雙線大直徑頂管始發加固范圍研究

鄭剛

騰達建設集團股份有限公司 上海 200122

城市基礎建設進程加快，規模擴大伴隨著地上空間逐步開發殆盡，因此學者焦點逐漸轉向城市地下空間的合理利用。頂管施工因其占地少、成本低、效率高以及對周圍環境擾動小等優點被大力推廣使用[1]。頂管始發階段是施工的關鍵風險源和重要環節，隨直徑和深度的增加以及施工環境的復雜化，出洞過程中的工程事故如透水和塌方等有增加趨勢。

端頭土體加固范圍的計算主要依賴薄板理論、土體滑移失穩理論和塑性松動圈理論，日本“JETGROUT協會”[2]提出了彈性薄板理論以及洞口土體滑移失穩模型，由此得到了縱向加固長度的公式；隨后，國內學者進行了改進，如羅富榮等[3]建立了梯形荷載等效模型，郝振宇等[4]在此基礎上分析了尺寸效應對端頭加固的影響，認為盾構直徑不大于10m建議使用既有理論計算，大于10m建議使用改進后的模型計算。關于橫向加固范圍理論研究，多基于土體擾動極限平衡理論展開，當橫向加固范圍超過擾動范圍時方可保障洞口安全。丁萬濤[5]等認為對于淺埋隧道（深徑比H/D＜2），應利用太沙基圍巖壓力理論來確定橫向加固范圍。

隨著數值仿真技術的興起，許多學者通過有限元軟件對盾構始發掘進問題進行了分析研究，魏綱等[6]利用有限元軟件，考慮滲流-應力耦合作用，分析盾構工作井外加固土體前方高水位工況下，地下水繞加固土體下臥土層的滲流規律，以及由滲流引起的原狀土沉降規律。馬蕓等[7]采用摩爾-庫倫本構模型，通過有限元軟件研究了縱向加固長度對盾構始發掘進的影響

現有研究主要針對始發井破除素混凝土墻后維持端頭穩定性所需的最小加固厚度，而未考慮盾構始發掘進過程對加固體的影響；另外，已有的分析一般采用摩爾-庫倫模型，不能較好地反映土體的應力-應變行為。現結合杭州市取水口上移工程DG05工作井，基于小應變硬化土體（HSS）模型，通過Midas GTS軟件建立了可以改變加固范圍的雙線頂管模型。研究加固范圍以及加固強度對洞口土體擾動規律，以確定端頭縱、橫向加固尺寸的合理取值。

1 模型建立

1.1 現場概況與幾何建模

本工程主體為杭州市取水口上移（一期）壓力輸水工程，其中DG05～DG06頂管區間項目地點位于杭州南收費站周邊區域，頂管工作井采用沉井工法，沉井外圍直徑為20.6m，井壁厚度為1m～1.5m，平面圖如圖1所示；為避免超沉與井內土體隆起等現象，在刃腳下井筒范圍對土體采用高壓旋噴樁進行加固處理樁長5～8m。管道施工采用雙線頂管工法，右線頂管外直徑為3.6m，區間長度237.6m，左線頂管外直徑為3.2m，區間長度228.4m，管頂覆土深度10.773～12.059m。地層以素填土、砂質粉土、黏質粉土、砂質粉土夾粉砂、粉砂為主，其中穿越地層為黏質粉土。

圖1 DG05~DG06頂管項目平面圖

根據現場同時考慮了模型邊界效應對結構變形的影響后，整個模型尺寸取100m×60m×22.6m；加固體幾何模型如圖2，其中縱向最小加固長度2m，橫向加固長度16m，上下加固長度12m。頂管管節長度為2.5m，因此模擬每次頂進長度為2.5m，單線共計20環。

圖2 現場加固范圍

網絡劃分效果圖如圖3所示，模型采用四面體單元進行網絡劃分，整體網格精度為1m，對于影響較小的區域精度為2m，完成建模后節點數量為156323，網絡數量為168421。

圖3 網格劃分效果圖

1.2 材料參數

根據HSS模型參數取值，同時結合現場的地勘報告，HSS模型各個土體參數取值如下所示。

表1 HSS模型參數取值

1.3 施工步驟

施工階段類型設置為應力，施工步驟主要為以下步驟：①設定初始的應力場，激活各個土層，添加自重以及邊界約束，同時位移清零；②挖去工作井內部土體，激活沉井圍護結構，同時改變洞口土體的屬性，模擬不同加固范圍，位移清零；③模擬頂管開挖過程，鈍化頂管開挖土層的同時激活管節，開挖一環的同時施加掌子面支護力180kPa以及注漿壓力200kPa。

2 模擬結果分析

2.1 不同縱向加固長度影響分析

為了研究頂管掘進時，縱向加固長度改變對洞口附近土層的穩定性影響，因此選擇縱向加固長度在0m、2m、4m、6m、8m、10m時進行有限元分析，模擬了先右線再左線頂進完成的過程。圖4為洞口1m處地表變形圖。

圖4 洞口1m處地表變形圖

未進行加固的情況下，頂管破洞頂進時，會產生較大的擾動，進而引起洞口位置較大的沉降，達到了17mm。當縱向加固長度2m時，地表沉降值降至4.99mm，因此進行洞口加固可以有效降低頂管始發引起的地層擾動，能夠有效降低洞口處發生工程事故的概率。地表最大沉降值隨縱向加固長度增加而逐漸降低，如縱向加固長為4m、6m、8m、10m時，其對應的地表最大沉降值為3.73mm、3.06mm、2.47mm、2.20mm。由此可見，縱向加固長度超過2m后，與之對應的最大地表沉降變化率已經不再顯著，因此縱向加固長度至少為2m時可以滿足穩定性需求，與理論計算結果較為接近。站在施工安全的角度，增加縱向加固長度有利于工程安全，對于防患洞口土體失穩有著重要作用，但是從施工成本角度出發，過長的加固長度產生的效益已不再明顯，反而增加了額外成本，并且過長的縱向加固長度還會磨碎刀盤，降低施工效率。

結合上述分析，本工程頂管縱向加固長度大于2m時，基本可以滿足始發安全，對洞口土層的穩定性有明顯的提升，符合理論計算結果。但是考慮到頂管機機頭長度為5m，且實際工程中由于地下水以及土層復雜等因素，在保障施工安全、經濟的情況下，最后取縱向加固長度6m進行現場施工。

2.2 不同上下加固長度影響分析

為了研究頂管掘進時，橫向加固范圍改變對洞口附近土層的穩定性影響，因此選擇上下加固長度在6m、8m、10m、12m、14m時進行有限元分析，根據上節結果，將縱向加固長度6m與橫向加固長度16m作定值。截取洞口1m處地表變形圖如圖5所示。

圖5 洞口1m處地表變形圖

可以看出，隨著上下加固長度的增加，洞口附近處的位移沉降均小于7mm，最大沉降值依舊在中心偏右位置，影響范圍大約距離中心線15m范圍內。

洞口上下加固長度在6m、8m、10m、12m、14m變化的過程中，沉降最大值分別為6.94mm、4.25mm、3.34mm、3.07mm、2.83mm。增加上下加固長度會提升整體加固區土體的穩定性，也會使得在頂管始發過程中降低對洞口土體的擾動。同時增加下部加固長度，可以抵御洞口底部承壓水帶來的突涌風險。但是隨著上下加固長度持續增加，帶來的施工效益也隨之減弱，因此綜合分析實際現場情況，在上下加固長度為12m時相對安全且經濟。

3 結 論

（1）頂管始發前進行縱向加固，可以有效減少洞口處因破洞帶來的對地層的影響。如果未做加固，洞口土體則會在自重作用下向洞內移動，進而增加了施工風險，隨著縱向加固長度的增加，地層穩定性逐漸提高，掘進時對洞口處土體的擾動逐漸減小；縱向加固長度超過2m后，與之對應的最大地表沉降變化率已經不再顯著，因此縱向加固長度至少為2m時可以滿足穩定性需求，考慮到頂管機機頭長度為5m，且實際工程中由于地下水等因素，在保障施工安全、經濟的情況下，最后取土體縱向加固長度6m進行現場施工。

（2）進行上下加固的目的是為加固體提供一定的橫截面積，從而提高加固體抵御地下承壓水的能力，同時增加上下加固長度，對于頂管掘進時洞口的地層穩定也有一定的積極影響，但是上下加固長度增加到一定程度后，加固效果會減弱，因此在DG05工作井施工時上下加固12m時可以滿足安全施工的要求。