沒(méi)有區(qū)別。

（2）不論管徑大小，預(yù)先排土對(duì)控制地面形變和周圍管線都有減小土體位移的作用。

（3）同樣管徑下，不同管中埋深下的土體位移也不一樣，管中埋深越大，土體位移也越大。

（4）采用小導(dǎo)管加固能顯著減少管道周圍的土體位移，提高該施工方法的適用范圍。