軟土地區(qū)頂管電纜隧道施工過程對鄰近結(jié)構(gòu)影響研究

馬險峰， 陳 飛， 吳 冰， 胡 超， 曹明洋

(1. 同濟大學(xué) a. 土木工程學(xué)院；b. 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092；2. 喀什大學(xué) 土木工程學(xué)院, 新疆 喀什 844006；3. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，浙江 杭州 310008)

近年來，隨著我國城市化進程不斷加快，用電負荷逐年增加，傳統(tǒng)的輸電設(shè)施已不能滿足經(jīng)濟發(fā)展需求。大直徑頂管電纜隧道不僅能顯著提高電纜線路的輸送能力，而且有利于城市土地資源的充分利用，是解決城市內(nèi)大容量電力輸送的有效形式，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于我國的城市電網(wǎng)建設(shè)中[1～3]。頂管在軟土地層中施工不可避免的會造成地層擾動，而電纜隧道建設(shè)往往需要穿越密集的建筑物群和既有的城市地下管線。因此，頂管電纜隧道施工時尤其需要考慮其對鄰近建筑結(jié)構(gòu)的擾動影響。國內(nèi)外關(guān)于頂管隧道施工對周圍環(huán)境造成的擾動做了大量的影響因素分析和數(shù)值模擬研究，并發(fā)表了相應(yīng)的科研成果[4～9]。姜忻良等[10]建立了結(jié)構(gòu)-土體-隧道的有限元模型，得出建筑物基礎(chǔ)沉降主要發(fā)生在地鐵隧道穿越建筑物的區(qū)間段內(nèi)。張頂立等[11]通過數(shù)值模擬方法得出地層損失是隧道開挖引起地層變形的主要原因。魏綱等[12]采用三維有限元方法分析了隧道施工引起的相鄰地下管線的變形和受力，同時研究了路面、管線材質(zhì)、管線埋深等因素對地下管線位移的影響，并與實測值進行比較。但是，以上研究成果關(guān)于采用土工離心機的研究還不多見，而且現(xiàn)有研究也缺乏對于不同工況下頂管電纜隧道施工對鄰近淺基礎(chǔ)建筑物和地下管線擾動影響的系統(tǒng)討論。本文以上海地區(qū)軟黏土為例，采用離心模型試驗和有限元數(shù)值方法開展了不同工況下頂管電纜隧道施工對淺基礎(chǔ)建筑物及地下管線的影響研究，研究成果將為頂管電纜隧道的建設(shè)提供一定的參考依據(jù)。

1 不同地層損失率工況的離心模型試驗

地層損失是隧道開挖引起地層變形的主要原因[11,13]。本節(jié)采用離心模型試驗，通過排液法模擬不同地層損失率下頂管電纜隧道施工對鄰近淺基礎(chǔ)建筑物和地下管線的擾動影響規(guī)律。

1.1 試驗工況

本試驗在同濟大學(xué)的TLJ-150復(fù)合型巖土離心試驗機開展。試驗時，在隧道模型外面包裹乳膠膜并注入重溶液(選用飽和ZnCl2溶液，密度可達到1.7 g/cm3)，通過乳膠膜中重溶液的排出模擬地層損失的發(fā)生。通過查閱相關(guān)文獻結(jié)合工程實踐，現(xiàn)階段頂管施工產(chǎn)生的平均地層損失率約在1%～3%范圍內(nèi)[14]。因此，本次試驗分別設(shè)置了地層損失率為1%，2%，3%的三個施工工況，通過離心模型試驗測定不同地層損失率下頂管電纜隧道施工對鄰近普通磚混建筑物、鑄鐵管線及混凝土管線的擾動影響。試驗前先測出乳膠膜厚度與液缸內(nèi)部的截面積，這樣試驗時模型的排液量和注漿量就可以通過液缸活塞桿的運動距離來控制。試驗中，測量數(shù)據(jù)包括地表沉降、建筑物沉降、既有鑄鐵/混凝土管線變形。地表沉降和建筑物沉降采用激光位移計測量，管線變形采用應(yīng)變片測量然后積分得到。

1.2 模型設(shè)計和制作

模型箱的尺寸為500 mm(寬)×800 mm(長)×500 mm(高)，試驗?zāi)Ｐ筒贾眉皹?gòu)件詳圖如圖1所示。

圖1 試驗?zāi)Ｐ筒贾脠D及構(gòu)件詳圖/mm

1.3 隧道、建筑物和管線模型設(shè)計

采用鋁合金空心管模擬隧道結(jié)構(gòu)，試驗中相似比N=50，根據(jù)等效剛度原理[15](式(1))，可得出試驗結(jié)構(gòu)材料參數(shù)(表1)。需要注意的是，在進行模型隧道設(shè)計時，使用材料為均質(zhì)鋁合金圓筒，而實際工程中的隧道存在縱向和環(huán)向接縫，因此模型試驗得出的隧道模型內(nèi)力會比實際工程中隧道的內(nèi)力要大，其縱向變形要比實際隧道更均勻。

表1 模型參數(shù)

(1)

式中：Em，Ep分別為鋁板基礎(chǔ)模型和原型基礎(chǔ)的彈性模量；vm，vp分別為鋁板基礎(chǔ)模型和原型基礎(chǔ)的泊松比；tm，tp分別為鋼板基礎(chǔ)模型和原型基礎(chǔ)的厚度。原型基礎(chǔ)的Ep為25 GPa，tp為200 mm，vp為0.2；鋼板基礎(chǔ)模型的Em為207 GPa，vm為0.29，計算得到鋁板厚度tm為1.95 mm，取2 mm。

1.4 實驗步驟

為了保證在離心機中固結(jié)時隧道周圍溶液延長度方向能均勻分布，將乳膠套延隧道長度方向均分為兩段，每段長為220 mm。已知頂管管節(jié)模型外徑為60 mm，乳膠膜直徑為70 mm，可得出1%，2%，3%這三個地層損失率對應(yīng)的每個乳膠套需要累計排出液體量分別為8.5，17，15.5 mL。試驗中共布置了兩個電磁閥，用來控制兩個乳膠套中液體的流出。試驗詳細步驟如下：(1)模型箱填土，安裝并固定好新建隧道后覆土固結(jié)；(2)埋設(shè)地下管線和安裝建筑物模型并固結(jié)；(3)打開第一個乳膠膜電磁閥，啟動電機，通過電機運動時間換算得排液8.5 mL時依次關(guān)閉電機和電磁閥；(4)打開第二個乳膠膜電磁閥，啟動電機，通過電機運動時間換算得排液8.5 mL時依次關(guān)閉電機和電磁閥；(5)測定既有管線應(yīng)變值和建筑物四個角點沉降值，固結(jié)一段時間后再測量，得出地層損失率為1%情況下頂管施工對鄰近建筑物和既有管線的影響；(6)重復(fù)以上步驟，得出地層損失率為2%和3%情況下頂管施工對鄰近建筑物和既有管線的影響，試驗?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

圖2 試驗?zāi)Ｐ?/p>

1.5 試驗結(jié)果和結(jié)論

通過對位移計數(shù)據(jù)和應(yīng)變片數(shù)據(jù)進行處理，得到以下試驗結(jié)果：

(1)地表沉降和建筑物不均勻沉降

地表沉降由試驗前后對應(yīng)位置激光位移計示數(shù)差換算得到(圖3)，建筑物不均勻沉降由靠近隧道面底板和遠離隧道面底板激光位移計示數(shù)差換算得到(圖4)。由圖3可知：距隧道中軸線距離為0時，地層損失率為1%，2%，3%的工況下地表分別沉降了3.6，5.2，7.5 mm。這表明隨著地層損失率的增大，地表沉降顯著增大(如地層損失率為3%的工況是地層損失率為1%工況地表沉降的2倍)，這與文獻[16]中報道的現(xiàn)場測試結(jié)果一致；不同地層損失率工況下的地表沉降均隨著距隧道中軸線距離的增加而減少。如距隧道中軸線10 m時，地層損失率為1%，2%，3%的工況下地表分別沉降了2.0，3.0，4.1 mm，較距隧道中軸線0時地表沉降分別下降了44.4%，45.3%。由圖4可知：地層損失率為1%，2%，3%的工況下建筑物不均勻沉降分別為8.7，9.7，10.3 mm。這表明隨著地層損失率的增大，建筑物沉降不斷增大。

圖3 不同地層損失率下地表沉降

(2)地下管線變形曲線

地下管線變形曲線由應(yīng)變片數(shù)值積分得到。通過對應(yīng)變片原始數(shù)據(jù)進行整理分析，得到不同地層損失率條件下頂管隧道開挖對混凝土管、鑄鐵管的擾動影響規(guī)律，計算結(jié)果如圖5，6所示。

圖5 不同地層損失率下混凝土管線變形曲線

由試驗結(jié)果可知：隨著地層損失率的增大，鑄鐵管和混凝土管豎向變形均顯著增大，但鑄鐵管的豎向變形小于混凝土管。如管線距隧道中軸線距離為0時，地層損失率為1%，2%，3%的工況下，混凝土管線變形分別為0.8，1.2，1.8 mm，而鑄鐵管線變形分別為0.6，0.9，1.3 mm。這也說明了地下管線剛度的增加可以有效減小鄰近頂管隧道施工的擾動影響。

圖6 不同地層損失率下鑄鐵管線變形曲線

2 頂管隧道施工對鄰近結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值模擬分析

本節(jié)采用PLAXIS 3D2016有限元分析軟件進行軟黏土地層頂管電纜隧道施工對鄰近建筑物和地下管線擾動影響的數(shù)值計算分析，研究頂管電纜隧道施工過程中電纜隧道管徑、地層損失率、電纜隧道與建筑物、管線之間的間距等參數(shù)對鄰近淺基礎(chǔ)建筑物及地下管線的擾動影響規(guī)律。

2.1 數(shù)值模型的建立與計算參數(shù)選取

建立頂管電纜隧道-土體-淺基礎(chǔ)建筑物和頂管電纜隧道-土體-地下管線的共同作用模型，并在模擬中作以下假設(shè)：(1)模型中的每層土體各向同性，且都遵循D-P(Drucker-Prager)準則；(2)不考慮頂管機頭和管道連接處的影響，認為管道的材料為各向同性的線彈性體；(3)正面頂推力的加載面與工具管的切削面大小相同，并且頂推力均勻分布在這個圓面上；(4)在頂管施工模擬過程中不考慮土體變形的時間效應(yīng)，僅僅考慮頂進空間距離上的變化；(5)不考慮施工前土體自重應(yīng)力產(chǎn)生的變形；(6)地下管線與土體始終保持接觸，不發(fā)生相對滑動。

模型中土體的幾何寬度和深度x向和y向分別取80，40 m，以減小邊界效應(yīng)對模擬計算的影響。土體模型的頂面為自由面無約束，底部施加完全固定約束，兩側(cè)豎直邊界施加滑動約束。本次數(shù)值模擬擬采用HSS(Hardening Small Strain)小應(yīng)變硬化模型來模擬土體的變形特性，建筑物、頂管電纜隧道和地下管線采用線彈性本構(gòu)模型。本次數(shù)值模擬采用上海交通大學(xué)測定的上海地區(qū)軟黏土參數(shù)，見表2。電纜頂管隧道、建筑物和地下管線的計算參數(shù)分別見表3～5。

表2 土層參數(shù)

表3 建筑物參數(shù)

表4 頂管電纜隧道參數(shù)

表5 地下管線參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬工況和結(jié)果分析

2.2.1 地層損失率的影響

本次數(shù)值模擬工況：頂管電纜隧道模型的直徑為3 m，埋深為5 m，管節(jié)為3 m，總頂進距離為33 m，管道周圍摩阻力取3 kPa，機頭壓力和注漿壓力都取管道中心處靜止土壓力119.6 kPa。分別取地層損失率為1%，1.5%，2%，2.5%，3%五種工況下頂管電纜隧道開挖對鄰近淺基礎(chǔ)建筑物和地下管線的影響規(guī)律開展數(shù)值模擬研究。數(shù)值計算得到曲線如圖7，8所示，數(shù)值計算結(jié)果表明：在地層損失率為1%～3%范圍內(nèi)，隨著地層損失率的增加，建筑物不均勻沉降和管線豎向位移最大值皆逐漸增大，且數(shù)值模擬的計算結(jié)果與前述的離心試驗結(jié)果趨勢一致。

圖7 建筑物不均勻沉降與地層損失率關(guān)系曲線

圖8 管線豎向位移最大值與地層損失率關(guān)系曲線

2.2.2 電纜頂管隧道與建筑物、地下管線之間間距的影響

本節(jié)首先模擬了淺基礎(chǔ)建筑物與頂管電纜隧道軸線距離分別為1，2，3，4，5，7，10，15，20 m九種工況來探究頂管電纜隧道與建筑物之間的間距對鄰近淺基礎(chǔ)建筑物的擾動影響規(guī)律；然后模擬一條直徑為1 m且平行于頂管電纜隧道的地下管線距離頂管軸線距離分別為0，1，2，3，4，5，6，9，12 m的九種工況來探究頂管電纜隧道與地下管線之間的間距對管線的擾動影響規(guī)律。其他設(shè)置參見上節(jié)，計算結(jié)果如圖9～12所示。其中建筑物的整體沉降用基底四個角點的平均豎向位移表示，沉降差用建筑物平行于隧道方向上兩條邊界基底上對應(yīng)兩組角點的沉降差來表示。由圖9，10可知：該建筑物距離頂管電纜隧道軸線距離越遠，建筑物整體沉降和沉降差均越來越小；建筑物距離頂管電纜隧道軸線距離5 m以內(nèi)時，距離越近，整體沉降和沉降差均顯著增加；建筑物距離頂管電纜隧道軸線距離大于10 m以后其整體沉降和沉降差都趨于穩(wěn)定且數(shù)值很小。由圖11可知：地下管線距離開挖頂管電纜隧道越遠，地下管線的沉降量越小，且在4 m范圍內(nèi)，地下管線離隧道軸線越近，沉降量增加越顯著。由圖12可知：地下管線距離開挖頂管電纜隧道水平距離越遠，被其引起的彎矩值越小，且在9 m以后管線內(nèi)力趨于穩(wěn)定。

圖9 建筑物整體沉降隨距離隧道間距的變化規(guī)律

圖10 建筑物沉降差隨距離隧道間距的變化規(guī)律

圖11 地下管線沉降隨距離隧道間距的變化規(guī)律

圖12 地下管線彎矩隨距離隧道間距的變化規(guī)律

2.2.3 頂管電纜隧道管徑的影響

本節(jié)分別建立淺基礎(chǔ)建筑物、地下管線距離頂管電纜隧道軸線距離為2 m的數(shù)值模型，設(shè)置頂管電纜隧道管徑分別為2，2.5，3，3.5，4 m五種工況來探究頂管電纜隧道施工時隧道管徑對鄰近淺基礎(chǔ)建筑物和地下管線的擾動影響規(guī)律，計算得到的關(guān)系曲線如圖13，14所示。數(shù)值計算結(jié)果顯示：隨著頂管電纜隧道管徑的增大，其開挖時造成的鄰近淺基礎(chǔ)建筑物差異沉降和鄰近既有地下管線的變形增大，且隨著頂管隧道管徑的增加，對鄰近淺基礎(chǔ)建筑物和既有地下管線的擾動影響顯著增加。

圖13 建筑物差異沉降與頂管電纜隧道管徑關(guān)系曲線

圖14 管線豎向位移最大值與頂管電纜隧道管徑關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

本研究通過離心試驗和有限元數(shù)值計算方法對建筑物和地下管線鄰近進行頂管隧道施工時產(chǎn)生的擾動影響進行分析，得出以下結(jié)論：

(1)頂管電纜隧道施工時，隨著地層損失率的增大，鄰近淺基礎(chǔ)建筑物不均勻沉降和地下管線豎向位移皆增大，且大剛度的地下管線相較于小剛度的地下管線擾動影響更小。

(2)開挖的頂管電纜隧道管徑越大，鄰近建筑物的不均勻沉降和既有地下管線變形越大，且隨著管徑增加，對鄰近建筑物和地下管線的影響顯著增加。

(3)頂管電纜隧道施工時，地下管線的沉降量、鄰近建筑物的整體沉降和沉降差都隨著距頂管隧道軸線距離的增大而減小。建筑物的整體沉降隨間距變化相對均勻，建筑物的沉降差和地下管線的沉降量分別在大于10，9 m以后趨于穩(wěn)定，而間距在5 m以內(nèi)時，距離越近，整體沉降和沉降差均顯著增加。