鄭剛

騰達(dá)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 上海 200122

城市基礎(chǔ)建設(shè)進(jìn)程加快，規(guī)模擴(kuò)大伴隨著地上空間逐步開發(fā)殆盡，因此學(xué)者焦點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向城市地下空間的合理利用。頂管施工因其占地少、成本低、效率高以及對(duì)周圍環(huán)境擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)被大力推廣使用[1]。頂管始發(fā)階段是施工的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)源和重要環(huán)節(jié)，隨直徑和深度的增加以及施工環(huán)境的復(fù)雜化，出洞過(guò)程中的工程事故如透水和塌方等有增加趨勢(shì)。

端頭土體加固范圍的計(jì)算主要依賴薄板理論、土體滑移失穩(wěn)理論和塑性松動(dòng)圈理論，日本“JETGROUT協(xié)會(huì)”[2]提出了彈性薄板理論以及洞口土體滑移失穩(wěn)模型，由此得到了縱向加固長(zhǎng)度的公式；隨后，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了改進(jìn)，如羅富榮等[3]建立了梯形荷載等效模型，郝振宇等[4]在此基礎(chǔ)上分析了尺寸效應(yīng)對(duì)端頭加固的影響，認(rèn)為盾構(gòu)直徑不大于10m建議使用既有理論計(jì)算，大于10m建議使用改進(jìn)后的模型計(jì)算。關(guān)于橫向加固范圍理論研究，多基于土體擾動(dòng)極限平衡理論展開，當(dāng)橫向加固范圍超過(guò)擾動(dòng)范圍時(shí)方可保障洞口安全。丁萬(wàn)濤[5]等認(rèn)為對(duì)于淺埋隧道（深徑比H/D＜2），應(yīng)利用太沙基圍巖壓力理論來(lái)確定橫向加固范圍。

隨著數(shù)值仿真技術(shù)的興起，許多學(xué)者通過(guò)有限元軟件對(duì)盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)問(wèn)題進(jìn)行了分析研究，魏綱等[6]利用有限元軟件，考慮滲流-應(yīng)力耦合作用，分析盾構(gòu)工作井外加固土體前方高水位工況下，地下水繞加固土體下臥土層的滲流規(guī)律，以及由滲流引起的原狀土沉降規(guī)律。馬蕓等[7]采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，通過(guò)有限元軟件研究了縱向加固長(zhǎng)度對(duì)盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)的影響

現(xiàn)有研究主要針對(duì)始發(fā)井破除素混凝土墻后維持端頭穩(wěn)定性所需的最小加固厚度，而未考慮盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)過(guò)程對(duì)加固體的影響；另外，已有的分析一般采用摩爾-庫(kù)倫模型，不能較好地反映土體的應(yīng)力-應(yīng)變行為。現(xiàn)結(jié)合杭州市取水口上移工程DG05工作井，基于小應(yīng)變硬化土體（HSS）模型，通過(guò)Midas GTS軟件建立了可以改變加固范圍的雙線頂管模型。研究加固范圍以及加固強(qiáng)度對(duì)洞口土體擾動(dòng)規(guī)律，以確定端頭縱、橫向加固尺寸的合理取值。

1 模型建立

1.1 現(xiàn)場(chǎng)概況與幾何建模

本工程主體為杭州市取水口上移（一期）壓力輸水工程，其中DG05～DG06頂管區(qū)間項(xiàng)目地點(diǎn)位于杭州南收費(fèi)站周邊區(qū)域，頂管工作井采用沉井工法，沉井外圍直徑為20.6m，井壁厚度為1m～1.5m，平面圖如圖1所示；為避免超沉與井內(nèi)土體隆起等現(xiàn)象，在刃腳下井筒范圍對(duì)土體采用高壓旋噴樁進(jìn)行加固處理樁長(zhǎng)5～8m。管道施工采用雙線頂管工法，右線頂管外直徑為3.6m，區(qū)間長(zhǎng)度237.6m，左線頂管外直徑為3.2m，區(qū)間長(zhǎng)度228.4m，管頂覆土深度10.773～12.059m。地層以素填土、砂質(zhì)粉土、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土夾粉砂、粉砂為主，其中穿越地層為黏質(zhì)粉土。

圖1 DG05~DG06頂管項(xiàng)目平面圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)考慮了模型邊界效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響后，整個(gè)模型尺寸取100m×60m×22.6m；加固體幾何模型如圖2，其中縱向最小加固長(zhǎng)度2m，橫向加固長(zhǎng)度16m，上下加固長(zhǎng)度12m。頂管管節(jié)長(zhǎng)度為2.5m，因此模擬每次頂進(jìn)長(zhǎng)度為2.5m，單線共計(jì)20環(huán)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)加固范圍

網(wǎng)絡(luò)劃分效果圖如圖3所示，模型采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，整體網(wǎng)格精度為1m，對(duì)于影響較小的區(qū)域精度為2m，完成建模后節(jié)點(diǎn)數(shù)量為156323，網(wǎng)絡(luò)數(shù)量為168421。

圖3 網(wǎng)格劃分效果圖

1.2 材料參數(shù)

根據(jù)HSS模型參數(shù)取值，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的地勘報(bào)告，HSS模型各個(gè)土體參數(shù)取值如下所示。

表1 HSS模型參數(shù)取值

1.3 施工步驟

施工階段類型設(shè)置為應(yīng)力，施工步驟主要為以下步驟：①設(shè)定初始的應(yīng)力場(chǎng)，激活各個(gè)土層，添加自重以及邊界約束，同時(shí)位移清零；②挖去工作井內(nèi)部土體，激活沉井圍護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)改變洞口土體的屬性，模擬不同加固范圍，位移清零；③模擬頂管開挖過(guò)程，鈍化頂管開挖土層的同時(shí)激活管節(jié)，開挖一環(huán)的同時(shí)施加掌子面支護(hù)力180kPa以及注漿壓力200kPa。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 不同縱向加固長(zhǎng)度影響分析

為了研究頂管掘進(jìn)時(shí)，縱向加固長(zhǎng)度改變對(duì)洞口附近土層的穩(wěn)定性影響，因此選擇縱向加固長(zhǎng)度在0m、2m、4m、6m、8m、10m時(shí)進(jìn)行有限元分析，模擬了先右線再左線頂進(jìn)完成的過(guò)程。圖4為洞口1m處地表變形圖。

圖4 洞口1m處地表變形圖

未進(jìn)行加固的情況下，頂管破洞頂進(jìn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，進(jìn)而引起洞口位置較大的沉降，達(dá)到了17mm。當(dāng)縱向加固長(zhǎng)度2m時(shí)，地表沉降值降至4.99mm，因此進(jìn)行洞口加固可以有效降低頂管始發(fā)引起的地層擾動(dòng)，能夠有效降低洞口處發(fā)生工程事故的概率。地表最大沉降值隨縱向加固長(zhǎng)度增加而逐漸降低，如縱向加固長(zhǎng)為4m、6m、8m、10m時(shí)，其對(duì)應(yīng)的地表最大沉降值為3.73mm、3.06mm、2.47mm、2.20mm。由此可見(jiàn)，縱向加固長(zhǎng)度超過(guò)2m后，與之對(duì)應(yīng)的最大地表沉降變化率已經(jīng)不再顯著，因此縱向加固長(zhǎng)度至少為2m時(shí)可以滿足穩(wěn)定性需求，與理論計(jì)算結(jié)果較為接近。站在施工安全的角度，增加縱向加固長(zhǎng)度有利于工程安全，對(duì)于防患洞口土體失穩(wěn)有著重要作用，但是從施工成本角度出發(fā)，過(guò)長(zhǎng)的加固長(zhǎng)度產(chǎn)生的效益已不再明顯，反而增加了額外成本，并且過(guò)長(zhǎng)的縱向加固長(zhǎng)度還會(huì)磨碎刀盤，降低施工效率。

結(jié)合上述分析，本工程頂管縱向加固長(zhǎng)度大于2m時(shí)，基本可以滿足始發(fā)安全，對(duì)洞口土層的穩(wěn)定性有明顯的提升，符合理論計(jì)算結(jié)果。但是考慮到頂管機(jī)機(jī)頭長(zhǎng)度為5m，且實(shí)際工程中由于地下水以及土層復(fù)雜等因素，在保障施工安全、經(jīng)濟(jì)的情況下，最后取縱向加固長(zhǎng)度6m進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工。

2.2 不同上下加固長(zhǎng)度影響分析

為了研究頂管掘進(jìn)時(shí)，橫向加固范圍改變對(duì)洞口附近土層的穩(wěn)定性影響，因此選擇上下加固長(zhǎng)度在6m、8m、10m、12m、14m時(shí)進(jìn)行有限元分析，根據(jù)上節(jié)結(jié)果，將縱向加固長(zhǎng)度6m與橫向加固長(zhǎng)度16m作定值。截取洞口1m處地表變形圖如圖5所示。

圖5 洞口1m處地表變形圖

可以看出，隨著上下加固長(zhǎng)度的增加，洞口附近處的位移沉降均小于7mm，最大沉降值依舊在中心偏右位置，影響范圍大約距離中心線15m范圍內(nèi)。

洞口上下加固長(zhǎng)度在6m、8m、10m、12m、14m變化的過(guò)程中，沉降最大值分別為6.94mm、4.25mm、3.34mm、3.07mm、2.83mm。增加上下加固長(zhǎng)度會(huì)提升整體加固區(qū)土體的穩(wěn)定性，也會(huì)使得在頂管始發(fā)過(guò)程中降低對(duì)洞口土體的擾動(dòng)。同時(shí)增加下部加固長(zhǎng)度，可以抵御洞口底部承壓水帶來(lái)的突涌風(fēng)險(xiǎn)。但是隨著上下加固長(zhǎng)度持續(xù)增加，帶來(lái)的施工效益也隨之減弱，因此綜合分析實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況，在上下加固長(zhǎng)度為12m時(shí)相對(duì)安全且經(jīng)濟(jì)。

3 結(jié) 論

（1）頂管始發(fā)前進(jìn)行縱向加固，可以有效減少洞口處因破洞帶來(lái)的對(duì)地層的影響。如果未做加固，洞口土體則會(huì)在自重作用下向洞內(nèi)移動(dòng)，進(jìn)而增加了施工風(fēng)險(xiǎn)，隨著縱向加固長(zhǎng)度的增加，地層穩(wěn)定性逐漸提高，掘進(jìn)時(shí)對(duì)洞口處土體的擾動(dòng)逐漸減??；縱向加固長(zhǎng)度超過(guò)2m后，與之對(duì)應(yīng)的最大地表沉降變化率已經(jīng)不再顯著，因此縱向加固長(zhǎng)度至少為2m時(shí)可以滿足穩(wěn)定性需求，考慮到頂管機(jī)機(jī)頭長(zhǎng)度為5m，且實(shí)際工程中由于地下水等因素，在保障施工安全、經(jīng)濟(jì)的情況下，最后取土體縱向加固長(zhǎng)度6m進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工。

（2）進(jìn)行上下加固的目的是為加固體提供一定的橫截面積，從而提高加固體抵御地下承壓水的能力，同時(shí)增加上下加固長(zhǎng)度，對(duì)于頂管掘進(jìn)時(shí)洞口的地層穩(wěn)定也有一定的積極影響，但是上下加固長(zhǎng)度增加到一定程度后，加固效果會(huì)減弱，因此在DG05工作井施工時(shí)上下加固12m時(shí)可以滿足安全施工的要求。