大斷面綜合管廊施工對鄰近建筑物和土體變形影響研究

蘆文文，陸龍龍，李西

（山東公用建設集團有限公司，山東 濟寧 272000）

1 前言

隨著城市現代化的快速發展，地上空間的開發利用已經不能適應城市發展的要求，為了緩解土地資源的日益緊張，地下綜合管廊的建設得到了大力發展。在建設過程中采用頂管法施工，可以確保地面交通的不受影響，減少對周圍建筑物的影響。

目前，國內外已經有眾多學者對綜合管廊施工對周圍土體和建筑物的變形問題進行了研究。Li等研究了不對稱三艙綜合管廊施工引起的地表沉降，對各個施工階段的沉降特征進行分析。Cha等通過有限元模型對綜合管廊一側擴建引起地表沉降的影響進行了分析。郭曜禎等和徐建寧等依托實際工程案例，研究了綜合管廊的施工對高架橋樁基礎位移的影響規律。王莉等對上穿既有地鐵的綜合管廊箱涵頂進施工方案進行分析優化,研究不同方案下圍巖、地鐵結構的應力、位移及圍巖塑性區分布規律。王甫強等針對綜合管廊采用淺埋暗挖法施工下穿城區鐵路時的工程結構安全多源信息監控問題進行了研究。張治成等運用數值模擬的方法對頂管施工引起的地層移動造成鄰近管線產生不均勻沉降和破壞進行了研究。陳元盛等針對綜合管廊施工引起基坑圍護結構以及臨近建筑的變形進行了研究。宗翔研究了綜合管廊采用洞樁法開挖引起的地面沉降規律，建立了洞樁法施工引起地面沉降的預測方法。鄭知斌等對雙孔矩形頂管引起的路面沉降規律及影響范圍計算方法進行了研究。

綜上所述，現有研究對于綜合管廊施工引起的地表和建筑物變形的研究較為豐富，但針對采用大斷面矩形頂管法的綜合管廊施工引起的鄰近建筑物和周圍土體變形很少。本文依托武漢市某臨近建筑物的大斷面矩形頂管施工綜合管廊項目，通過建立三維有限元模型，對頂管施工引起的鄰近建筑物沉降和周圍土體變形規律進行研究。

2 工程背景

2.1 工程概況

江南綠道中心武九線綜合管廊工程是武漢市建設一流城市和走向國際化都市的一項重點工程，該工程規模龐大，是一項改善道路交通、綠化美觀城市的惠民工程。本工程段綜合管廊總長約2900m，考慮路面以下管線情況及周圍復雜的建筑環境，部分區間采用頂管法施工，頂管截面為矩形。頂管外尺寸為9.8m×5.2m，壁厚0.7m，預制管節單環長度1.5m，頂管上部埋深6.87m。在施工過程中，管廊側穿多處臨近建筑物，綜合管廊和建筑物示意圖如圖1所示。

2.2 工程地質條件

據勘察報告管廊穿越土層主要為雜填土，粉質黏土和粉砂等。本工程范圍內各巖土層及其力學參數條件如表1所示。

表1 土層分布及力學參數條件

3 管廊施工模擬

3.1 模型建立

使用Midas GTS有限元軟件對管廊頂管法施工進行模擬，以工程實例為原型，模型尺寸取100m×50m×25m，模型邊界條件采用默認設置，底面全部約束，頂面自由，4個側面施加法向約束。巖土體的本構模型均采用Mohr–Column模型，巖土體物理力學參數見表2選取。頂管外殼和襯砌采用線彈性板單元模擬，在緊接頂管的襯砌上施加的徑向面荷載，模擬注漿的作用，注漿壓力取200kPa，開挖面推力為150kPa。參考已有的研究，假定建筑物與基礎協調變形，將建筑物簡化為均布荷載施加在15m×11m×3m的基礎上，基礎為實體單元，均布荷載為250kPa，上述結構材料力學參數見表2，數值計算模型如圖2所示。

圖2 數值計算模型

表2 結構材料力學參數

3.2 結果分析

大斷面綜合管廊頂管施工會引起周圍的土體發生位移，進而對建筑物產生影響。設距離頂管開挖面與建筑物的距離為S，大斷面綜合管廊頂管施工引起的建筑物和地表沉降如圖3所示。可以發現，在施工過程中，隨著頂管的推進，地表和建筑物的沉降逐漸增大，沉降槽明顯向右側進行傾斜，右側的沉降槽比左側明顯更寬。在距離管廊軸線-15m處，左側地表出現隆起，而且隨著頂管的推進，地面隆起緩慢增大。當距離S=12m時，建筑物和地表的沉降逐漸穩定，之后沉降值雖然還會增大，但幅度很小。管廊的施工過程中，建筑物會明顯增加增大周圍地表的沉降值，而且會引起沉降槽的寬度增加，建筑物自身也會出現一定的不均勻沉降，可能引起建筑自身傾斜，在實際施工過程中需要注意監測建筑的傾斜情況，當建筑物傾斜較大時需要對建筑物進行加固。

圖3 建筑物和地表沉降

大斷面綜合管廊頂管施工引起的建筑物和地表水平位移如圖4所示，可以發現在施工過程中，隨著頂管的推進，地表和建筑物的水平位移先減小后增大。當頂管與建筑物距離較大時，建筑物和土體水平位移增加，隨著頂管與監測斷面距離的減小，軸線附近土體受到頂管推力的影響下為水平位移變為負值，當頂管經過監測斷面后，建筑物和土體水平位移再次增加。由于受到建筑物的影響，右側的水平位移明顯小于左側，建筑物范圍內的水平位移較為平緩。

圖4 建筑物和地表水平位移

3.3 施工參數影響因素分析

為了研究頂管施工過程中，各個施工參數對建筑物及土體變形的影響規律。因此，分布以頂管后方的注漿壓力P和頂管的推進力Q為變量，對建筑物及土體變形進行模擬，如圖5～8所示。所有參數與前文相同，通過對注漿壓力P改變，發現當注漿壓力變大時，建筑物及土體的沉降值和水平位移值均變小，說明注漿壓力的增大對土體和建筑物有一定的保護作用，在施工過程中若出現土體和建筑物的變形過大，可以適當提高注漿壓力進行保護。

圖5 注漿壓力變化對沉降的影響

所有參數與前文相同，通過對頂管推力Q改變，發現當推力變大時，建筑物及土體的沉降值和水平位移值均變小，說明推力的增大對土體和建筑物有一定的保護作用，在施工過程中若出現土體和建筑物的變形過大，可以適當提高頂管推力進行保護。

4 結語

本文依托湖北省武漢市綜合管廊項目，對大斷面綜合管廊頂管施工對臨近建筑的沉降影響問題開展研究。采用Midas GTS有限元分析軟件對管廊頂管施工過程進行動態模擬，分析施工全過程下管廊周圍土體及臨近建筑的變形情況。

圖6 注漿壓力變化對水平位移的影響

圖7 推力變化對沉降的影響

圖8 推力變化對水平位移的影響

（1）在施工過程中，隨著頂管的推進，地表和建筑物的沉降逐漸增大，管廊上方的土體呈現不均勻沉降，沉降槽的中心向建筑物一側偏移，臨近建筑物發生了偏向管廊的傾斜，建筑物一側沉降槽明顯更寬；左側地表出現隆起，且隆起緩慢增大；當距離頂管開挖面較遠時沉降逐漸穩定，之后沉降值雖然還會增大，但幅度很小。

（2）隨著頂管的推進，地表和建筑物的水平位移先減小后增大。隨著頂管與監測斷面距離的減小，軸線附近土體受到頂管推力的影響下為水平位移變為負值，當頂管經過監測斷面后，建筑物和土體水平位移再次增加。由于受到建筑物的影響，右側的水平位移明顯小于左側，建筑物范圍內的水平位移較為平緩。

（3）發現當注漿壓力和頂管推力變大時，建筑物及土體的沉降值和水平位移值均變小，說明注漿壓力和頂管推力的增大對土體和建筑物有一定的保護作用，在施工過程中若出現土體和建筑物的變形過大，可以適當提高注漿壓力和頂管推力進行保護。