長距離矩形頂管施工穩定性分析

摘要：在城市中采用明挖法施工地下通道受場地因素限制大，采用盾構法施工經濟性較差，頂管法則可規避以上問題。通過有限元軟件Abaqus建立三維有限元模型對長距離矩形頂管施工進行模擬，指導類似工程施工，保證施工安全性。

關鍵詞：地下連續墻； 頂管施工； 穩定性分析

中國分類號：U449.52A

［定稿日期］2022-07-27

［作者簡介］謝陽（1991—），男，碩士，工程師，從事隧道及地下工程勘察研究及勘察設計項目管理工作。

0 引言

近年來，地面交通越發擁堵，在城市中新建長距離頂管隧道工程很多，如何保證施工過程中的安全性成為工程界需要時刻重視的問題，針對此問題，許多學者展開了研究。朱紅［1］ 詳細闡述了矩形頂管的施工工藝及地鐵車站出入口結構特點，對頂管的防水措施與管節排版等內容進行分析和探討。宋偉寧［2］通過假定，提出了土反力平衡法，系統建立了沉井井內頂管后井壁在頂力與土抗力共同作用下荷載近似計算模式。丁豪［3］通過對頂管與開槽埋管兩種不同施工方案進行比較后概述了在軟土地基中施工排水管時頂管施工方式較為適合。龔慈［4］考慮側壁與沉井底部的摩阻力，由沉井水平方向受力平衡情況計算結構允許頂力。通過實際算例與朗肯理論的結果相較可得，該方法可用于計算土體非極限被動土壓，并考慮了頂管反力影響墻后土壓力分布。 毛海和［5］對現有頂管工作井計算方法進行歸納總結，通過數值仿真驗證后背墻反力在寬度和深度方向的分布規律。

綜上，頂管技術在我國得到了較為廣泛地應用，但對于長距離矩形頂管的研究較少，本文通過三維有限元軟件Abaqus建立模型探究長距離矩形頂管施工穩定性。

1 工程背景

以某城市中央商務區地鐵銜接通道工程為背景，通道長139 m（含始發及接收井區域），通道內凈空尺寸6 m（寬）×4 m（高），外輪廓尺寸6.9 m（寬）×4.9 m（高），通道主體采用頂管法施工，通道起、終點設始發、接收井（圖1）。頂管單向頂進。始發井作為頂管出發井，以始發井壁后土體作為頂管頂進后靠。為減小頂進期間被動區土體變形，對工作井后靠局部區域土體進行加固作為后靠。本文主要研究頂管出洞期間工作井、頂管結構與土體變化情況及開挖面穩定性。

2 數值計算及分析

2.1 計算模型建立及參數選取

模型左右前后側均對法向位移進行約束，對底面的空間位移進行約束。有限元模型如圖2、圖3所示。有限元模型尺寸為300 m×300 m×100 m，通道內凈空尺寸6 m（寬）×4 m（高），外輪廓尺寸6.9 m（寬）×4.9 m（高），通道壁厚0.45 m。

本工程計算土體均也采用Mohr-Coulomb準則。土體均采用實體單元模擬。土體及結構計算參數如表1所示。

根據工程經驗，土體的彈性模量取5～10倍的土體壓縮模量，本計算中取為7倍。加固后土體的彈性模量取為120 MPa，管片選用C50混凝土，彈模取為30 GPa，泊松比取0.3，重度取25 kN/m3。

2.2 計算工況及結果

2.2.1 計算工況及計算結果

將本工程數值仿真分為4個步驟模擬，數值模擬施工順序：工況0：初始工況，工作井施工；工況1：鑿除地下連續墻頂進位置80 cm厚的墻體；工況2：頂管頂進10 m；工況3：頂管區段施工完成，總長度為96.48 m。

分析不同施工步情況下地下連續墻和開挖面的穩定性。工況0～工況3部分計算結果如圖4～圖7所示。

市政工程謝陽： 長距離矩形頂管施工穩定性分析

2.2.2 數據分析

工況2、工況3數值計算結果如表2、表3所示。

從工況2結果可看出：開挖面和地連墻以及內部結構y方向的最大位移值分別是1.91 cm和5.42 mm以及1.22 mm；y方向最大正應力分別為-1.1 MPa和-1.66 MPa以及-0.43MPa。

從工況3結果可看出：開挖面和地下連續墻以及內部結構的位移最大值分別是2.53 mm、4.6 mm、-0.74 mm；y方向最大正應力分別為-0.2 MPa、-0.97 MPa、0.29 MPa。施工結束后一年的現場監測情況顯示：內部結構最大位移為近工作井端底面-0.8 mm，與數值模擬結果較為吻合，而后監測數值基本保持不變。

根據不同工況下土體沉降的數值計算結果，可得出頂進到該位置時土體存在隆起情況，距離頂進位置越遠，土體隆起量越小。期間土體最大隆起量發生在中心軸線，最大值為5.5 mm（圖8）。

3 結論

（1）鑿除地下連續墻時，開挖面向工作井內變形和連續墻向下的位移均小于10 mm，開挖面安全。頂管頂進距離為10 m時，地下連續墻與開挖面土體以及內部結構y方向的最大位移分別為5.42 mm與1.91 cm以及1.22 mm，位移仍較小，開挖面安全。頂進結束后，地連墻與開挖面土體以及內部結構最大位移分別為4.6 mm與2.53 cm以及-0.74 mm，頂管段全程最大y方向位移為-0.96 mm，3部分位移均較小。

（2）數值模擬得出頂進區域土體隆起量較大，距離頂進位置越遠土體隆起量值越小，頂進之后該位置會發生沉降，隆起量越大的位置沉降值越大。

（3）通過對本工程的數值計算分析，可以對類似工程起到借鑒作用。

參考文獻

［1］ 朱紅.地下車站出入口通道矩形頂管工程的結構設計與探討［J］.地下工程與隧道，2010（1）：1-4+52.

［2］ 宋偉寧，葛春輝.頂管工程中后座并壁荷載近似計算方法探討［J］.特種結構，1995（4）：31-35+2.

［3］ 丁豪，龔福鑫，賀志宏，等.頂管施工在市政工程中的實際應用［J］.特種結構，2001（3）：54-56.

［4］ 龔慈，魏綱，徐日慶.頂管施工中矩形沉井工作井允許反力的計算［J］.巖土力學，2005（7）：1127-1131.

［5］ 毛海和.頂管矩形工作井復合式后背墻反力分布研究［J］.巖土力學，2007（6）：1212-1216.