頂管近接施工對鄰近建筑物的影響分析

吳大國 ，彭建和 ，候高峰

（安徽省建筑工程質量監督檢測站，安徽 合肥 230088）

1 引言

頂管法作為一種先進的鋪管技術，以開挖量小、對周圍環境影響小和施工速度快等顯著的優點而被廣泛的應用于市政工程中，但頂管施工過程會對土體產生擾動，特別在頂管近接建筑物施工時，對建筑物的影響更為明顯，會使得周圍地表及建筑物發生沉降[1～4]。如連霍高速公路施工單位在頂管施工工程中，未能針對地質條件采取相應的措施，造成了挖掘面上方的流沙土體坍塌；在開封市的玉皇閣整體頂升保護工程中，因頂管施工造成了玉皇閣建筑物的不均勻沉降。因此，合理開展頂管施工，降低其對鄰近建筑物的影響，是當前巖土領域的熱點問題之一。

研究頂管施工造成土體變形和地表沉降的方法很多，如現場監測分析法、理論分析法、數值模擬法等，其中數值模擬分析作為一種重要的研究方法而越來越受到重視。隨著計算機技術的發展，頂管施工的三維模擬越來越精細，其計算結果也越來越與實際工程接近。相關研究[7～10]也已證實數值模擬分析的可靠性。

鑒于此，本文結合某截污改造實際工程，通過建立三維有限元力學模型，對頂管施工引起的鄰近居民樓基礎沉降進行數值模擬分析，力求得出頂管施工對鄰近居民樓基礎沉降的影響規律。

2 工程概況

某截污改造工程某段頂管管線全長51m，埋深5m，頂管管徑DN800mm，管道材質為F型鋼筋混凝土管（Ⅲ）。管道沿線地貌單元為河漫灘及一級階地，微地貌為凹凸間地。管道出露地層為新近回填土（主要為褐色耕植土，局部為雜色雜填土）、第四系全新統（Q4）和更新統（Q3）沖洪積層，主要為褐～褐黃色淤泥質粉質粘土（軟塑狀態），可塑狀粉質粘土，下伏基巖為灰巖或泥質砂巖。在此段頂管施工區域有一棟居民樓，該居民樓為綜合住宅樓，平面尺寸為46m×10m（長×寬），上下共5層，第1層為框架結構，第2～5層為磚混結構。基礎采用鋼筋混凝土材料，埋深為1.2m，該居民樓近頂管端基礎外側與頂管軸線凈距為2.2m。在頂管施工過程中，受雨水影響，該區域局部沉降值達到了0～15mm，頂管施工完成后施工方根據專家意見采取了注漿的手段對頂管周圍及其可能影響的范圍進行加固。

3 頂管施工過程的數值模擬

有限差分法、有限元法、離散元、邊界元以及非連續變形分析法等新方法是目前巖土工程常采用的數值分析方法。其中有限差分法是最早應用于工程科學的數學方法之一，由于其在解決非線性、大變形問題、物理的不穩定問題方面較為有效而被廣泛應用于巖土工程中。FLAC3D軟件是有限差分法最好的應用之一，其采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區技術，能夠準確地模擬材料的塑性破壞和流動，特別適用于分析漸進破壞、失穩以及模擬大變形。基于FLAC3D軟件在巖土工程領域的廣泛應用，本次數值模擬采用FLAC3D軟件。頂管施工是一個循序漸進的連續過程，模擬過程采用不斷改變單元材料類型和參數的方法來反映頂管的頂進，在模擬計算之前，先在模型里預設管內土體開挖單元、管節單元及注漿體單元。頂管推進時，假設管道一步一步往前推進，每次向前推進5m，使用model null命令去掉開挖土體單元，同時改變此次5m范圍內相應的單元材料模型和參數來模擬管節的安裝和注漿，不斷重復此步驟直至開挖完成。

3.1 三維數值模型

根據工程的具體情況，并考慮頂管施工的影響范圍及邊界條件的影響，建立三維數值網格模型。模型縱向長度（平行于頂管頂進方向）取88m，橫向寬度（垂直于頂管頂進方向）取108m，高度取20m。模型采用8節點六面體單元進行劃分，按離管道的遠近，網格從疏到密，共劃分為1644893個單元，1555723個節點，網格模型如圖1和圖2所示，頂管截面示意圖如圖3所示。

3.2 材料的本構及屈服模型

在較低應力狀態下巖土體（含注漿材料）的應力應變關系基本符合理想彈塑性模型，屈服規律符合Mohr-Coulomb屈服準則。本次數值模擬計算過程中，土體及注漿材料的本構模型取彈塑性模型，相應的屈服準則選取Mohr-Coulomb屈服準則。管節、工作井及居民樓1層建筑物構件及樓房基礎均為鋼筋混凝土材料，在外荷載的作用下，其變形一般都處于彈性階段，故其本構模型采用線彈性本構模型。

圖1 整體數值網格模型

圖2 A-A剖面數值網格模型

圖3 頂管截面示意圖

3.3 初始條件與邊界條件

（1）初始條件：初始垂直土體地應力按土體自重考慮。

（2）邊界條件：模型上表面為自由面，模型前、后、左、右側邊界施加水平方向約束，模型底面施加豎向法向約束。

（3）荷載施加：將居民樓荷載做等效處理。通過對第2～5層磚混結構的面積和高度進行自重估算，得到每一層樓房的自重大約為9000kN，故將第2～5層磚混結構自重荷載等效為80kN/m2的均布荷載施加在第一層樓板上。

3.4 材料參數

根據地質勘查報告中關于巖土體的物理力學性質數據及相關參數建議值，并類比其它類似巖土體的物理力學參數值，綜合確定本文的計算參數見下表。

頂管施工區域建筑及巖土體參數取值

3.5 計算工況

工況1：頂管開挖施工工況。

工況2：頂管施工結束后頂管上方土層注漿工況。

3.6 計算結果分析

通過Flac3D軟件對頂管施工過程及施工結束后的注漿過程進行數值模擬計算，得到工況1及工況2條件下的豎向位移云圖如圖4和圖5所示。

圖4 工況1豎向位移云圖

圖5 工況2豎向位移云圖

由圖4和圖5可以看出，在頂管軸線的上方土體有沉降，而在靠近頂管的上部位置，土體沉降較大，達到了33.0mm。頂管施工開挖會引起居民樓基礎沉降，沉降最大值為8.0mm。頂管施工結束注漿后的居民樓基礎沉降最大值為9.5mm，沉降值的增量僅1.5mm，說明注漿對抑制沉降的進一步發展有積極的作用。

將居民樓基礎豎向位移隨著居民樓基礎底部距頂管中心軸線距離增加的趨勢繪制成圖6。

圖6 居民樓基礎豎向位移分布圖

據圖6可知，隨著居民樓基礎底部距頂管中心軸線距離的增加，兩種工況下的居民樓基礎豎向位移都呈逐漸減小的趨勢。在居民樓基礎底部距頂管中心軸線10m處，居民樓基礎的沉降幾乎為0，說明頂管對居民樓基礎的影響主要在10m范圍內，超過10m時，頂管施工對居民樓基礎的沉降幾乎沒有有影響。在靠近頂管中心軸線一側的居民樓基礎沉降值較大，工況1和工況2條件下的沉降分別為8.0mm和9.5mm，局部傾斜值分別為0.0009和0.01，均小于根據公式（1）[11]確定的高壓縮性土類地基允許最大沉降值S=11.7mm和局部傾斜最大值Δ=0.003（規范[11]規定值）。頂管施工結束后，注漿施工過程中，居民樓基礎沉降值和局部傾斜值的增量分別為1.5mm和0.0001，說明注漿對居民樓豎向沉降和局部傾斜的進一步發展有較好的抑制作用。

式中：l——相鄰柱基中心距離，本文柱基間的距離為3.9m；

為了進一步了解地表土體的沉降變化趨勢，將地表豎直位移隨著距頂管中心軸線距離增加的趨勢繪制成圖7。

據圖7可以看出，在工況1和工況2下的豎向位移都呈兩邊沉降小、中間沉降大的趨勢，在管道軸線上方地表沉降值達到最大，分別為15.5mm和16.7mm，隨著距頂管中心軸線距離的增加，地表沉降值逐漸減小，在頂管中心軸線近居民樓一側10m處地表沉降值幾乎為0，即該位置的沉降受頂管施工和施工后注漿過程的影響較小。距頂管中心軸線2.2m處的居民樓地表沉降值在開挖完成階段和注漿階段分別為8.0mm和9.5mm。頂管施工結束后，注漿施工過程中，居民樓地表最大沉降值的增量僅1.5mm，說明注漿對地表豎向位移的進一步增加有較好的控制作用。

圖7 地表豎向位移分布圖

4 結語

本文通過對某截污改造工程進行數值模擬計算，分析得出頂管近接施工對鄰近建筑物基礎沉降的影響規律，結論如下：

①頂管施工會使得管道軸線正上方的地表土體沉降較大，且隨著距管道中心軸線距離的增加，地表沉降逐漸減小；

②頂管施工會使得鄰近建筑物的基礎發生沉降，但有一個影響范圍，故應重點關注該范圍內建筑物的基礎變形情況；

③頂管施工結束后及時灌漿能有效抑制地表沉降的進一步發展；

④頂管施工引起地表下陷的原因是多方面的，在頂管施工過程中必須對周邊地表和建筑物實行實時監測，分析數據并預測其變形，為施工的安全性提供可靠的依據。