圓形頂管施工對土體上方道路變形影響研究

重慶鐵路投資集團有限公司 / 楊甲鋒

綜合管廊是建于城市地下用于容納兩類及以上城市工程管線的構筑物及附屬設施，其建設和使用有利于減少城市道路的重復開挖，節(jié)約地下空間并延長管線的使用壽命。在管廊建設中，為了避免對城市交通環(huán)境造成過大影響，常采用非開挖頂管法施工。在頂管施工過程中，預制管節(jié)隨掘進機的開挖一起向前頂進，管道與周圍土體之間會產(chǎn)生擠壓和剪切摩擦作用，導致土體的原始應力狀態(tài)發(fā)生變化，使得原狀土經(jīng)歷了擠壓、剪切、扭曲等復雜的應力路徑，從而引起土體變形甚至破壞。目前頂管工程的研究多局限于對實際工程的監(jiān)測、試驗及數(shù)值研究，數(shù)值研究能對實際頂管施工過程進行有效模擬計算，提前預演施工可能帶來的影響。

本文對某項目頂管施工進行數(shù)值研究，基于土體的理想彈性本構模型，建立了管道-土體有限元模型，以頂進深度為變量，設置不同工況分別計算頂管施工各階段土體變形情況，系統(tǒng)分析了圓形頂管施工對土體上方道路變形的影響。

一、工程概況與理論基礎

某220kV輸電線路采用地下電纜敷設，其在穿越繞城高速時采用頂管方案，頂管長度94m，頂管采用DRCP III 2000×2000GJC/T640-2010型頂進施工法用鋼筋混凝土排水管，頂管長度94m，埋管深度6.56m，套管內(nèi)徑2m，外徑2.4m，壁厚0.2m。采用商用有限元軟件ANSYS對頂管施工過程中的土體擾動進行分析，分層土體、路基均采用Soild187單元模擬，分層土層之間采用接觸單元的方式傳遞內(nèi)力和變形。對于邊界約束，采用左右兩側不發(fā)生水平位移，下部邊界設豎向約束，上部邊界為自由邊界。有限元計算范圍取寬50m、高25m、縱向100m、頂管深6.56m。為計算不同頂進長度時土體擾動規(guī)律，得出最不利工況，計算時以頂進深度為變量，將動態(tài)頂管施工過程劃分為若干個工況進行靜力求解，分別計算各工況時的土體變形情況，以近似模擬頂管施工過程。

頂管施工中，需要根據(jù)管徑、頂進總長度、頂管機型號及頂進土質，估算頂管需要的總頂力。本文根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB50268-2008），頂進力按下式計算：

二、土體擾動范圍的經(jīng)驗公式

參照盾構隧道的理論研究成果，基于松散體卸荷理論，此時的頂管施工橫向沉降寬度可按下式計算：

Peck基于地表下層槽體積等于地層損失體積的假定提出了盾構法施工的地表沉降橫向分布估算公式，房營光等提出了慮擾動區(qū)土體密實度變化影響的修正公式，如下所示：

為了計算地表沉降，需確定隧道單位長度上的土體損失量，單位長度土體損失量可按下式計算：

三、土體擾動結果

提取表層土體、路基節(jié)點位移結果，并以頂進方向為橫坐標繪制表層土體最大沉降和隆起，結果如圖1所示。由圖可知：隨著頂管頂進距離增加，土體隆起和沉降量增加，最大隆起出現(xiàn)于頂管機機頭附近，機頭后一定距離出現(xiàn)最大沉降；隨著頂管頂進距離增加，路基隆起和沉降量增加，最大隆起出現(xiàn)于頂管機機頭附近，機頭后一定距離出現(xiàn)最大沉降，當頂管穿越路基下方時，路基變形較為明顯。

圖1 (a)頂進距離—表層土體變形量關系；（b）頂進距離—路基變形量關系

提取表層土體、路基位于頂管正上方節(jié)點的豎向位移，并以頂進方向為橫坐標繪制縱向上的節(jié)點豎向位移，如圖2所示。由圖可知：當頂管機頭首次抵達路基下方時，路基沉降量達到最大，且沉降量隨著頂進距離的增加而減小；同一工況下路基最大隆起出現(xiàn)在機頭前方約5m處，且隨著頂進距離增加，路基最大隆起量逐漸增加。

圖2 (a)表層土體縱向變形；（b）路基縱向變形

提取表層土體節(jié)點位移結果，并以垂直頂進方向為橫坐標取部分工況繪制表層土體最大沉降、隆起變形量，如圖3(a)所示。由圖可知:頂管施工時，橫向距離10m以內(nèi)的土體變形較為明顯，超出10m范圍后，土體變形程度顯著降低。假定土體變形0.3mm以下時頂管施工對土體無擾動，得各工況土體擾動橫向影響范圍如圖3(b)所示。由圖可知：在橫向上，沉降影響范圍最大出現(xiàn)在頂管施工初期，而隆起影響范圍最大出現(xiàn)在頂管施工后期。造成上述現(xiàn)象的原因是隨著頂管施工的進行，土體沉降逐漸減小而作用在機頭的土壓力逐漸增大。

圖3 (a)表層土體橫向變形；（b）表層土體橫向影響范圍

四、結語

本文針對頂管施工周邊土體的擾動范圍和變形進行分析，通過以不同頂進距離劃分工況，模擬頂管施工過程中的土體擾動規(guī)律。主要結論如下：

1）頂管施工對其上方土體和道路存在一定影響，土體變形表現(xiàn)為當頂管通過道路下方時，路面和表層土體出現(xiàn)先隆起后沉降。

2）在縱向上機頭處土體隆起且隆起高度隨著頂進深度增大而增加；同一工況下，最大沉降出現(xiàn)在機頭后方一定距離，而遠端沉降量趨于定值；不同工況下，機頭后方最大沉降量隨頂進距離的增加逐漸減小。

3）頂管施工存在一定橫向擾動范圍，隨著頂進距離的增加，表層土體隆起的橫向影響范圍增加，沉降影響范圍減小。橫向距離小于10m時，土體變形較為明顯；大于10m后土體變形程度顯著降低；大于15m后，其對土體的影響可忽略不計。