穿湖區大管徑頂管施工變形影響機理分析

程保民

(中建鐵路投資建設集團有限公司，北京 102601)

1 概述

作為一種非開挖施工工藝，頂管在市政工程得到廣泛應用，避免了開挖支護對周邊空間的占用及交通的影響，也最大程度地減小了對周圍土體的擾動[1-4]。頂管法施工工藝具有對地面干擾小、施工速度快、綜合成本低等特點[5]。此外，湖區管道覆土較淺，常規頂管和拖拉管工藝無法有效應用于現場施工，常采用大直徑頂管施工。為了探究大直徑頂管施工過程中頂管自身變形、頂管周圍土體變形、地面變形對施工安全影響。本文基于有限元分析軟件ABAQUS針對××涉湖區長距離大管徑頂管施工過程開展數值分析。

2 工程概況與地質條件

本項目依托××污水處理廠尾水排江工程，需在湖區下部進行頂管施工，其中依托工程的3號～2號豎井頂管段全長1 540.12 m，頂管機掘進過程中需下穿某湖區。穿湖段采用D4 000 mm的鋼筋混凝土管作為套管，長2 500 mm，管節襯砌厚度400 mm，頂管法施工，套管內安裝不銹鋼支架和鋼格柵板，其上敷設雙排D1 200 mm PE管道。

區域內3號～2號井段，頂管穿越地層主要有淤泥質粉質黏土，厚度2 m，可塑粉質黏土厚度2.3 m，硬塑粉質黏土厚度8 m，強風化泥質粉砂巖，厚度3.1 m，其下為中風化泥質砂巖。

3 頂管施工模型及其建模過程

3.1 本構模型

土體是由巖石顆粒組成的松散顆粒體，其具有非線性、彈塑性、黏性、應變硬化(軟化)、各向異性等復雜的應力應變特性，同時土體所處狀態、應力路徑、應力歷史等對其應力應變特性也存在不同程度影響。對巖土工程進行數值分析時，材料本構模型的選擇，對分析結果(材料狀況、應力及應變行為)等起著關鍵的作用[6]。

針對巖土體問題的研究，ABAQUS提供了一系列適用于模擬巖土體的本構模型，主要可分為彈性模型和塑性模型。數值模擬研究中頂管采用線彈性模型，而土體彈性階段采用線彈性模型，塑性階段采用線性Mohr-Coulomb模型。

3.2 有限元模型建立

數值計算之前，考慮到土體是由巖石風化顆粒組成非均質、非線性的散粒體材料[7]，在荷載作用下其變形特性較為復雜，難以用一種數學模型反映其特點。故而對計算模型做如下假設：

1)各層巖土體為均質、各項同性、理想彈塑性體；

2)不考慮頂管管道接頭的影響，將其視為各項同性的線彈性體；

3)頂管正面推進力為矩形均布荷載，地層損失沿管道軸向均勻分布；

4)頂管推進過程中不考慮土體時間效應，只考慮頂進空間位置的變化。

根據以上假設建立計算模型，設置頂管管節長度均為2.5 m。

頂管路段位于湖底，頂部黏土層透水性較差，可認為是不透水層，故而將上部水壓力等效為均布荷載作用于模型頂面。施工過程中城際鐵路橋上運行城鐵產生的荷載，在本模型中對其簡化為一均布荷載作用于橋面。本數值模型中左右、前后及底部五個面分別約束對向位移，作為模型邊界條件。

同時頂管與周圍土體之間設置接觸關系，本文通過設置主從接觸面來模擬接觸問題，在ABAQUS中，主面上的節點可以穿過從面，但從面上節點不能穿過主面，選取主從面時，一般設置材料剛度較大的接觸面為主面，材料剛度較小的接觸面為從面，故本文選取頂管表面為主面。

除了設置主從接觸面之外，還需定義接觸面之間的相互作用，即接觸面之間的法向作用和切向作用。關于接觸面的法向作用，本文設置為“硬”接觸，即兩物體只有緊密接觸時才能傳遞法向壓力，當兩物體分開時接觸面之間的法向壓力為零。而對于接觸面的切向作用，本文設置為“罰”接觸，即當接觸面閉合時，接觸面之間可以傳遞切向應力，其值：

τc=μp。

其中，p為法向接觸壓力；μ為摩擦系數；τc為極限摩擦力。當接觸面摩擦力小于τc時，接觸面處于黏結狀態，接觸面傳遞的切向應力隨接觸面應變增大而增大；當摩擦力達到τc時，接觸面處于滑移狀態，此時接觸面傳遞的應力不再增大。本文設置摩擦系數μ=0.25。

3.3 模型材料參數的選取

模擬根據試驗確定，所選材料參數如表1所示。

表1 材料參數

4 有限元計算結果分析

4.1 單位距離頂管施工總位移分析

圖1為頂管施工推進60 m時位移云圖，由圖1可知，頂管施工推進25 m之后，由于頂管施工過程中對周圍土體的擾動，頂管頂進使得該部分擾動土體產生了附加應力和位移，且由于擾動部分土體性質改變，土體彈性模量降低，頂管周圍土體朝頂管軸線發生明顯變形，且沿頂管軸線垂面對稱。結合X，Y，Z向位移云圖，土體變形主要以Y向位移為主(頂管上方附近土體最大豎向位移達到7.21 cm)，而往上反饋至地面的豎向位移逐漸變小。

4.2 推進不同距離時土體位移分析

提取頂管施工推進不同距離時土體不同XY截面(取Z=5 m，10 m，17.5 m，25 m四個截面)豎向位移云圖如圖2所示。

隨著頂管施工推進，擾動頂管周邊土體，該部分土體彈性模量下降，在土體內自重應力作用下，頂管附近土體發生壓縮變形，頂管上部土體向下位移，頂管下方土體由于頂管擾動向上回彈[8-11]。同時土體變形范圍超過頂管施工推進面，由于施加于推進面上支護力的作用，推進面之前的土體相對頂管周邊土體并未發生顯著豎向變形，但推進面前方上部及下部局部方位土體由于頂管對土體的擾動仍發生較大變形。

4.3 推進不同距離后頂管自身變形

頂管施工過程中頂管自身總的變形云圖如圖3所示，由于土壓力作用，頂管自身會壓縮變形，其中最大變形位置主要是頂管頂部區域，且隨著頂管逐步推進，頂管頂部變形值最大達到2.24 cm。

圖4為地表位移與頂管施工推進距離的關系，由圖4(a)可知，沿頂管軸線方向隨著頂管施工推進，地表向下位移，且隨著施工繼續推進，地表位移進一步加大，最終趨于穩定值，地表沿軸線方向位移標志線上各點最終豎向位移在-1.5 cm左右。同時頂管施工開始端地表變形稍大于終點段。根據平行軸線方向位移曲線變化特征，位移曲線變化明顯點一直在推進面之前10 m左右，約等于頂管埋深。據圖4(b)，頂管施工影響范圍在-15 m～15 m之間，且在頂管施工推進距離2.5 m之前，地表基本未發生明顯位移，當施工推進距離為2.5 m，位移曲線發生變化，與圖4(a)所反映規律一致。隨著推進距離增加，頂管上方位移進一步增加，其中位移增加最快時頂管推進距離在12.5 m～15 m之間，正處于該垂線下方。由此可知隨著頂管施工的進行，頂管上方地表變形增加，且影響范圍超出推進作用面，但隨著頂管的加固和作用面向前推進，最終區域變形穩定。

5 結語

通過對××涉湖區大管徑頂管施工過程進行數值模擬分析，得到了頂管頂進過程中對周邊土體及頂管自身的變形影響的機理，其結論如下：

1)頂管施工推進25 m之后，由于頂管施工過程中對周圍土體的擾動，頂管頂進使得該部分擾動土體產生了附加應力和位移，且由于擾動部分土體性質改變，土體彈性模量降低，頂管周圍土體朝頂管軸線發生明顯變形，且沿頂管軸線垂面對稱。

2)由于土壓力作用，頂管自身會壓縮變形，其中最大變形位置主要是頂管頂部區域，且隨著頂管逐步推進，頂管頂部變形值最大達到2.24 cm。

3)隨著頂管施工的進行，頂管上方地表變形增加，且影響范圍超出推進作用面，但隨著頂管的加固和作用面向前推進，最終區域變形穩定。