淺層頂管施工對路面影響的數值模擬分析研究

張 鵬

(北京城建集團有限責任公司，北京 100088)

頂管法施工是指利用頂進裝備頂力克服管道與周圍土壤的摩擦力，將管道頂入土中并將土方運出的一種非開挖管道施工方法[1-3]。采用技術施工，在穿越既有道路、結構物的過程當中對地上地下建筑設施的無干擾破壞，各類地層適應性強，施工安全可靠，表現出了較大的優越性和先進性，在淺層管道施工中得到了廣泛的應用[4-7]。

目前，數值模擬方法因其在復雜參數處理方面的優勢[8-11]，學者們將數值模擬方法應用在頂管法施工計算中，取得卓有成效的研究成果。有學者以昆明4號線菊華站地鐵車站過街通道矩形頂管近接高架橋施工為背景，利用FLAC3D軟件分析了頂管隧道施工全過程中鄰近橋梁樁基的安全性[12]；利用MADIS-GTS有限元軟件建立了頂管近距離施工模型，分析了頂管近距離施工對地鐵高架結構的影響[13]；利用數值模擬方法建立有限元計算模型，研究了沉井和頂管施工對附近土體的擾動以及高架橋樁基的變形、受力等情況[14]；采用Midas Gts Nx建立基坑與橋梁三維有限元模型，分析了依托某污水管頂管井深基坑近接高架橋梁工程加固參數的有效性[15]。在上述研究的基礎上，本文利用FLAC3D數值模擬軟件[16-18]建立了商丘某市政改造工程中的新建雨污水管道下穿機動車道施工的有限差分法數值計算模型，在驗證模型計算正確性的基礎上，分析了路面變形隨頂推力、注漿壓力和管道埋深的變化規律，確定了最佳的設計參數。

1 數值模擬方案設計

1.1 數值模擬模型建立

商丘某市政改造工程要求新建雨污水管道下穿機動車道，并與原有排水管網連接。為不影響路面交通，新建管道擬采用頂管法進行施工，管道材料為Ⅲ級C50鋼筋混凝土承插口管，埋深為1.8 m，總長度為34.0 m，設計由17節管節拼裝而成，每節管道長度為2.0 m，管道內徑為2.0 m，厚度為0.25 m。為研究頂管施工過程中路面的變形情況，基于圣維南原理[19-20]，采用FLAC 3D建立頂管施工數值模擬模型，具體如圖1所示。模型寬度為30 m、長度為34 m、高度為15 m，由51 695個節點和48 960個單元體組成，邊界條件設置為底面以及四周均法向位移約束、頂面自由。頂管施工過程中布置了2處監測觀察斷面，其中橫斷面距工作井10 m，縱斷面穿過管道中心。

圖1 頂管施工數值模擬模型Fig.1 Numerical simulation model of pipe jacking construction

1.2 計算參數確定

頂管施工影響范圍內土層主要為褐黃色粉土，采用摩爾-庫侖模型進行模擬；頂管管節為鋼筋混凝土材料，采用彈性模型進行模擬；注漿加固層為粉土與水泥漿液混合體，采用摩爾-庫侖模型進行模擬，這些材料的參數取值如表1所示。模擬頂管施工時，為反映頂管機頭對前方土體的支撐作用，對掌子面施加150 kPa的頂推力；為反映頂管機與周邊土體的相互摩擦以及注漿壓力作用，在頂管管節與注漿加固層之間設置一層接觸面(接觸面剛度設置為300 MPa，摩擦系數取0.7)，并對接觸面位置土體施加7 kPa的切向應力和50 kPa的法向應力。

表1 不同材料的物理力學參數Tab.1 Physical and mechanical parameters of different materials

1.3 數值模擬工況設計

為進一步研究頂管機不同施工技術參數對路面變形的影響，本文在實際工程基礎上，設計了以下不同計算工況：

(1)不同頂推力。保持其他計算參數不變，將頂管機對掌子面的頂推力變為187.5、112.5 kPa；

(2)不同注漿壓力。保持其他計算參數不變，將注漿壓力變為62.5、37.5 kPa；

(3)不同管道埋深。保持其他計算參數不變，將管道埋深變為2.8、0.8 m。

2 數值計算結果分析

2.1 頂管施工對路面變形的影響分析

2.1.1橫斷面位移變化

淺層頂管施工過程中監測橫斷面位置處土體的豎向位移變化如圖2所示。

(a)頂進10 m

從圖2(a)可以看出，當頂管機靠近橫斷面時，由于頂管機前方頂推力的影響，管道周邊2倍洞徑范圍內的土體將發生隆起現象，尤其是靠近頂管機頂部的位置，其最大隆起值達到了1.19 mm；由頂管機頂部位置往左右或上、下2側，土體隆起值將逐漸減小并最終趨于0。從圖2(b)可以看出，當頂管機剛通過橫斷面時，由于頂管機外徑略大于管道外徑，因此頂管機通過后，管道周邊土體將向管道內產生明顯的徑向位移，導致橫斷面土體在管道頂部出現最大沉降值1.97 mm；而在管道底部出現最大隆起值4.7 mm。隨著管道外注漿填充以及補強加固作用，橫斷面土體將迅速保持穩定，其豎向位移隨著頂管機遠離橫斷面變化將不再明顯，具體如圖2(c)所示。而路面變形影響不大，此時橫斷面位置處路面豎向位移基本為0。當頂管機距橫斷面距離小于4 m時，隨著頂管機的向前推進，管道中心10 m(約4倍管道外徑)范圍內的路面將發生明顯隆起并呈“單峰”分布，峰值點位于管道中心位置，且頂管機距橫斷面越近，峰值越大。當頂管機靠近橫斷面時，其值將達到0.70 mm；當頂管機通過橫斷面后，管道中心4 m(約1.6倍管道外徑)范圍內的路面將發生沉降，且距中心越近，其沉降幅度越大，可導致橫斷面位置處路面變形呈現明顯的“雙峰”分布特征，即此時其最大隆起值出現在管道兩側距管道中心約4 m的位置，為0.46 mm；最大沉降值則出現在管道中心位置，為-0.01 mm。隨著頂管機逐漸遠離橫斷面，橫斷面位置處路面變形分布特征基本保持不變，只不過其在管道中心處的沉降值將變至-0.10 mm，其在兩側的最大隆起值則增至0.51 mm。

圖3給出了頂管機不同頂進距離下監測橫斷面處路面的豎向位移變化曲線。當頂管機距橫斷面距離大于4 m時，頂管機的向前推進對橫斷面位置處

圖3 頂管施工過程中橫斷面處路面的豎向位移變化曲線Fig.3 Vertical displacement curves of the road surface at the cross section during pipe jacking construction

2.1.2縱斷面位移變化

淺層頂管施工過程中監測縱斷面處土體的豎向位移變化如圖4所示。

由圖4可以看出，在頂管不同頂進距離下，監測縱斷面土體的豎向位移變化分布特征大體一致：位于頂管機后上方的土體發生沉降，且最大沉降值(約2.1 mm)出現在每節管節的頂部位置；位于頂管機后下方的土體則發生隆起，其最大隆起值約為4.9 mm，出現在每節管節的底部位置；位于頂管機左上方約4 m范圍的土體將發生隆起，其隆起值約為1.2 mm，出現在靠近頂管機機頭頂部的位置；頂管機前方10 m范圍外的土體位移則基本保持不變。由此可見，淺部頂管施工對路面變形的縱向影響范圍主要為頂管機前方10 m至工作井之間的區域。

圖5給出了頂管機不同頂進距離下監測縱斷面處路面的豎向位移變化曲線。

圖5 頂管施工過程中縱斷面處路面的豎向位移變化曲線Fig.5 Vertical displacement curves of road surface at longitudinal section during pipe jacking construction

從圖5可以看出，頂管機在不同頂進距離下，路面沿著管道方向的豎向位移分布特征大體一致：在頂管機后方，路面變形主要表現為沉降并呈現一定的“凹槽”分布特征，其值在距工作面2 m處最大，為0.55 mm；由最大沉降位置往頂管機機頭方向，其沉降值逐漸減小為0；在頂管機前方，路面變形主要變形為隆起并呈現“單峰”分布特征，其最大隆起值出現在頂管機前方約2～3 m的位置，接近0.8 mm，由最大隆起位置往前后，路面隆起逐漸減小；當與頂管機機頭距離達到10 m以上時，其值就基本為0。

2.1.3塑性屈服區

淺層頂管施工過程中監測橫橫斷處土體的塑性區變化如圖6所示。

(a)頂進10 m

從圖6可以看出，當頂管機靠近橫斷面時，橫斷面土體僅在路面以及管道內部區域產生少量的塑性屈服區；而當頂管機通過橫斷面后，橫斷面土體將在管道外側產生1圈厚度約0.3 m的塑性屈服區，同時管道上方的塑性區將貫通至路面，導致路面塑性區寬度增至6 m；隨著頂管機逐漸遠離橫斷面，橫斷面土體在注漿后基本保持穩定，其位于管道外側的塑性區范圍基本不變，而路面塑性區則會向兩側略微向外擴展約0.5～1.0 m。

2.1.4與實際監測數據的對比

不同頂進距離下路面變形模擬值與監測值的對比曲線如圖7所示。

(a)縱斷面

由圖7可以看出，頂管機不同頂進距離下，路面變形模擬數據與監測數據的大小和變化規律均大體一致：縱斷面上隆起最大值均約為1.0 mm，出現在頂管機前方約3.0 m的位置，沉降最大值均約為0.5 mm，出現在頂管機后方距工作面約2.0 m的位置；橫斷面上路面變形影響范圍均約為20 m，在頂管機靠近時呈“單峰”分布且隆起最大值約為0.75 mm，而在頂管機通過后則呈“雙峰”分布，隆起最大值約為0.50 mm。由此可以說明，本文數值模型與計算參數取值是合理的，模擬結果能夠較為準確反映淺層頂管施工對路面變形的影響。

2.2 頂管機頂推力對路面變形的影響分析

頂管施工結束后，不同頂推力下路面的豎向位移分布曲線如圖8所示。

(a)縱斷面

從圖8可以看出，當頂推力為設計推力(150 kPa)的125%時，路面在頂管施工后整體表現為隆起，其隆起值在縱斷面上最大為1.1 mm，最小為0.25 mm；而在橫斷面上最大為0.90 mm，中心處為0.52 mm。當頂推力為設計推力的100%時，路面在頂管施工后隆沉參半，其隆起值在縱斷面上最大為0.34 mm，在橫斷面上最大為0.46 mm，其沉降值在縱斷面上為0.53 mm，在橫斷面上最大為0.10 mm。當頂推力為設計推力的75%時，路面在頂管施工后整體表現為沉降，其沉降值在縱斷面上最大為1.60 mm，最小為-0.63 mm；而在橫斷面上最大為0.48 mm，最小為0.28 mm。由此可以說明，淺層頂管施工中，頂管機頂推力不能太大，也不能太小，否則將導致路面隆起或沉降過大。對本文工程而言，頂管機頂推力取150 kPa左右較為適宜。

2.3 注漿壓力對路面變形的影響分析

頂管施工結束后，不同注漿壓力下路面的豎向位移分布曲線如圖9所示。

(a) 縱斷面

從圖9可以看出，當注漿壓力為設計壓力(50 kPa)的75%時，縱斷面上路面最大沉降為0.69 mm，最大隆起則為0.15 mm；橫斷面上中心處沉降為0.33 mm，最大隆起則為0.45 mm。當注漿壓力為設計壓力的125%時，縱斷面上路面最大沉降為0.15 mm，最大隆起則為0.50 mm；橫斷面上中心處隆起為0.10 mm，最大隆起則為0.59 mm。由此可見，注漿壓力的增大可以明顯減小路面的沉降；但是注漿壓力也不宜過大，否則會導致路面發生過大隆起。由本文計算結果可知，當注漿壓力為50 kPa左右時，路面差異變形相對較小，有利于行車安全。

2.4 管道埋深對路面變形的影響分析

不同管道埋深下，當頂管施工結束后路面的豎向位移分布曲線如圖10所示。

(a)縱斷面

從圖10可以看出，當管道深埋為0.8 m時，路面整體表現為隆起，其隆起值最大達到1.06 mm；而當管道埋深為2.8 m時，路面整體表現為沉降，其沉降最大值為1.90 mm。這表明在相同施工參數條件下，隨著管道埋深的增加，路面沉降值將呈非線性快速增長。因此，對于埋深不同的管道，應采用不同的頂管施工參數，而這個參數值需根據工程水文地質條件以及管道的具體設計參數而定，并在可能的情況下，設計一個試驗段。

3 結語

本文以商丘某市政改造工程新建雨污水管道下穿機動車道工程為背景，采用FLAC3D建立了頂管施工數值模擬模型，分析了頂管施工、頂管機頂推力、注漿壓力和管道埋深對路面變形的影響，主要結論：

(1)數值模擬和實際監測的路面變形曲線呈現出了大體一致的變化規律，最大變形量出現位置和數值基本相同，這表明本文數值模型與計算參數取值是合理的；

(2)當頂管施工小于等于8 m時，橫斷面的路面沉降呈現“單峰”分布；大于8 m時，呈“雙峰”分布；路面的最大沉降值隨施工距離的增大而增大，影響范圍約為10 m；

(3)對比分析了頂推力分別為112.5、150.0和187.5 kPa，以及注漿壓力分別為37.5、50.0和62.5 kPa時，管道埋深分別為0.8、1.8和2.8 m時路面的豎向位移分布規律。結果表明：采用150.0 kPa頂推力、50.0 kPa注漿壓力和1.8 m管道埋深的路面變形量最小。