頂管穿越河道工程對地層沉降影響分析

郭 勤，臧振濤，衡 陽，吳陽鋒

(1.海鹽縣水利局，浙江 嘉興 314300；2.杭州水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 310006；3.浙江省水利水電工程質(zhì)量與安全管理中心，杭州 310012)

0 引 言

作為非開挖施工的一種，頂管在施工過程中能夠有效減少對防洪堤、公路等建筑物的損傷，近年來在水利、市政等行業(yè)工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[1-2]?？紤]到頂管在實(shí)施時(shí)，會對其周邊土體產(chǎn)生擾動(dòng)、改變原有土體的部分性質(zhì)，導(dǎo)致局部土體發(fā)生沉降，為了確保工程安全實(shí)施，需進(jìn)行相關(guān)的地層沉降分析。文章根據(jù)工程實(shí)際需求，在分析頂管實(shí)施過程對地面影響機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過采用Peck公式以及PLAXIS有限元法對頂管穿越河道區(qū)域進(jìn)行地層沉降分析。

該工程規(guī)劃在河道原水管道上游布設(shè)一輸水管道，兩管中心間距4m，其中原水管道全線管徑采用DN1800，主管材采用PCCP管，過河處采用鋼管，輸水管道頂管穿越河道部分長564m，管徑采用DN1400，材料為鋼管。

1 頂管施工影響沉降估算

國內(nèi)外對頂管施工引起的地面變形都做了大量研究，文章結(jié)合工程實(shí)際需求，采用Peck公式計(jì)算頂管穿河時(shí)的地層沉降曲線[3]。

地層沉降的預(yù)估公式及最大沉降量的計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：S(x)為距離管道中心線x處的地層沉降，m；Smax為管道中心線處最大地面沉降，m；x為距管道中心線的距離，m；i為沉降槽寬度系數(shù)，m；Vs定向鉆單位長度地層損失，m3/m。

Peck公式中地層損失(Vs)的取值對計(jì)算成果影響較大。地層損失與施工技術(shù)、操作方法、地層條件、地面環(huán)境、施工管理等因素有關(guān)，目前尚難給出確定的解析式。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在采用適當(dāng)技術(shù)和良好操作的正常施工條件下，地層損失Vs可表示為：

VS=VlπR2

(3)

式中：Vl為單位長度地層損失占單位長度定向鉆管體積的百分比；R為定向牽引管外徑，m。

Vl的取值與地質(zhì)條件和施工條件密切相關(guān)，根據(jù)相關(guān)工程施工經(jīng)驗(yàn)，正常施工條件下，Vl的取值范圍一般為0.5-2.5%之間，本次定向鉆沉降計(jì)算時(shí)，考慮擴(kuò)孔的影響，Vl取用5%。

運(yùn)用Peck公式計(jì)算后，現(xiàn)狀堤防地面沉降橫向分布見表1、圖1，圖表顯示，堤頂最大沉降為10mm，順堤線方向呈凹形槽分布，不均勻沉降斜率為0.02%-0.08%。

表1 現(xiàn)狀堤頂橫向沉降計(jì)算

圖1 現(xiàn)狀堤頂沉降橫向分布圖

2 有限元分析法預(yù)測地層沉降

目前有限元技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測頂管穿越河道、公路等建筑物引起的地層變形預(yù)測案例也較為普遍。該工程原、配水兩根管道頂管施工穿越河道兩岸堤防，考慮到工程實(shí)施前后，防洪墻及河道可能會發(fā)生較大沉降變形，為了進(jìn)一步分析預(yù)測頂管頂進(jìn)過程中以及后期沉降，同時(shí)考慮工程結(jié)構(gòu)及邊界條件，采用有限元分析法進(jìn)行數(shù)值模擬。

實(shí)際實(shí)施時(shí)，采用PLAXIS進(jìn)行模擬，土體材料采用Mohr-Coulomb模型，相關(guān)的屈服準(zhǔn)則采用以下公式：

(4)

式中：φ為摩擦角；c為黏聚力。Mohr-Coulomb屈服函數(shù)采用六棱錐進(jìn)行構(gòu)建模擬。除屈服函數(shù)外，Mohr-Coulomb 模型還對塑性勢函數(shù)進(jìn)行了如下的相關(guān)定義：

(5)

式中：參數(shù)ψ為剪脹角。該參數(shù)是用于模擬正的塑性體積應(yīng)變發(fā)生的剪脹現(xiàn)象。

采用有限元軟件Plaxis進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬分析時(shí)，相關(guān)參數(shù)如下：

1)運(yùn)用有限元分析軟件Plaxis構(gòu)建數(shù)學(xué)模型模擬分析頂管施工對現(xiàn)狀防洪堤所產(chǎn)生的影響，模型考慮的原水管道直徑為1.8m，配水管道直徑為1.4m，管道中心埋設(shè)高程為-3.20m，防洪堤堤頂高程為12.5m，兩管道間距4.0m。

2)地基土層自上而下分別是①0堤身填土，層厚取值為6.6m，①2粉質(zhì)黏土，層厚取值為3.8m，②1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，層厚取值為10.7m，③3粉砂，層厚取值為4m。同時(shí)考慮到粉砂層下部土體對地層沉降計(jì)算影響很小，為便于計(jì)算，將粉砂層下部的土體視為堅(jiān)硬層。

3)本數(shù)值模型構(gòu)建時(shí)，管道襯砌采用線彈性計(jì)算方式，相關(guān)施力荷載包括結(jié)構(gòu)自重、水以及土的壓力，模型的基本單元選擇15節(jié)點(diǎn)單元，構(gòu)建模型如圖2所示。

考慮輸、配水管頂管施工的先后次序，在進(jìn)行有限元數(shù)值模擬時(shí)，分為兩各步驟進(jìn)行計(jì)算[4-5]。

圖2 穿堤頂管有限元模型單元網(wǎng)格圖

2.1 輸水管道頂管施工后的地表沉降

當(dāng)輸水管道頂管施工后，通過有限元分析計(jì)算可知：

1)輸水管道頂管施工后，地層沉降符合一般性規(guī)律，即沿管道中心處向兩側(cè)呈對稱分布，且最大沉降點(diǎn)為管道中心；管道上方的地層沉降沿豎向逐漸增大，同時(shí)在輸水管道頂端處出現(xiàn)最大值，管道下方的土體會發(fā)生上移現(xiàn)象，并在管道底端出現(xiàn)最大值，如圖3和圖4所示。

2)由圖5地層沉降曲線可知，輸水管道位置處地層沉降出現(xiàn)最大值9mm，曲線呈中間大，兩側(cè)小的凹字形分布。

圖3 輸水管道頂管施工后模型總位移圖(矢量)

圖4 輸水管道頂管施工后模型總位移圖(云圖)

圖5 輸水管道頂管施工后地面沉降橫向分布圖

2.2 輸、配水管道施工后的地表沉降

在輸、配水管道皆施工后，通過有限元分析計(jì)算可知：

1)輸、配水管道施工后，地層沉降符合一般性規(guī)律，即兩管道中間處向兩側(cè)呈對稱分布，且最大沉降點(diǎn)為輸、配水管道之間位置；管道上方的地層沉降沿豎向逐漸增大，同時(shí)在輸、配水管道頂端處出現(xiàn)最大值，管道下方的土體會發(fā)生上移現(xiàn)象，并在管道底端出現(xiàn)最大值，如圖6和圖7所示。

2)由圖8地層沉降曲線可知，輸、配管道實(shí)施后，在兩管道位置處地層沉降出現(xiàn)最大14mm，曲線呈中間大，兩側(cè)小的凹字形分布。

圖6 輸、配水管道頂管施工后模型總位移圖(矢量)

圖7 輸、配水管道頂管施工后模型總位移圖(云圖)

圖8 輸、配水管道頂管施工后地面沉降橫向分布圖

3 結(jié) 論

文章結(jié)合實(shí)際頂管穿越河道工程建設(shè)，通過地表沉降經(jīng)驗(yàn)公式、有限元數(shù)值模擬等手段計(jì)算分析了輸、配水管道頂管施工對地層沉降的影響，主要結(jié)論如下：

1)采用peck法對頂管穿越河道堤頂最大沉降進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示防洪堤堤頂最大沉降為10mm，順堤線方向呈凹形槽分布，不均勻沉降斜率為0.02%-0.08%。

2)通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算及有限元數(shù)值模擬，得出管道開挖過程中地層沉降自頂進(jìn)點(diǎn)向兩側(cè)呈對稱分布，最大沉降點(diǎn)為管道頂進(jìn)位置。采用有限元Plaxis軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，輸水管道頂進(jìn)后，預(yù)估堤頂最大沉降為9mm，輸、配水管道頂進(jìn)后，預(yù)估堤頂最大沉降為14mm。

3)輸、配水管頂進(jìn)過程中相關(guān)規(guī)律：管道上方的地層沉降沿豎向逐漸增大，同時(shí)在輸、配水管道頂端處出現(xiàn)最大值，管道下方的土體會發(fā)生上移現(xiàn)象，并在管道底端出現(xiàn)最大值。