深厚淤泥質土層地下管道頂進施工數值分析

劉陳鳳,季圣博,相福穎,李文聞

(常熟理工學院，江蘇 蘇州 215500)

0 前 言

隨著城市化進程的推進和市政工程的建設，頂管技術在城市地下空間建設中得到了廣泛的應用。作為非地面開挖敷設地下管道的一種施工工藝,由于頂管施工無需隔斷交通，施工噪音、震動和對周圍環境的影響均較小，因此在城市地下管道建設中日益普及[1]。

頂管技術作為一種地下管道頂進方法，會造成土層損失和應力釋放等擾動，引起周邊土體受力變形。針對頂管施工中地土體受力變形問題，國內外學者開展了眾多研究。G.Milligan等[2]研究了頂管施工中地管土相互作用；史培新等[3]研究了頂管頂力的計算與評價方法；Y.Sun等[4]研究了頂管工作井的變形及穩定性問題。

對于在深厚淤泥質土層中城市地下污水管道頂進施工來說，施工土質條件極差，如何安全、快速地在此種深厚淤泥質土中進行頂管施工，并進行施工影響評價，將頂管施工對于周圍環境影響降到最低，是一個亟待解決的工程技術難題[5]。本文以深厚淤泥質土層中城市地下污水管道頂進施工為研究對象，采用三維數值模擬的方法，分析了管道頂進全過程土層及周圍環境的應力和變形響應以及施工影響范圍，此規律可以為相似工程設計和施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

瑞安市某圍墾區市政道路項目中的鳳凰路過后污水管道采用頂管施工，是整個給排水管道工程施工中的重難點。鳳凰路污水管道跨中橫河段頂管施工段工作井至接收井范圍，對應地勘鉆孔編號為D29至D31，模型總長度為54.5 m。管道材料為DN1000玻璃鋼夾砂管(環剛度20 kN/m2)，頂管埋深在出發井處的埋深為7.8 m。

1.2 工程地質條件

勘探深度范圍內自上而下地層分為素填土、淤泥質粉質黏土、淤泥、淤泥質黏土和黏土等，軟土層厚度最大為90 m左右，分布范圍非常深厚。頂管施工深度約為8 m左右，因此，數值模擬中涉及地層為素填土、淤泥質粉質黏土和淤泥。從地勘報告和參數指標中可以看出，頂管所在土層呈流塑狀、強度低、壓縮性大，工程性質極差，對于頂管施工的變形控制較為不利。

2 數值模擬研究

2.1 數值模型建立

污水管道頂進數值模型如圖1所示，其長度為54.5 m，高度約28 m。根據現場探孔位置揭露的土層分布情況，并方便后期建立管體結構，對頂管施工部分采用RadCylinder網格,其建模細節如圖1所示，其余部分土體采用Brick六塊體網格組合建立。模型共109 872個單元，114 950個節點。考慮到數值模型的對稱性，并且為了提高計算速度，本文采用半模進行模擬，對稱面采用對稱邊界條件。

圖1 污水管道頂進數值模型

本研究中城市地下污水管道為DN1000玻璃鋼夾砂管，在數值模型中采用FALC3D中的Liner結構單元進行模擬，其不但能夠抵抗剪力及彎矩荷載，而且能夠模擬管道與土體之間的分離及隨后的重新接觸。管道與土體的摩擦可通過Liner單元與周圍土體的法向耦合剛度、切向耦合剛度以及耦合摩擦角進行表征。

2.2 土層劃分和材料參數

模型土層劃分如圖2所示，由上到下分別為填土、淤泥質粉質黏土和淤泥土層。土體采用摩爾庫倫模型進行模擬，其參數取值如表1所示。

表1 土層參數

在數值模擬中，污水管道的密度為2 084 kg/m3，彈性模量為15 GPa。泊松比為0.22，厚度為0.213 m。為了考慮管道和土的相互作用，其耦合法向模量和切向模量均設置為耦合剛度(K+4/3G)的10倍，其中K和G分別為對應土層的體積模量和剪切模量。

2.3 邊界條件設置

為了準確模擬下穿頂管過程，數值模擬中采用的邊界條件如下。

1)位移約束條件：模型底部約束豎向(Z軸)的位移自由度，模型側向邊界約束法向位移自由度，模型表面為自由邊界。

2)孔壓邊界條件：模型上表面采用排水邊界條件，即設置固定孔壓邊界，模擬地表排水，計算采用的水位條件采用為標準高程1.2 m。

場地三維數值模型的邊界條件設置完成后的示意圖見圖3。

圖3 場地邊界條件設置示意圖

2.4 頂管施工步驟

深厚軟土下的下穿頂管施工過程主要參照實際施工步驟進行。其主要步驟如下：第一步：初始地應力平衡；第二步：建立頂管初始形態并開挖并頂進至3 m；第三步：開挖并頂進至6 m；第四步：重復開挖和頂進過程，直至頂進至接收井位置。

需要指出的是，本文中污水管道頂進過程中的土體開挖使用生死單元法，即在管道頂進和土體開挖時，將土體的本構模型設為空模型，“殺死”頂進方向前方需要開挖的土體單元來實現土體的開挖，有效地解決了土體開挖中棄土問題。

3 模擬結果與討論

3.1 土的應力和變形

圖4為深厚淤泥土層中污水管道頂進進至接收井位置處時場地土體的應力狀態，圖4中shear、tension分別表示土體的剪切塑性狀態和張拉塑性狀態。管道周圍小范圍土體會將在管道頂進過程中達到剪切塑性狀態和張拉塑性狀態，而稍外圍的土體在頂管過程中只會達到剪切塑性狀態。此現象表明頂管施工中由于管道與管周土體的相對位移，會對管周土體施加較大的剪切作用力，造成管周土體的剪切塑性狀態，對于緊鄰管周的土體甚至會造成張拉塑性狀態。因此在施工要在管壁周圍進行注漿，從而減小管土之間的摩擦力，保證頂管施工順利進行，減小周圍土體變形。

對于縱斷面的土體變形，從理論分析來看管線軸線處土體的位移最大，因此，需要重點關注管線軸線縱斷面土體的變形分布情況。圖5為深厚淤泥質土層中城市地下污水管道頂進過程中管線軸線縱斷面沉降云圖。圖5中(a)、(b)、(c)、(d)和(e)分別為下穿頂管頂進至距離出發3、15、30、45、54.5 m處計算獲得的土體豎向位移云圖。圖中可以看出隨著下穿頂管頂進距離的不斷增加，管道上部土體出現沉降，緊鄰管道的下部土體出現隆起，此現象符合現場土體變形規律。隨著頂進距離的增加，上部土體的沉降不斷發展，最大沉降發生在緊鄰管道頂進的上部區域，約為2.5 cm；最大隆起發生在緊鄰管道頂進的下部區域，約為2.1 cm。

(a)頂進至3 m處

(b)頂進至15 m處

(c)頂進至30 m處

(d)頂進至45 m處

(e)頂進結束(頂至54.5 m處)

3.2 管道的應力和變形

圖6為頂管施工結束后管道的應力云圖，其中圖6(a)為豎向應力分布云圖，圖6(b)為水平向(y方向)應力分布云圖。從云圖中可以看出管道上下位置受到的豎向應力最大，管道側方位置受到的水平向應力最大。最大豎向應力和水平向應力均遠遠小于玻璃鋼夾砂管道的強度值，因此，管道基本處于彈性變形范圍內，無破壞風險。

(a)豎向應力

(b)水平向應力

圖7為污水管道頂管施工結束后管道的豎向變形云圖，從圖7可以看出，管道的豎向變形基本均為壓縮，由于玻璃鋼夾砂管較大的剛度，管道的最大壓縮變形僅為3 mm左右，在施工所使用的玻璃鋼夾砂管道彈性變形范圍內。

圖7 污水管道變形

3.3 參數影響分析

在深厚淤泥質土層中城市地下污水管道頂進過程三維數值模擬中采用了多種不同的開挖面頂推力，以此來研究不同開挖面頂推力對于頂管環境效應的影響。

圖8(a)為頂管至0～3 m時正面推力引起的σx變化沿X軸衰減曲線，表明在頂管推進面刀盤范圍內的正前方σx都以較快的速度衰減，尤以中心處的應力衰減最快。可以看到在X=d/2處已衰減約50%，在X=2d處則已明顯衰減至約5%，因此，在機頭前方2d范圍以外的構筑物受頂管正面推進力的影響很小。另外，σx的影響主要集中在推進面正前方的土體內(基本上集中在以管道直徑d為半徑的推進面前方的柱形土體內)，對于側向的土體影響較小。

圖8(b)表明在推進面前方土體中σx的分布有明顯的擴散效應，前方不同位置正面推力產生的X方向的附加應力σx的大小和擴散程度不同：靠近推進面應力值大，衰減最快，其影響程度大但影響范圍小；而遠離推進面的地方應力向兩邊擴散，分布較為平緩，影響程度減小但范圍較大。

頂管推進產生的側向附加應力會對管道兩側的構筑物產生影響。圖9為正面推力引起側向應力σy沿頂管縱向和橫向不同位置的分布規律。由圖9可知，在推進面前方，側向應力σy以一定的規律沿x軸變化：在靠近推進面一定范圍內，側向應力σy為負值，隨后迅速增加并達到峰值后逐漸下降。隨著Y的增加，側向應力σy沿X軸增加及衰減的速率都有所下降。

(a)沿X軸

(b)沿Y軸

(a)沿X軸

(b)沿Y軸

4 結 論

本文對深厚淤泥質土層中城市地下污水管道頂進施工進行了數值分析，主要考慮頂管對地表沉降、土體變形和管土相互作用的影響。本文的主要結論如下。

1)本工程深軟土頂管施工安全有效，對周圍土層影響較小。頂管施工過程造成的最大地面沉降量僅為8 mm左右，可有效避開周邊區域。

2)在本工程中，深厚軟土頂管施工引起的地表變形最大發生在施工開始時。深軟土層頂管施工對地面沉降的影響約為頂管直徑沿管軸方向的6倍。

3)有必要根據頂管所處土層的條件和應力選擇適當的力，以保證頂管施工的安全。

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