軟土地區頂管施工對道路沉降變形的影響分析

【摘 " "要】：為了研究軟土地區頂管下穿施工過程主要控制因素對路面沉降變形影響規律，以廣東省某軟土地區頂管項目為背景，采用Peck公式法對地面沉降進行了理論計算，通過大型有限元軟件Plaxis3D對頂管過程進行了數值模擬計算。模擬計算結果與理論計算、監測數據基本吻合，最終得出頂管埋深（H）和頂管管徑（D）對路面沉降的影響規律。

【關鍵詞】：軟土；頂管工程；路面沉降

【中圖分類號】：TU990.3 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2024）05-32-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.05.009

Analysis of the Influence of Pipe Jacking Construction on Road Settlement

Deformation in Soft Soil Area

LI Guangming ， KANG Hao ，LIAO Chunhua，LI Shengxu ， WANG Shunxi

（Tianjin Municipal Engineering Design amp; Research Institute Co.Ltd.，Tianjin 300392，China）

【Abstract】： In order to study the influence of the main control factors on the settlement and deformation of the pavement in the construction process of pipe jacking in soft soil area， this paper uses the Peck formula method to calculate the ground settlement based on the pipe jacking project in a soft soil area of Guangdong Province and uses the finite element analysis software Plaxis3D to simulate the pipe jacking process. The simulation results are basically consistent with the theoretical calculation and monitoring data and finally the paper obtaines the influence rule of pipe jacking depth （ H ） and pipe jacking diameter （ D ） on pavement settlement.

【Key words】： soft soil;pipe jacking project; road surface settlement

頂管施工在管道下穿城市道路的過程中得到廣泛應用。和明挖法相比，頂管施工對周邊環境的影響大大降低；但頂管施工過程中的土體損失不可避免地導致工后地面沉降變形，特別是在軟土地區，頂管設計或者施工不合理時，有可能對地面產生較大影響，進而破壞路面層，嚴重的可能發生路面塌陷等事故[1]；因此研究頂管引起的地面沉降變形非常必要[2～3]。

本文依托廣東軟土地區的某頂管下穿道路工程，分析頂管下穿道路工程中的主要控制因素，采用Peck經驗公式和有限元分析軟件Plaxis3D，分析影響地表沉降的各因素，總結每種因素的影響規律，用于指導實際工程。

1 工程概況及地質水文條件

1.1 工程概況

廣東軟土地區的某污水管網工程包含污水干管、次支管網、截污干管等構筑物。新建管網長度約77.59 km，主要采用頂管法施工。項目地處珠三角，三面臨江，場地內部廣泛發育有淤泥質土和淤泥。

選取一個具有典型代表性的工點研究頂管下穿對地表變形的影響規律，工點頂管內徑DN800 mm，材質為鋼筋混凝土，套管外徑為960 mm。頂管的套管埋深為4.95 m。

1.2 工程地質與水文地質條件

1.2.1 工程地質條件

場地發育的軟土層為②3淤泥、②4淤泥質土及②52淤泥質土，該層分布較廣，含水量較高，孔隙比較大、同時具備壓縮性高、強度低的特點，力學性質較差。見表1。

1.2.2 水文地質條件

工程地處珠江流域中下游的河網區，地勢平坦，水系較為發育，有東海水道、西江、海州水道等。項目所在位置河涌密布，河涌一般寬3～15 m、水深0.3～2.0 m，各條河涌交錯分布，受潮汐影響，主要接收東海水道、西江、海州水道的補給和排泄。

場地內地下水主要為第四系地層中的孔隙水，主要賦存于人工填土層、淤泥質粉砂、粉細砂、中粗砂層，屬中～強透水層，接受大氣降水及地下水、河水側向補給。

2 頂管下穿引起的路面沉降分析

2.1 經驗公式分析方法

地面變形計算方法有4種：經驗公式法、理論法、數值法和實測數據分析法[4]。PeckR B [5]最早提出了頂管施工中由于土體損失導致地面沉降的經驗計算公式。考慮土體的體積是一個定值，推導了頂管上方地面沉降的相關計算公式，Peck法非常簡單，其曲線的形狀能夠很好的反映頂管施工后的地表的沉降變形趨勢。

[S（x）=Smaxexp（-x22i2）Smax=Vloss （i2π）=0.313VLD2i] （1）

式中：[S（x）]為頂管上方某點沉降量，m；x為分析點和頂管中心軸線的距離，m；[Smax]為頂管軸線上方的最大地面沉降量，m；[Vloss]為頂管單位長度的土體損失量，可根據土體損失率進行計算；i為地面沉降槽寬度系數，m；D為頂管外徑，m；[VL]為土體損失率，%。

Peck公式提出后，劉建航等[6]、Loganathan等[7]對沉降槽寬度系數進行了研究，并提出了相應的計算公式。為了綜合考慮其影響，本文采用兩公式計算平均值計算沉降槽系數。

[i=h2πtan45°-φ/2i=1.15Rh 2R0.9] （2）

式中：h為地面至頂管軸線的距離，m；[φ]為頂管掘進位置的土層內摩擦角，（°）；R為開挖頂管半徑，m。

2.2 有限元分析方法

由于實際工程中地層的復雜性，采用有限元模型對頂管施工過程的地面沉降進行模擬非常必要，選用Plaxis3D對地表的沉降進行分析。

2.2.1 基本假定

為突出主要因素，對模型進行適當簡化，考慮以下假定條件：

1）不考慮時間影響，即忽略土體的蠕變與固結影響；

2）頂進過程中，頂管的軸向不存在偏轉，為直線頂進；

3）認為各土層的土質均勻，每層土各向同性，結構體的變形、受力均在彈性范圍內。

2.2.2 數值模擬方法

將頂管套管與土體之間的泥漿層假定為均勻厚度等代層，泥漿等代層為均一的線彈性材料，代替頂管周邊的泥漿套[8]。見圖1。

2.2.3 有限元模型的參數

模型邊界條件：模型頂面為自由面，無約束；模型底面的節點施加每個方向的約束，模型四個側面只施加法向約束。

采用三維實體單元，HS-Small本構模型。土體參數來自工程地質勘察報告和工程經驗取值。見表2。

頂管套管參數：單元類型考慮為板單元，線彈性材料，其中混凝土強度等級為C50，彈性模量Ec=34.5 GPa，重度γ=25 kN/m3，泊松比μ=0.3，套管內徑為DN800 mm、壁厚t=80 mm、外徑D=960 mm。

泥漿等代層的參數：單元類型考慮為三維線彈性實體單元，其中彈性模量E=1.0 MPa、重度γ=10 kN/m3，由于現場實際地層為軟土，套管與土體間隙為20 mm，選取泥漿等代層厚度為間隙值的2倍[9]，即為40 mm，等代層的泊松比μ=0.2。

模型的幾何尺寸為40 m×20 m×20 m。經計算，路面的最大的豎向位移出現在頂管正上方。見圖2和圖3。

2.3 實際監測結果

施工過程中在路面布置了道路沉降監測點，對道路的沉降變形進行監測。現場的監測值與經驗公式計算及有限元模型分析結果較為接近，總的變化趨勢保持一致；但在數值上，實際的監測結果稍微大于經驗公式和有限元的計算結果，分析原因可能與現場的實際的施工質量及路面的車輛荷載相關。管道正上方的變形最大，沉降量為5.80 mm；Peck經驗公式的計算結果為4.53 mm；有限元模型的計算結果為5.24 mm。隨著與管道中心距離的增加，地表沉降量呈逐漸減小的趨勢。見圖4。

圖4表明有限元模型及參數取值比較合理，能夠較好地反映施工現場的地表的沉降變化規律。CECS 246：2008《給水排水工程頂管技術規程》要求：頂管施工造成的公路路面的最大沉降不應超過20 mm。本工點施工能夠滿足道路路面的沉降變形要求。

3 頂管直徑和埋深的影響規律

根據PeckR B [5]的變形分析理論，埋深H和管徑D不僅影響地表的沉降值，而且對工程造價有著決定性影響。為了更好地研究兩個因素的影響規律，依據Peck經驗公式并結合Plaxis3D軟件對這兩個因素的影響規律進行分析。為了更具有代表性，選取工程中常見的內徑為DN800 mm和DN1 200 mm的頂管。定義一個新的變量名“深徑比”，即埋深H與套管外徑D的比值（H/D）。

計算不同深徑比下路面最大沉降值。有限元模型的計算結果與經驗公式的計算結果趨勢基本一致；但是有限元模型的計算結果數值稍大，主要是因為有限元模型在計算中參考的地勘參數相對保守。隨著深徑比的增加，地表最大的沉降值逐漸減小，當深徑比增加到5～6時，路面最大沉降值的變化趨勢趨于平緩。對比DN800 mm和DN1 200 mm兩種頂管，在相同深徑比的情況下，大管徑的頂管會導致較大的地表沉降值。見圖5。

4 結論及建議

1）頂管下穿道路施工中，修正的Peck經驗公式和有限元軟件Plaxis 3D軟件的計算結果與實際監測沉降變化趨勢相近，數值大小略存在差異，考慮是實際施工中路面車輛荷載造成的。

2）隨著深徑比的增大，地表沉降的最大值逐漸減小，呈現出先快后慢的變化趨勢。當深徑比達到5～6時，路面最大沉降值的變化曲線趨于平緩。

3）在深徑比相同的情況下，直徑較大的頂管在施工中對路面的影響相對較大。

4）在頂管工程設計中，增加埋深H和減少管徑D均能夠增大深徑比，進而對減少地表最大沉降量有明顯作用。

參考文獻：

[1]魏 綱，徐日慶，肖 俊，等.頂管施工引起的地面變形分析[J].中國市政工程，2002，（4）：36-38.

[2]房營光，莫海鴻，張傳英.頂管施工擾動區土體變形的理論與實測分析[J].巖石力學與工程學報，2003，（4）：601-605.

[3]魏 綱，徐日慶，屠 瑋.頂管施工引起的土體擾動理論分析及試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2004，（3）：476-482.

[4]魏 綱，徐日慶，郭 印.頂管施工引起的地面變形計算方法綜述[J].市政技術，2005，（6）：19-23.

[5]Peck R B .Deep Excavations and tunneling in soft ground[J].Proc. of 7th ICSMFE， Mexico， 1969.

[6]劉建航，侯學淵.盾構法隧道［M］.北京：中國鐵道出版社，1991．

[7]Loganathan N，PoulosH G.Analytical prediction for tunneling-induced ground movements in clays[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1998，124（9）：846-856.

[8]張 云，殷宗澤，徐永福.盾構法隧道引起的地表變形分析[J].巖石力學與工程學報，2002，（3）：388-392.

[9]陳 楊，馬保松，曾 聰.頂管施工的地表沉降數值分析和頂力計算[J].中國給水排水，2020，36（20）：27-31.