有限元軟件分析不同頂管的埋深對周圍土體的影響

程曼 CHENG Man；凌春 LING Chun；呂品 LV Pin；楊梓俊 YANG Zi-jun；王威 WANG Wei

（武漢工程大學土木工程與建筑學院，武漢 430073）

0 引言

頂管法是根據盾構機發展演化而來的，從地下穿越，不需要開挖地表，相比明挖的頂管工程，不需要破壞周圍建筑物，對周圍環境影響較小，節省成本，提高施工效率的優勢明顯，能夠適應多種復雜地質情況，應用于地下工程的主要設備之一，它與盾構機相比較小，比較靈活，主要應用于城市的地下管網工程中，如雨污分流工程。頂管法是利用頂管機頭，把預制頂管從始發井一節一節頂進預定位置，再從接收井把機頭吊出來，以此循環的地下施工。但是，遇到復雜的地質，根據以往的工程經驗，不確定風險大幅度提高，隨著科技的不斷發展，我們的相關理論也在逐步完善，我們可以利用Abaqus 有限元軟件分析，控制變量分析其頂推力對土體變形的影響，一旦對土體的擾動過大，地層較大的移動將引起鄰近建筑物的變形，影響其使用。在頂管法的施工中，必須要減小對土體的擾動。因此，探究不同埋深在施工過程中土體的擾動規律，對于促進地下工程的建設具有重大意義。

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

江門市某區水環境綜合治理項目（二期）工程EPCO項目—中興二路截污管網工程，本工程為中興二路截污管網工程，其建設內容主要為在中興一路東側規劃慢車道下布置d2000 污水主管，由北向南接入中興二路規劃d2000污水管，并為沿線路口及地塊預留污水支管；在北昌東路南側道路下布置d2000 污水主管，由東向西接入中興二路規劃d2000 污水管，并為沿線路口及地塊預留污水支管；頂管段管道管徑一般D2000，擬采用Ⅲ級鋼筋混凝土頂管管材，頂管段管道埋深一般約12m。

1.2 工程地質條件

根據勘察報告可知本頂管段的地層自上而下按成因類型分為第四系全新統人工填土（Q4ml）、沖積層（Q4al）。各土層相關力學參數見表和土層物理性質如下。

1.2.1 人工填土層（Q4ml）

素填土：灰黃、灰褐等色，稍濕，稍密，以黏性土為主，含少量碎石塊等硬質雜物，碎石粒徑一般約1.0～3.0cm，含量一般約10%～20%，磨圓度較差，主要呈棱角狀，土質及密實度不均勻，部分地段頂部20～30cm 不等厚度為砼地面。據初步了解，項目場地填土堆填時間超過15 年，為老填土。平均層厚為5m。

1.2.2 沖積層（Q4al）

淤泥質土：灰黑色，飽和，流塑，以粘粒為主，富含有機質及少量粉細粒，手捏具滑膩感，易污手，略具腥臭味。平均厚度為4m。

粉質黏土：灰褐、灰黃、灰白色，濕，可塑，以粘粒為主，夾少量粉細粒，土質均勻，粘性較好，干強度及韌性中等，平均層厚為8m。

1.2.3 燕山期（γ52）花崗巖

強風化花崗巖帶：黃褐、灰褐色，巖石風化強烈，巖芯主要呈半巖半土狀，巖塊手折易斷，遇水易軟化崩解。平均厚度11m。

其主要物理力學性能參數如表1 所示。

表1 土體物理力學性能參數

2 頂管施工

依據設計采用泥水平衡頂管法施工。頂管法施工是一種采用不開挖地表的方式，先在施工段兩端挖好工作井，再把各個管節利用頂管機穿越土層送到預定位置，達到施工設計的要求。施工過程主要分為以下幾個步驟：第一步，施工準備。該過程包括測量放線、初始導管安裝以及后靠鋼板安裝等內容。第二步，頂管機就位。該過程包括破除門洞和安裝測量裝置并測試。第三步，頂管始發。該過程包括千斤頂頂進、刀盤轉動和泥漿輸送運轉。第四步，管節拼接。該過程包括拼接檢查、頂鐵、減阻泥漿裝卸。第五步，管節頂進。該過程包括頂管糾偏和減阻泥漿輸送。第六步，頂管接收。該過程包括接收導軌安裝、破除門洞和取回掘進機。施工工藝流程如圖1 所示。

圖1 施工工藝流程圖

3 土體變形原因

頂管施工造成土體變形的原因可為兩點：①土體應力擾動；②地層損失。

應力使來自頂進過程中機頭頂推力、剪切力以及管道與土體的摩檫力等組成。地層損失是引起土體變形的主要因素，有常規損失和非常規損失。常規損失是我們在施工過程中不可避免的損失，不常規是由于我們的技術流程不符合操作規范引起的不必要損失，我們可以在后期的技術優化中處理這個問題。

頂管施工的本質是頂管機切土和向管道邊注漿同時進行的施工，在開挖土的過程中，未挖的土體具有松動性，此時需要向周邊土體注漿，以維持地下土體的平衡，但是頂推力過大過小都會影響土體的穩定性，會間接影響頂管施工的質量。當頂推力較小時，土體會出現下沉，頂推力較大時，會導致土體隆起、頂管破裂、返工乃至發生安全事故。所以分析不同頂管埋深對周圍土體的影響，是為了使工程順利進行。

4 數值模型建立及分析方案

在數值計算中，考慮了土體自重應力對計算結果的影響，并且模擬了總長為40m 的頂管施工過程。具體來說，首先進行2m 的裝配，然后進行十九個環節的頂進，共頂進38m。在這個過程中，考慮了泥漿層對土體的弱化作用，并通過追蹤單元法實現了弱化土層的處理。將初始模型設置了管土摩擦系數為0.3。整個模擬過程如下。

①平衡初始地應力，模擬施工之前的土體狀態。為了使土體處于施工前的自然狀態，在模型中施加與土體重力相對的初始應力場。這樣可以使土體達到穩定狀態，從而確保最大變形控制在10-6m 以內，如圖2 所示。

圖2 初始地應力平衡

②先將頂管的前2m 裝配入土中，每次頂進2m 為一步，模擬過程中，頂管機穿過土層，施加壓力，土層會有相應的變形。在后續接下來的分析中，將僅考慮土體變形在y=0 處的情況。

5 不同頂管埋深的土體變形分析

頂管在施工的過程中，土體變形的影響因素有很多種，其中管道埋深是重要的因素之一。為有效分析出頂管管道在不同埋深位置處對頂管上方地面變形的影響，基于施工現場的勘察資料，在相同條件下，利用有限元分析軟件模擬管道埋深6m 的頂管施工過程，形成的位移云圖，如圖3。數值模擬形成的數據繪制不同埋深下的地面沉降圖，如圖4。

圖3 埋深6 米位移云圖

圖4 頂管橫斷面方向地表變形圖

從圖3 分析可以得出，在頂管施工過程中，頂管的埋深不同對頂管上方的土體影響也會有所不同。從圖中可以看出，管道上方土體的沉降值與頂管管道的埋深呈反比例關系，土體的變形機制沒有發生改變，地表的最大沉降值位于頂管正上方，其余沉降值往管道兩側逐漸遞減。由圖4 可得，頂管的管道埋深為4m 時，管道正上方的沉降值約為8.68mm；頂管的管道埋深為6m 時，管道正上方的沉降值約為1.041cm；頂管的管道埋深為8m 時，管道正上方的沉降值為1.34cm。根據上面的分析可得出，該地表的沉降與頂管管道埋深呈反比例關系。這是由于頂管在穿越不同位置時，淤泥質土具有壓縮性高、滲透性較小等特點，因此沉降相較于其他土質，沉降較大。頂管對淤泥質土的擾動性與埋深存在正比關系，因此管道埋深越深，越易被擾動，從而導致地面沉降越大。

在施工過程中，頂管的管道埋深對地表的變形產生重要的影響。通過本文建立的有限元數值模型，條件相同，模擬出不同埋深條件下的地面位移值，并分析得出其對地面變形的影響。研究發現，管道埋深越大，對地表沉降值的影響就越大。然而，無論管道埋深深淺，土體變形規律都是一致的。

6 結語

本文分析了不同頂管埋深對周圍土體的影響，在工程實際工程當中，若管道埋深較淺，控制施工引起的地面變形就顯得尤為重要。較淺的管道埋深會增加隆起和沉降的風險，因此需要嚴格控制施工頂力和糾偏力。此外，在頂進過程中工具管的導向力也會受到影響，容易導致軸線偏移和土體損失，進而導致地面沉降。因此頂管施工中應合理設計管道埋深，以控制地面變形并確保工程施工質量。