復(fù)雜地質(zhì)條件下多孔頂管施工地層沉降變形規(guī)律研究

摘 要：頂管施工技術(shù)發(fā)展迅速，在市政管道工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。當(dāng)前在復(fù)雜地質(zhì)尤其是針對上軟下硬的地層變形控制中，對等效土體的參數(shù)處理仍以經(jīng)驗設(shè)計為主，沒有很好地呈現(xiàn)特定參數(shù)下地層沉降變形規(guī)律。運用Peck解析公式并結(jié)合實測數(shù)據(jù)擬合分析地層沉降曲線，利用abaqus軟件對數(shù)值進行模擬，并驗證多孔圓形、矩形頂管施工地層沉降機理，以期為市政工程同類型頂管設(shè)計與安全施工提供參考。

關(guān)鍵詞：頂管；變形規(guī)律；Peck；沉降；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU 74 " " " " 文獻標志碼：A

頂管施工技術(shù)在我國發(fā)展較為迅速，在工程實踐中涌現(xiàn)了很多新設(shè)備，很好地解決了地下工程非開挖施工工藝技術(shù)設(shè)備落后問題，但目前國內(nèi)市政工程頂管施工管道仍存在技術(shù)設(shè)備陳舊，地域運用范圍不均勻，在復(fù)雜地層中，尤其針對上軟下硬地質(zhì)條件下的地層變形控制研究主要以經(jīng)驗設(shè)計為主等問題[1-4]，處理在地應(yīng)力作用下，土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)因頂管施工造成土體損失與地層變形是以Peck公式[5]解析為主，部分學(xué)者雖然根據(jù)彈塑性力學(xué)與隨機介質(zhì)理論進行研究，但是對等效土體的參數(shù)處理以經(jīng)驗設(shè)計為主，與施工工藝的契合度有待提升，沒有很好的呈現(xiàn)特定地層沉降變形規(guī)律。

本研究以湖州南太湖新區(qū)輸水互通高鐵站西側(cè)輸水管連接工程項目為背景，結(jié)合現(xiàn)場沉降數(shù)據(jù)監(jiān)測、Peck公式理論解析和數(shù)值模擬對頂管施工地表沉降變形規(guī)律進行研究，并相互驗證地層變形機理的合理性，以期為同類施工項目提供參考，進一步為城市地下空間工程頂管施工理論奠定基礎(chǔ)。

1 頂管施工地層沉降

1.1 沉降變形公式

在頂管施工中，土體擾動是地層產(chǎn)生變形的根本原因，由于土體開挖卸荷改變了原有應(yīng)力平衡狀態(tài)，因此掌子面受到開挖面空間效應(yīng)的影響，當(dāng)管道與土體接觸時引起地層變形。頂管在施工期間會因土顆粒間的空隙而產(chǎn)生細微收縮，因管道壁后注漿產(chǎn)生微量擴張[5]。此外頂管機對周圍土體進行擠壓與松動、加載與卸載以及孔隙水壓力增加與下降導(dǎo)致變形，會讓土體應(yīng)力釋放和發(fā)生沉降或隆起等現(xiàn)象[6-7]。在實踐中，采用的技術(shù)工藝、土體地質(zhì)條件以及頂管機尺寸不同都會影響擾動范圍，因此理論上很難用統(tǒng)一的公式表述變形的影響范圍，但可以針對具體工程，借助經(jīng)驗性公式建立特定工程參數(shù)對變形范圍進行研究。因此，采用Peck公式進行理論計算，假設(shè)地層變形由土體損失引起，土體不排水、不固結(jié)以及不壓縮，頂管掘進開挖的損失土體體積等于沉降槽體積。計算沉降量如公式（1）～公式（4）所示。

（1）

（2）

（3）

Vi=0.05V0 " " " " " " " （4）

式中：S（x）為地層變形沉降量（橫向沉降）；Smax為頂管機機頂中心線地層最大沉降；i為計算點距管道中心線橫向距離；V0為頂管機每米計算出土量；z為地表至管道中心的深度；Vi為單位頂管機體長度地層應(yīng)力損失，取5%單位出土量；x為沉降曲線中心到計算點的距離。計算地層沉降變形如公式（5）所示。

（5）

1.2 地層橫向沉降解析

由公式（5）可知，斷面橫向沉降值與管道埋設(shè)深度、斷面尺寸、土體物理力學(xué)性質(zhì)以及距離管道中心線的距離密切相關(guān)，根據(jù)Peck理論公式與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)比較分析各因素對地層沉降規(guī)律的影響。在此工程中，兩條給水管道尺寸型號分別為DN2200和DN2000，地面至管道底部外緣深度為10m，在施工中，DN2200管道對應(yīng)的頂管機外徑為2260mm，過河段管道長度為378m，其中地層土質(zhì)自上而下主要為素填土、粉質(zhì)黏土、粉土和全風(fēng)化巖，頂管施工段中的頂管大部分在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層上，承載力特征值為60kPa，γ=19.29kN/m3，φ=11.4°，c=45.2kPa，其中，γ為土體重度；φ為內(nèi)摩擦角；c為土體黏聚力。以DN2200與DN2000給水管道為例，根據(jù)公式（5）解析得到當(dāng)管道埋深z=10m時，沿與管道軸線垂直的橫向地層沉降變形和通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合后的沉降曲線如圖1所示。

由圖1發(fā)現(xiàn)，基于Peck公式解析計算后的曲線，當(dāng)頂管施工時，DN2200與DN2000給水管道的橫向沉降變形規(guī)律顯示為距離管道中心越近，沉降值越大，形似正態(tài)分布。當(dāng)x=0時，沉降值最大，S（x）=3.196cm；距離管道中心線越遠，地層沉降最小，當(dāng)x=6.25時，S（x）≈0，地層幾乎不再變形并趨于穩(wěn)定。在施工中，沿管道橫截面中心兩側(cè)各5m設(shè)置監(jiān)測點測定地面沉降數(shù)據(jù)，獲取后對origin數(shù)據(jù)進行處理，擬合曲線發(fā)現(xiàn)20處斷面監(jiān)測點的數(shù)據(jù)曲線與Peck公式曲線高度接近。當(dāng)x=0時，橫向沉降最大值S（x）=3.341cm，與Peck理論計算結(jié)果誤差比僅為4.53%，說明在管道開挖過程中，不考慮后期地表蠕變，地層變形范圍隨著開挖面擾動影響范圍的擴大而減少，并最終趨于穩(wěn)定。因此當(dāng)頂管施工時，應(yīng)及時對管道與地層間隙進行注漿，抑制或減緩地層變形。為驗證本工程給水管道直徑對地層沉降變形的影響，根據(jù)穿越西苕溪段DN2000與DN2200給水管道參數(shù)，進行對標研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其他條件不變時，管道的直徑越大，地層同一位置橫向沉降值越大，二者呈正相關(guān)。其中，DN2000給水管道在x=0處地層沉降變形值S（x）=2.576mm，與DN2200給水管道在x=0處的沉降值相比，降幅達到19.4%。

進一步分析管道埋深與土質(zhì)物理力學(xué)性質(zhì)對地層沉降變形的影響，在x=0處分別設(shè)置10～20m共計11組管道埋置深度參照組數(shù)據(jù)；10o～20o共計11組內(nèi)摩擦角參照組數(shù)據(jù)，代入擬合公式后結(jié)果如圖2所示。

當(dāng)其他條件不變時，隨著管道埋深增加，同一位置地層橫向沉降變形值逐漸變小且降低速率由快變緩，土體內(nèi)摩擦角度值與地層變形值也基本呈線性負相關(guān)。在設(shè)置的參照組范圍內(nèi)，二者對地層變形影響單位幅度分別為8.9%和1.48%，由此可知，管道直徑對地層變形影響的敏感度比土體內(nèi)摩擦角高。因此當(dāng)頂管施工給水管道時，頂管掘進過程中應(yīng)著重控制頂管機姿態(tài)，防止機頭沿地層垂直方向產(chǎn)生“抬頭”或“低頭”現(xiàn)象，同時當(dāng)穿越軟弱地層時，土體內(nèi)摩擦角較小，因此須嚴格控制注漿壓力對地層加固，確保掌子面沿著設(shè)計軸線穩(wěn)定開挖。

2 數(shù)值模擬

在頂管施工過程中，土體開挖后，由于受開挖面空間效應(yīng)的影響，因此地質(zhì)較好的地層變形不大，但支護時機對地層變形的抑制能力較為顯著，在以往的研究過程中，認為及時支護能抑制地層變形，忽視了土體與支護結(jié)構(gòu)間的耦合作用關(guān)系，僅可以從理論上闡述變形機理，與工程實際有一定出入，實際上掌子面土體開挖后，支護結(jié)構(gòu)不能瞬時跟上，需要一定的間隔時間，因此當(dāng)管道支撐土體時，地層已經(jīng)產(chǎn)生了沉降。不考慮土體蠕變因素影響，實際上地層變形帶的影響范圍應(yīng)該比理論計算的數(shù)值范圍小，應(yīng)該減去未支護時已發(fā)生的沉降變形值再進行研究模擬，南太湖新區(qū)輸水互通高鐵站西側(cè)輸水管連接工程穿越西苕溪段，DN2000與DN2200給水管道同步施工且平行敷設(shè)，管道凈距為3.5m，兩條給水管道中心間距為5.6m，理論上基于Peck公式計算的地面沉降影響區(qū)域值x=6.25gt;5.6m，為驗證變形帶寬度取值普適性并驗證是否滿足安全施工要求，設(shè)定參數(shù)對圓形頂管與矩形頂管施工過程的地層變形進行模擬分析。

2.1 圓形多孔頂管施工平面狀態(tài)沉降模擬

設(shè)置土體重度γ=19.29kN/m3，地面承載力為60kPa，管道直徑為5m，根據(jù)圖1中DN2200管道沉降曲線計算在變形零點處，管道的橫向沉降變形帶影響范圍為x=2.84D，圓形頂管間距取2.84D即14m，模型基本尺寸：寬度為60m，高度為60m，土層采用2D單元、摩爾—庫倫本構(gòu)模型，兩條給水管道同時施工。模擬結(jié)果如圖3、圖4所示。

從圖3發(fā)現(xiàn)，管道周圍的土體因開挖得到應(yīng)力釋放，管道上方和下方的應(yīng)力明顯高于管道周圍的應(yīng)力，在管道豎向界面一定范圍內(nèi)，頂管沿著設(shè)計軸線穿越土層進行管道鋪設(shè)，因此沿著豎向出現(xiàn)長時應(yīng)力集中，橫向兩條給水管道同時施工對中間土體產(chǎn)生擠壓效應(yīng)，因此兩條管道沿凈距中點往橫向兩側(cè)的應(yīng)力逐漸遞減。

從圖4發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩條管道同時施工時，距離管道中心越遠，兩側(cè)位移逐漸減少，兩條管道間產(chǎn)生了相向位移，但在兩條管道凈距中心位置處變形量僅為-0.48mm，幾乎為0，說明當(dāng)同向施工時，設(shè)置兩條給水管道的間距為2.84D的變形帶是安全的。從豎向位移云圖發(fā)現(xiàn)，沿著管道埋深增加，同一點處地層豎向變形逐漸減少，與圖2理論解析結(jié)果一致。

2.2 三維矩形多孔頂管施工地層沉降模擬

為進一步揭示多孔頂管在三維空間掘進過程對地層沉降變形擾動的規(guī)律，建立多孔頂管同方向施工模型，設(shè)置基本參數(shù)：土體斷面尺寸設(shè)置寬為50m，長為50m，深度為95m，土體內(nèi)摩擦角為20°，采用摩爾—庫倫塑性模型，彈性模量為180GPa，地面承載力為110kPa，數(shù)值模擬后的結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5發(fā)現(xiàn)，在土體中，隨著地表深度增加，主應(yīng)力逐漸減少，至管道接觸處出現(xiàn)應(yīng)力集中；在頂管中，距離開挖面越遠，管道尾部與活動衡量組合體與千斤頂接觸，造成主應(yīng)力逐漸增加，在末端產(chǎn)生壓應(yīng)力為86.84MPa，當(dāng)頂管機頭到達掌子面時，土地與頂管機頭相互作用，導(dǎo)致應(yīng)力驟增，接觸面處作用應(yīng)力為290.4MPa。

由圖6發(fā)現(xiàn)，在模型深度范圍內(nèi)，頂管機在土體掘進過程中，地層豎向變形自地表往下依次減少，頂管機上部產(chǎn)生正值隆起位移，最大值為5.71cm；下部產(chǎn)生擠壓負向位移，最大值為-5.058cm。在管道側(cè)向，距離管道中心線距離越遠，變形逐漸降低，驗證了基于Peck公式正態(tài)曲線的合理性。

3 結(jié)論

通過對頂管施工地層沉降變形規(guī)律的理論計算、監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合與數(shù)值模擬研究，綜合分析可得出以下結(jié)論：1）在頂管施工過程中，沿與管道中心橫向距離越遠，地層沉降變形逐漸減少，管道中心處變形最大。在影響地層變形因素中，管道直徑、管道埋深和內(nèi)摩擦角敏感性依次降低，因此當(dāng)復(fù)雜地層進行頂管施工時，應(yīng)優(yōu)先結(jié)合工程地質(zhì)條件進行頂管機型的適配性選擇。2）滿足基本參數(shù)條件下，同向施工兩條管道間距為2.84D的變形帶寬度符合安全距離范圍且地層豎向變形自地表往下依次減少，但至管道開挖面處，管道上部隆起，下部沉降。因此，當(dāng)雙孔頂管同向、同時施工時應(yīng)加強對對面沉降進行監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)地面隆起或沉降值達到預(yù)警時，及時調(diào)整注漿壓力與千斤頂頂力等影響地層變形安全的機械參數(shù)。3）在復(fù)雜地層掘進的過程中，為保障多孔頂管同向、同時施工安全，應(yīng)及時采用管后注漿加固地層，減少支護滯后時機，同時隨時對頂管機前進姿態(tài)進行糾偏，避免機頭上下位置偏離軸線，導(dǎo)致地層變形超過設(shè)計允許值影響施工安全，當(dāng)頂管入洞時，機頭與土體接觸產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此須提前對洞口進行土體加固，保障頂管機始發(fā)安全。

參考文獻

[1]楊寶.盾構(gòu)穿越上軟下硬及硬巖段施工技術(shù)分析[J].城市道橋與防洪，2018（4）：157-158.

[2]陶永隆.長距離頂管施工技術(shù)在市政給排水施工中的應(yīng)用[J].中國建筑裝飾裝修，2022（11）：71-73.

[3]王都臣.市政給排水工程中的長距離頂管施工技術(shù)研究[J].中國設(shè)備工程，2022（8）：175-176.

[4]梁詔斌，曹鑫，江閃閃.試析市政給排水施工中的中長距離頂管施工技術(shù)[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2021（24）：119-121.

[5]余劍鋒.頂管施工引起地表變形問題研究[D].廣州：廣州大學(xué)，2006.

[6]胡智超.超淺層曲線頂管施工階段土體位移的理論研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2007.

[7]張慶賀，朱志隆.盾構(gòu)推進引起土體擾動理論分析及實驗研究[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報，1999，18（6）：699-703.