頂管施工引起地面沉降的機理分析及數(shù)值模擬

高 坤 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，安徽 合肥 230001）

1 引言

近年來，隨著我國城市人口的不斷增加，城市化進程不斷加快，地下管道的數(shù)量也隨之迅速增加。頂管法作為一種先進的鋪管技術(shù)，以開挖量小、對周圍環(huán)境影響小和施工快等特點而被越來越廣泛的應(yīng)用于城市市政工程的建設(shè)中，但頂管施工會對其周圍土體產(chǎn)生擾動，引起地面沉降，嚴重者將導(dǎo)致地面建筑物的變形開裂破壞[1-2]。鑒于此，本文分析了頂管施工引起地面沉降的機理，并以合肥地區(qū)某具體工程為背景，建立三維模型分析頂管施工引起地面的沉降量及其范圍，以期能為合肥地區(qū)的其它工程提供參考。

2 頂管施工對周圍土體的擾動機理

頂管施工過程對周圍土體的擾動是導(dǎo)致地層變形的根本原因，其引起周圍土體擾動的因素是十分復(fù)雜的，但是可認為地層損失是引起地層位移的主要影響因素。頂管施工過程中的地層損失通常可以劃分為正常地層損失和不正常地層損失兩種[3]。正常的地層損失是指在正常的頂管施工過程中不能完全消除必然會產(chǎn)生的地層損失，但同時可以通過有效的技術(shù)措施來減小地層損失對頂管施工的影響。不正常地層損失則是指在正常頂管施工條件下不會發(fā)生的地層損失，例如洞口周圍土體由于洞口止水裝置的失效發(fā)生塌陷；或者因為管節(jié)接口處質(zhì)量不合格導(dǎo)致周圍土體流入管道內(nèi)。這種不正常的地層損失在頂管施工過程中應(yīng)當(dāng)完全杜絕發(fā)生。

地層損失引起土體向管道周圍土體薄弱面和管道開挖面擴散，從而引起地面的沉降變形。引起地層損失的各種因素如下。

2.1 開挖面引起的地層損失

頂管施工過程中進行斷面開挖時，即使使用了泥水、土壓或氣壓平衡等技術(shù)措施來抵消開挖面前方和上方的土壓力，開挖面正面的土體也不會一直保持受力平衡狀態(tài)。當(dāng)正面頂推力較小時，開挖面的土體由于土體的側(cè)向土壓力會向頂管管道內(nèi)移動，引起地層損失，從而導(dǎo)致地表下沉；當(dāng)開挖面的正面頂推力比較大時，開挖面前方土體受到擠壓，引起土體向開挖面前方移動，若頂管的埋深較淺，開挖面前方地表會表現(xiàn)出明顯的隆起現(xiàn)象。合理控制頂管施工的正面頂推力，保持開挖面前方土體基本處于土壓平衡狀態(tài)，可以有效的減小地層損失。

2.2 管道與土體之間存在環(huán)形空隙引起的地層損失

管道與土體之間存在空隙的原因主要有4個：觸變泥漿失水，若頂管管道與土體孔隙中的觸變泥漿失水，會增大地層損失；相鄰管片之間不平整，若相鄰管片之間的接口不合格，沒有達到設(shè)計要求，則會增大頂管管道與土體的空隙空間，從而導(dǎo)致更多的地層損失；通常情況下，頂管管道外徑一般比工具管外徑小2～4cm，因此在頂管施工過程中，開挖面后方管道外壁與土體之間會產(chǎn)生環(huán)形的空洞，若沒有及時的采取注漿加固措施，管道周圍的土體會受到擠壓向環(huán)形空隙之中移動，從而導(dǎo)致地層損失；管道外徑與中繼環(huán)外徑之間存在差異，中繼間在頂進施工過程中會帶走泥漿，甚至帶走管道周圍的土體。這些原因都會導(dǎo)致地層損失。

2.3 工具管上方粘土造成的地層損失

頂管施工過程中，因為從第一節(jié)管道開始注漿減小摩阻力，所以，頂管的工具管會與周圍的土體之間產(chǎn)生直接的接觸，土體在自重應(yīng)力的作用下，不可避免的會粘在工具管上方一部分土，導(dǎo)致工具管斷面面積比頂管管道斷面面積大，若這個縫隙不能完全被注漿加固，會導(dǎo)致管道上方土體的下沉，從而引起地層損失。

2.4 頂管管道和工具管與周圍土體發(fā)生剪切作用而引起的地層損失

頂管施工過程中工具管會對周圍土體產(chǎn)生剪切擾動，從而導(dǎo)致地層的損失。頂管管道由于注漿減小了與土體間的摩阻力，對周圍土體的剪切擾動相對較小，但在頂進管道過程中若發(fā)生軸線偏離，則會產(chǎn)生局部縱向剪切，管道對周圍土體的剪切擾動會增大。所以，當(dāng)頂管出井不當(dāng)偏離軸線位移時，會產(chǎn)生較大的撓曲變形，在工作井附近會產(chǎn)生較大的地層損失。

2.5 糾偏引起的地層損失

頂管施工過程中，或多或少都會出現(xiàn)軸向的偏差，當(dāng)軸向偏差過大需要進行糾偏措施時，工具管與軸線會形成一個夾角。因此在糾偏頂進時，工具管對偏轉(zhuǎn)方向的土體會產(chǎn)生擠壓力，導(dǎo)致土體的位移變化;同時，在另一側(cè)工具管道與土體之間會產(chǎn)生間隙。這樣，就導(dǎo)致了開挖的斷面成為橢圓形，這種情況引起的地層損失即為橢圓形的面積與管道外壁圓形面積的差值。工具管的糾偏幅度和工具管自身的管徑及長度決定了該種情況下的地層損失量。

在上述幾種地層損失原因分析中，前三種是屬于正常的地層損失，很難避免此種情況的發(fā)生；后面是屬于不正常的地層損失，可以通過提高施工控制來避免地層損失的發(fā)生。

3 工程實例

3.1 工程概況

合肥市某市政工程某段頂管管線全長50m，埋深8m，頂管管徑為1.5m，管道材質(zhì)為鋼筋混凝土管，管道穿越的地層為粘土層，表層土為軟粘土。

3.2 計算模型

圖1 計算模型網(wǎng)格圖

根據(jù)工程的具體情況，并考慮頂管施工的影響范圍及邊界條件的影響，建立三維數(shù)值計算模型。模型X方向長度取50m，Y方向長度取40m，Z方向長度取40m。模型采用8節(jié)點六面體等參單元進行劃分，按離管道的遠近，網(wǎng)格從疏到密，共劃分162300個單元，17238個節(jié)點，具體計算模型如圖1所示。

3.3 材料的參數(shù)及本構(gòu)模型

根據(jù)工程地質(zhì)勘探報告及對應(yīng)的室內(nèi)土工試驗，確定本次數(shù)值模擬計算的材料物理力學(xué)參數(shù)取值，具體見表2。

材料物理力學(xué)參數(shù)表 表1

在較低應(yīng)力狀態(tài)下巖土體（含注漿材料）的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本符合理想彈塑性模型，屈服規(guī)律符合摩爾庫倫屈服準則。因此，在本次數(shù)值模擬計算過程中，土體及注漿材料的本構(gòu)模型取彈塑性模型，相應(yīng)的屈服準則選取摩爾庫倫屈服準則。管節(jié)采用的是鋼筋混凝土材料，在土壓力及其他外荷載的作用下，其受力變形主要處于彈性階段，故其本構(gòu)模型采用線彈性本構(gòu)模型。

3.4 頂管施工力學(xué)過程的數(shù)值實現(xiàn)

頂管施工是一個循序漸進的連續(xù)過程，但為了模擬方便，將頂管推進簡化成一個非連續(xù)的分步頂進過程，并用空模型及改變單元材料模型和參數(shù)的方法來反映土體的開挖和管節(jié)的分步頂進。在模擬計算開始之前，先在模型里預(yù)設(shè)管內(nèi)土體開挖單元、管節(jié)單元及注漿體單元；頂管推進時，假設(shè)管道每次向前推進5m，給開挖土體單元賦上空模型，同時改變該5m范圍內(nèi)管節(jié)及注漿體單元的材料模型以及參數(shù)來模擬管節(jié)和注漿體。用同樣的步驟模擬下一步頂進工況，直至開挖完成。

3.5 模擬結(jié)果分析

圖2 頂管頂進結(jié)束后土體z方向位移云圖

圖3 頂管頂進結(jié)束后地表沉降量

頂管施工結(jié)束后土體的豎向位移云圖如圖2所示，在地表面平行Y方向取一系列監(jiān)測點，從FLAC 3D軟件中將頂管施工模擬中監(jiān)測點豎直方向位移記錄下來并繪制成曲線圖，如圖3所示。

由圖3可知，頂管施工對周圍土體的影響是一個漏斗形區(qū)域，并且距離管道越近，土體的變形就越大，反之越小。土體最大沉降出現(xiàn)在管道正上方，地表面最大沉降量為5.8mm，沉降主要集中在距管道軸線10m的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文分析了頂管施工對周圍土體的擾動機理，并以實際工程為背景，建立三維有限元模型對頂管施工引起的地表沉降進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明地表最大沉降量出現(xiàn)在頂管軸線正上方，沉降主要集中在距管道軸線10m的范圍內(nèi)，該計算結(jié)果可供合肥地區(qū)同類工程參考。