大直徑頂管下穿公路施工地表變形研究

文 / 鄭州市公路事業(yè)發(fā)展中心 鄭杰

隨著新型城鎮(zhèn)化進程加快，需要新建一大批污水排放管道工程。由于城市前期基礎設施建設及城市空間的限制，這些新建工程施工中不得不下穿既有公路，進而導致地層產(chǎn)生復雜變形，對既有公路的安全運營和周邊環(huán)境的安全，產(chǎn)生不利影響，嚴重的會造成公路破壞，引起較大的安全事故和經(jīng)濟損失。因此，對頂管下穿公路的變形控制進行計算和研究是十分必要的。

中外研究學者針對此類問題進行了諸多研究。劉波等以南京某地下步行通道為研究對象，對頂管施工可能引起的隧道及地表變形情況進行了預測分析;Shen等、Cui等、Zhen等從不同角度對頂管施工擾動下的地表變形和深層土體變形規(guī)律進行了研究分析;提出考慮注漿壓力影響的頂管施工擾動下的地層土體變形計算方法。

本文擬在上述研究的基礎上，以北京順義區(qū)污水管道下穿公路項目為工程背景，采用有限元分析的方法，對頂管施工過程中地表及道路的路面變形進行研究，制定道路變形及基坑施工控制的標準，為工程建設提供技術(shù)支持。

項目概況

北京順義區(qū)污水處理廠配套管網(wǎng)工程第一標段，設計管線起點位于開發(fā)街與麗京路交叉口東北角，接入現(xiàn)況Φ1350污水管道，設計終點位于李天路道路樁號K6+458處，設計管線全長2771.39m，其中1號污水提升泵站以西WA1～WA8及泵站以東WA23～WA40設計為頂管施工，WA1～WA8及WA23～WA31設計管徑為DN2000mm，共長654m，WA31～WA40設計管徑為DN2200mm，長度為848.3m。

李天路頂管施工起點（WA22）位于現(xiàn)狀李天路南側(cè)，機場快軌以東約10m位置。WA22～WA23段污水管線從兩個橋墩之間穿越京平高速敷設至現(xiàn)狀李天路路中；WA23～WA40段污水管線沿現(xiàn)狀李天路路中向東、再向南敷設至2號污水提升泵站終點，涉路段落全長1502.3m。

項目頂管施工采用泥水平衡頂管施工設備，涉路段最大管道頂進長度100.3m，為了降低頂壓進阻力，增大頂進力，同時防止塌方的出現(xiàn)，頂管過程中，采用在土壁與管道外壁的縫隙間注入觸變泥漿，形成泥漿護套，減少土壁與管道外壁之間的摩擦力。頂進管道直徑分為D2000（長度654m，外徑D2400）以及D2200（長度848.3m，外徑D2640），全部采用鋼筋混凝土管道。

頂管穿越區(qū)影響范圍的確定

根據(jù)北京市地方標準《穿越既有道路設施工程技術(shù)要求》（DB11/T 716-2019）確定本標段頂管施工對既有道路的影響范圍：

豎向區(qū)域

1.路基工作區(qū)域

宜按行車荷載在土基中產(chǎn)生的附加應力為土基自重應力的1/10范圍，計算確定路基的工作區(qū)深度Za，或根據(jù)道路路基設計確定。在缺少數(shù)據(jù)和設計資料的情況下，參考采用表1數(shù)值。

2.路面結(jié)構(gòu)區(qū)域

可分為基層和面層兩個層次，見圖1。

影響范圍

1.嚴格控制區(qū)（直接影響區(qū)）

公路用地界外側(cè)30m范圍內(nèi)，均為嚴格控制區(qū)。

沿道路路線方向，新建地下工程的結(jié)構(gòu)外緣線外側(cè)以45°+Φ/2（Φ為土體平均內(nèi)摩擦角）向上至路面的交匯線范圍內(nèi)。或根據(jù)新建地下工程埋深，按照假定開槽施工及土質(zhì)類型確定的放坡線內(nèi)側(cè)范圍，豎向為路基工作區(qū)及以上范圍。

2.一般監(jiān)控區(qū)

從既有公路角度考慮：公路土路肩外側(cè)，（如有邊坡為坡腳外側(cè)）30m到50m范圍內(nèi)。確定重要和一般影響范圍時，需要結(jié)合超出上述范圍地下降水的影響，并根據(jù)降水情況適度擴大影響范圍。

根據(jù)項目《地質(zhì)勘察報告》以及項目施工方案等內(nèi)容，確定本項目的嚴格控制區(qū)為：管線兩側(cè)各H×tan（57.5°）（H為管道埋深，頂管穿越區(qū)域土質(zhì)平均內(nèi)摩擦角為25°）。

對于一般監(jiān)控區(qū)，結(jié)合本項目道路等級，頂管穿越深度等因素并參考《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）中關于基坑檢測的內(nèi)容，確定本項目一般監(jiān)控區(qū)為：管道兩側(cè)各20m范圍。

頂管下穿對李天路的沉降及隆起計算分析

確定代表性的頂管路段

因本項目為污水管道平行于道路頂進施工，結(jié)合污水管道設計圖紙和施工影響范圍，對于頂管下穿對現(xiàn)狀李天路的影響分析從中找出3段有代表性的管段進行分析計算。

1.WA22～WA23段，采用直徑D2000鋼筋混凝土管，覆土深度4.72m～5.13m，穿越圖層為粉細砂，管道橫穿李天路南半幅道路；

2.WA28～WA29段，采用直徑D2000鋼筋混凝土管，覆土深度2.58m，穿越圖層為粘質(zhì)粉土-砂質(zhì)粉土，管道鋪設于李天路中央分隔帶處，本段為同直徑管道頂進長度最長的（90m）；

3.WA39～WA40段，采用直徑D2200鋼筋混凝土管，覆土深度3.92m～4.09m，穿越圖層為粉細砂，管道鋪設于李天路中央分隔帶處，本段為同直徑管道頂進長度最長的（100.3m）。

有限元模型計算

1.模擬計算模型建立

采用Midas-GTS有限元軟件計算分析，由于穿越道路的頂管為均勻、線性結(jié)構(gòu)，本計算采用二維模型進行計算。模型水平方向為X軸，豎向方向為Y軸，模型整體尺寸為寬（60m）×高（30m）。模型上邊界為自由邊界，左側(cè)和右側(cè)為固定水平方向位移約束，下側(cè)均為固定水平方向和豎直方向位移約束。該模型中的計算單元均采用的2D實體單元計算，土體采用摩爾—庫倫強度極限準則，將土體視為均勻、連續(xù)、各向同性介質(zhì)，僅考慮自重應力場的影響。

2.模擬計算模型結(jié)構(gòu)劃分

計算過程中將模型結(jié)構(gòu)劃分為四部分：路面結(jié)構(gòu)、路床、土基和頂管。

（1）路面結(jié)構(gòu)：4cm厚熱再生細粒式瀝青混合料ZAC-13C+6cm、厚熱再生中粒式瀝青混凝土AC-20C+18cm、二灰穩(wěn)定碎石+18cm石灰粉煤灰穩(wěn)定砂礫+20cm石灰土，路面結(jié)構(gòu)總厚度66cm。路面結(jié)構(gòu)采用彈性模型，回彈模量取1800Mpa、容重為22.3kN/m3、泊松比為0.25；

（2）路床結(jié)構(gòu)：采用彈性模型，路基頂面以下80cm，回彈模量為30Mpa，容重為19.5kN/m3、泊松比為0.30、黏聚力為22kPa、內(nèi)摩擦角為20°；

（3）土基為路床底面以下部分，采用摩爾—庫倫模型，彈性模量為15Mpa，容重為19kN/m3、泊松比為0.33、黏聚力為16kPa、內(nèi)摩擦角為25°；

（4）頂管為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，同樣采用彈性模型，彈性模量為210000MPa，容重為35 kN/m3，泊松比為0.20。

3.代表性路段工況模擬計算

工況1：WA22～WA23段，采用直徑D2000鋼筋混凝土管，覆土深度4.72m～5.13m，穿越圖層為粉細砂，管道周邊土體沉降量如圖2所示，管道周邊土體隆起量如圖3所示。

工況2：WA28～WA29段，采用直徑D2000鋼筋混凝土管，覆土深度2.58m，穿越圖層為粘質(zhì)粉土-砂質(zhì)粉土，本段為同直徑管道頂進長度最長的（90m），管道周邊土體沉降量如圖4所示，管道周邊土體隆起量如圖5所示。

工況3：WA39～WA40段，本段污水管道采用D2200鋼筋混凝土管，覆土深度3.92m～4.09m，穿越圖層為粉細砂，管道鋪設于李天路中央分隔帶處，本段為同直徑管道頂進長度最長的（100.3m）。管道周邊土體沉降量如圖6所示，管道周邊土體隆起量如圖7所示。

根據(jù)計算結(jié)果，上覆土厚度分別為2.58、3.92和4.72m時，計算所得沉降量分別為13.9、9.8和6.1mm；頂推過程中計算所得隆起量分別為2.4、1.6和0.9mm。

有限元計算時考慮上部土體各種材料特性影響，同時考慮管道自身剛度參與作用，通過以上結(jié)果，該項目頂管施工對現(xiàn)狀李天路有一定影響，且對施工工藝要求較高。

結(jié)論

基于Midas-GTS有限元軟件模擬計算，研究頂管施工過程中地表及道路的路面變形，主要研究結(jié)論如下：

1.嚴格控制區(qū)為：李天路沿道路路線方向，管線兩側(cè)各H×tan（57.5°）（H為管道埋深，頂管穿越區(qū)域土質(zhì)內(nèi)摩擦角為25°）；一般監(jiān)控區(qū)：頂管管道兩側(cè)各20m范圍，沿道路路線方向。

2.在施工影響范圍內(nèi)路面的最大隆起值小于5mm，最大沉降值小于20mm，兩點間沉降坡度小于1.5‰，沉降速率小于2mm/d，以維護道路正常運營，滿足規(guī)定的路面平整度控制要求。

3.頂管工作坑及接收坑的水平位移小于15mm；豎向位移（沉降）小于20mm控制，沉降速率小于2mm/d，路基邊溝處最大沉降值小于25mm，沉降速率小于2mm/d。

4.基坑及支護結(jié)構(gòu)變形控制值為16.8mm～30.1mm，頂管工作坑及接收坑的水平位移控制值按15mm控制；豎向位移（沉降）控制值按20mm控制，沉降速率按2mm/d控制。