矩形頂管施工誘發(fā)地表 沉降數(shù)值模擬分析

王非

矩形頂管技術(shù)作為一種地下隧道開挖方法，其施工過程不可避免地會對周圍土體產(chǎn)生擾動，引發(fā)土體產(chǎn)生變形。本文依托合肥市黃河路橫穿包河大道矩形頂管工程，建立位移控制的矩形頂管頂進的三維動態(tài)模型，研究了頂管工程穿越黏土地層時地表沉降變化規(guī)律，研究成果可為相關(guān)工程提供借鑒。

隨著國內(nèi)城市快速發(fā)展，地下結(jié)構(gòu)的建設(shè)要求不斷提升。相較于傳統(tǒng)明挖法，頂管法作為機械化水平較高的非開挖施工技術(shù)，形成的地層擾動及環(huán)境影響較小，給城市建設(shè)帶來了很大的便捷性。與圓形頂管截面比較，矩形結(jié)構(gòu)有效使用面積通常增加20%左右，并且有更好的淺覆土適應(yīng)能力，有效降低了頂管機下穿各類構(gòu)筑物的坡度和深度。但隨著施工難度的不斷提升，矩形頂管施工期間也存在地表沉降過大，甚至引起塌陷等問題。因此，評估矩形頂管施工引起的地表沉降意義重大。

國內(nèi)外學(xué)者針對矩形頂管施工引起的地表沉降開展了相關(guān)研究。吳列成依托上海軌道交通14 號線靜安寺站矩形頂管工程，系統(tǒng)總結(jié)了矩形頂管隧道施工沉降控制技術(shù)，包括頂管機推進參數(shù)、管片的止退裝置、注漿減租材料和壓注工藝。李啟旭設(shè)計了室內(nèi)模型試驗，研究了矩形頂管頂進過程中對周圍土體擾動變形規(guī)律。吳波以寧波地鐵某車站矩形頂管工程為依托，系統(tǒng)研究了矩形頂管頂進過程中切口前方地面所產(chǎn)生的變形。以截面矩形頂管綜合管廊工程為背景，構(gòu)建了矩形頂管頂進引起地表沉降的數(shù)學(xué)力學(xué)模型，結(jié)合Mindlin 解和隨機介質(zhì)理論，提出了頂管施工引起的地表豎向位移的計算公式。

綜上所述，當(dāng)前針對矩形頂管引起地表沉降的分析主要采用理論分析及現(xiàn)場實測分析。而采用數(shù)值分析手段模擬矩形頂管施工主要采用力控制，并未體現(xiàn)矩形頂管頂進期間的管土相互作用；其次，矩形頂管頂進期間，頂力大小是不斷變化的，采用力控制模擬是不合理的。

基于此，本文以合肥市黃河路橫穿包河大道矩形頂管工程為依托，采用ABAQUS 有限元軟件，建立位移控制的矩形頂管頂進的三維動態(tài)模型，研究矩形頂管施工引起的地表沉降變化規(guī)律。研究成果可為后續(xù)類似矩形頂管工程提供參考及依據(jù)。

一、工程概況

1.工程簡介

S1 線黃河路站主體標準段為地下兩層島式站，地下三層島式車站，車站共有5 個風(fēng)亭組，9 個出入口。該工程位于合肥市黃河路，通道橫穿包河大道，6 號口主通道采用矩形頂管工藝施工，全長53.8 m，共36 節(jié)，單片管節(jié)長度為1.5 m，管節(jié)尺寸為6.9 m×4.9 m（外部凈寬×凈高），壁厚為0.45 m，管節(jié)混凝土強度等級為C50，頂管最小覆土為5.3 m。工程平面如圖1 所示。

圖1 頂管通道平面圖

2.工程地質(zhì)

頂管工程施工區(qū)域主要土層為雜填土，素填土，黏土，泥質(zhì)砂巖，頂管機主要穿越黏土地層，主要土體參數(shù)如表1 所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

二、數(shù)值模型

1.模型建立

本模型一共分為4 個部件，分別為土體、管線、矩形頂管管片、頂管機頭，均為彈性體，均采用實體單元。模型網(wǎng)格劃分后得到81132 個單元，12598 個節(jié)點，模型如圖2 所示。土體選用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，土體模型寬度為60m，高度為40m，頂管頂進長度為54 m。地層簡化為3 層，分別為雜填土層、黏土層和泥質(zhì)砂巖層。

圖2 數(shù)值模型圖

2.模擬過程

將頂管頂進過程劃分為多個步驟進行模擬，來實現(xiàn)頂管的動態(tài)頂進過程。全過程一共有72 個分析步，包含地應(yīng)力平衡階段36 個頂管施工階段，頂管向前頂進過程中，土體開挖與管節(jié)頂進兩個分析步作為一個施工階段。土體開挖是瞬間完成的，頂管頂進是動態(tài)過程，通過對頂管模型施加位移來實現(xiàn)。具體模擬過程如下：

（1）地應(yīng)力平衡階段，取消激活頂管管片與頂管機頭，激活全部的土體單元與管線，對土體施加重力及邊界條件，完成地應(yīng)力平衡。

（2）頂管機進入土體：取消激活頂管機進入土體時對應(yīng)部分的土體，激活頂管機頭，并施加掌子面壓力，設(shè)置頂管機與土體之間的接觸摩擦參數(shù)，法向摩擦系數(shù)設(shè)定為0.1。

（3）開挖階段：取消激活頂管機前方1.5 米的土體，同時在掌子面施加壓強來模擬注漿壓力。

（4）頂進階段：激活進入土體的對應(yīng)管節(jié)，設(shè)置頂管與管節(jié)的位移，激活頂管機，頂管管片與土體的接觸面，來模擬動態(tài)頂進過程。

（5）重復(fù)（3）（4）階段，直至貫通。

三、結(jié)果分析

1.縱向位移

矩形頂管頂進施工引起地層縱向位移，見圖3。由圖可知，頂管前方的土體整體表現(xiàn)為先隆起后沉降的變化趨勢，該現(xiàn)象主要是由于頂管機在靠近指定斷面位置時，刀盤對前方土體擠壓作用顯著，加之“背土效應(yīng)”的影響，最終造成開挖地層隆起，最大值接近10mm；待頂管機通過指定斷面后，開挖形成的地層損失加上管節(jié)對周邊地層的摩擦作用，地表開始出現(xiàn)沉降趨勢，且隨著頂管機頂進距離的增加，沉降量逐漸增大。在距離始發(fā)井10-30m 范圍內(nèi)，地表沉降整體趨于平穩(wěn)，地層擾動較低。

圖3 縱向位移

2.橫向位移

選取距始發(fā)井30m 處展開橫斷面地表沉降分析，見圖4。由圖可知，當(dāng)頂管機尚未到達30m 處時，地表隆起顯著，呈現(xiàn)出凸起外形，且中間位置隆起值最大，為4.1mm。待頂管機通過30m 位置時，地層損失引起的地表沉降快速增加，最大值為14mm，土體位移變化量超過15mm。結(jié)合地表變形結(jié)果，建議在施工過程中需要格外注意控制頂管頂力，避免土體因過度擠壓而出現(xiàn)隆起甚至“開裂”。待頂管機完成穿越的瞬間，需要及時補償注漿，以降低地層損失所形成的較大沉降。

圖4 橫向位移

四、結(jié)語

本文依托合肥市黃河路橫穿包河大道矩形頂管工程，研究了矩形頂管施工的地表沉降規(guī)律，主要結(jié)論如下：

（1）頂管機施工的頂進方向的地表沉降值最大為10mm左右，在距離始發(fā)井10-30m之間的地層擾動較小。

（2）通過分析距始發(fā)井30m 處的橫斷面地表沉降值可知，頂管機通過此位置時，地表沉降值最大為14mm，土體位移變化量超過15mm，相關(guān)人員施工時要及時采取相關(guān)措施減少地層擾動，控制地表沉降在合理的控制范圍內(nèi)。