曲線頂管施工中地表沉降規律數值模擬研究

保軍強 王秀葉 周博文 謝 昊

（1.鄭州征遠建設工程有限公司，河南 鄭州450007；2.鄭州大學土木工程學院，河南 鄭州450001）

頂管法是一種比較成熟的暗挖施工工法，在城市建設的各個領域當中已經被廣泛應用。在建筑密集市區或在穿越江河及江堤地段、下水管道、越江煤氣管道、過堤出江排水管等工程中已有許多成功案例[1-2]。目前，頂管施工場地周圍環境逐漸復雜化，穿越線路內經常遍布重要管線，地鐵運營線路，重要建筑物，公路高架橋，江河湖泊等[3-5]。這就要求頂管施工嚴格控制對周圍環境的影響，爭取做到微擾動施工，但從目前的施工水平和控制工藝來看，頂管法施工產生的擾動仍然較大[6-7]。巖土工程專業的學者對頂管施工造成的地表沉降做了一定研究，得出了一些有益的結論[8]，但是對于曲線頂管施工造成的地表沉降，還沒有一個合理的計算公式進行表達。采用通用的大型有限元數值分析軟件ABAQUS進行數值模擬分析，總結規律，勢必會為地表沉降的預測提供一定的依據。

1 數值建模及分析

1．1 模擬假定

本文建立了如下4個關于三維有限元模型的基本假定：

1.1.1 假定土體為各向同性的連續的彈塑性材料，并服從Mohr-Coulomb屈服準則，為便于討論，土體僅分3層考慮；

1.1.2 頂管模型為規則的矩形截面，不考慮長寬夾角處的平滑過渡，考慮到管道接頭之間的影響，采用管道彈性模量折減的方法代替，管道材料為各向同性的線彈性體；

1.1.3 通過初始地應力平衡在開挖前已經完成土體在自重作用下產生的變形和應力；

1.1.4 土體變形的時間效應在管道頂進過程中不予考慮。

1．2 參數選取

模型尺寸選為70m×48m×40m，土體本構模型采用Mohr-Coulomb屈服準則，注漿層采用彈性體，使用的物理力學指標如表1所示。頂推力采用距離開挖面底部1/3處的被動土壓力，大小為434kPa。摩擦力取7kPa，注漿壓力取0.1MPa。等代層的厚度取為0.2m。

表1 土體的物理力學指標

1．3 網格劃分

模型中，土體網格采用8節點六面體實體單元，頂管網格采用4節點殼單元。為模擬泥漿套的支撐作用，頂管與外部土體之間的網格采用接觸單元。

2 地表沉降的具體分析

本文從3個因素對地表沉降進行數值模擬分析，這3個因素包括：泥漿套的摩阻力、機頭壓力、土體抗力。

2．1 泥漿套的摩阻力對地表沉降的影響

對泥漿套的質量影響比較大的因素包括注漿壓力、注漿的位置、注漿量，其質量的高低體現于泥漿的減阻效果，泥漿套的減阻效果通過頂管與土體間的摩阻力來模擬。圖1-圖2為不同摩阻力下地表的變形情況。

從圖1可以看出，頂管推進過程中摩阻力較小時，周圍土體的擾動也較小，地表的沉降可以忽略不計，影響范圍較小；隨著摩阻力的增大，周圍土體的擾動開始增大，地表的沉降增大，影響范圍也隨之增大。從圖2可以看出，摩阻力越大，機頭正上方的土體沉降越小，其前方土體的隆起越大，對前方土體的影響范圍也越大。

圖3-圖4為隨著泥漿套的完整程度發生變化，泥漿套的位置不一樣時地表變形的計算結果。從圖3可以看出，隨著泥漿套完整度的加大，地表沉降隨之減小。從圖4可以看出，泥漿套完整度越高，機頭正上方沉降越小，其前方隆起也越低。

圖1 各摩阻力下的地表變形（橫向）

圖2 各摩阻力下的地表變形（縱向）

圖3 不同位置的地表變形（橫向）

圖4 不同位置的地表變形（縱向）

圖5 不同注漿壓力下地表變形（橫向）

圖6 不同注漿壓力下地表變形（縱向）

圖7 不同機頭壓力下的地表變形(橫向)

圖8 不同機頭壓力下的地表變形（縱向）

圖9 不同抗力下的地表變形（橫向）

圖10 不同抗力下的地表變形（縱向）

圖5-圖6為不同注漿壓力下的地表變形。從圖4可以看出，注漿壓力對地表的影響包括沉降和隆起。壓力為0.1Mpa時，表現為沉降；壓力為0.2MPa時，地表產生隆起，且隆起量較大。從圖6可以看出，注漿壓力對已開挖部分土體影響較大，而對前方土體的影響可以忽略不計。

2．2 機頭壓力對地表沉降的影響

圖7-圖8為在不同機頭壓力作用下，地表的變形結果。

從圖7可以看出，機頭壓力的變化對地表沉降的影響不是太明顯。從圖8可以看出，隨著機頭壓力的增大，前方土體的隆起也增大，隆起值最大的位置逐漸向機頭位置靠近。

2．3 土體抗力對地表沉降的影響

圖9-圖10為不同土體抗力下地表沉降的變形結果。從圖9、圖10可以看出，土體抗力在橫向對沉降有一定的影響，在縱向對沉降的影響可以忽略不計。

3 地表沉降模式與動態預測

根據本文有限元的計算結果，結合地表沉降曲線實測值，通過回歸分析可得在曲線頂管情況下地面沉降SV的計算公式如下：

式中，Xc——與頂管曲線半徑有關的回歸系數；SV——距離頂管中心線x處的地面沉降量；Smax——地面最大沉降量（x=Xc時）；i——沉降曲線的標準偏差。

根據文獻研究，找出與上述抗力相對應的頂管曲率半徑，再根據以上的擬合結果，得到回歸系數與頂管曲率半徑的關系曲線。再對該曲線擬合，可以得到二者的關系式如下：

對于值的估計,根據文獻[9]的研究，根據上海等地區的頂管工程沉降實測資料，用O’Reilly和New的經驗公式計算的值與實測值較為接近：

式（3）適用于粘土，式（4）適用于粒狀土。

4 結論

本文利用ABAQUS進行了一系列的數值模擬分析，得出了如下結論：

4.1選擇合理的注漿壓力可以控制地表沉降的發生，在提高掘進速度的情況下，及時注漿充填可以控制地表沉降。

4.2曲線頂管施工，地表沉降最大的位置不是通常我們認為的管道正上方，而是曲線的圓心一側。偏離曲線的距離與土體抗力有關，土體抗力越大，偏離的距離越大，反之越小。

4.3泥漿套的完整程度對地表沉降有重要的影響。泥漿套越完整，則地表的沉降量越小，反之越大。

4.4三維曲線頂管情況下，地面沉降SV可采用式（1）進行估算。

［1］溫鎖林.大斷面矩形頂管施工對環境影響研究［J］.中國市政工程，2011（5）:37-39+89-90.

［2］張文瀚，謝雄耀，李攀.淺層頂管隧道施工對路基變形影響數值分析［J］.地下空間與工程學報，2011（S2）:1619-1624+1652.

［3］黃宏偉，胡昕.頂管施工力學效應的數值模擬分析［J］.巖石力學與工程學報，2003（3）:400-406.

［4］房營光，莫海鴻，張傳英.頂管施工擾動區土體變形的理論與實測分析［J］.巖石力學與工程學報，2003（4）:601-605.

［5］朱合華，吳江斌，潘同燕.曲線頂管的三維力學模型理論分析與應用［J］.巖土工程學報，2003（4）:492-495.

［6］羅筱波，周健.多元線性回歸分析法計算頂管施工引起的地面沉降［J］.巖土力學，2003（1）:130-134.

［7］馮海寧，溫曉貴，龔曉南.頂管施工環境影響的二維有限元計算分析［J］.浙江大學學報（工學版），2003（4）:56-59+68.

［8］吳修鋒.頂管施工引起的地層移動與變形控制研究［D］.南京工業大學，2004.

［9］方從啟，李向紅.淺層頂管施工引起地面沉降的預測［J］.江蘇理工大學學報，1999，20（6）:5-8.