頂管工程對臨近既有管廊沉降影響的有限元分析

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)濟發(fā)展及土地資源的日益稀缺，建設(shè)地下工程進行大范圍開挖，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頭切削土體進行開挖，土體先處于卸載狀態(tài)；再由工作井千斤頂頂進，對機頭前方一定土體產(chǎn)生強烈的擾動作用而使其處于擠壓狀態(tài)；由于機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；二是由于掘進機與土體及后續(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：在掘進機機頭開挖過程中，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理的基礎(chǔ)上，對其施工的影響范圍與大小進行定量研究，即不僅要預(yù)測土層運動的最大值，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，管壁與土體間會留有空隙，頂進同時進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，強度低，易造成土體的不均勻沉降。相關(guān)土層物理力學參數(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。對頂管逐步頂進的施工過程進行模擬，共11 個施工步驟，逐步進行鋼管頂進。另考慮頂管對周圍土層的擾動，對管壁周圍進行一層薄弱層的劃分，以模擬頂進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過程中管廊的沉降量。頂管每步頂進距離5m，頂進第十步即頂管完成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）

管廊沉降隨著頂進動態(tài)變化，圖4 顯示了在整個頂進過程中距管道最近點的位移變化量，橫坐標S1 ～S11 代表頂進過程施工段。X、Y為頂進平面的橫、縱方向量，Z為垂直頂進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完成時管廊沉降量達到穩(wěn)定狀態(tài)且為最大值約8mm，沉降量隨頂進距離增大而增加。

圖4 管廊距頂管管道最近點位移變化曲線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)。