黄土地区顶管施工土体沉降规律研究

汪建中

（安徽省高等级公路工程监理有限公司，安徽 合肥 230601）

0 引言

顶管施工过程中不可避免地会引起地层变形和地面沉降。当地层变形和地面沉降达到一定的程度，就可能威胁临近既有建筑和地下管网的安全。因此，预测和控制地层变形和地面沉降，是顶管施工需要考虑的主要问题[1－3]。

本文基于西安地区某顶管工程，顶管埋深为6m。模型管道的直径为3 000mm。顶管施工过程中，要穿附近城市道路，因此，顶管顶进过程中，为了保证不影响城市道路交通运行，需要研究顶管施工过程对周围环境所产生的影响。本文通过数值模拟，分析顶管顶进过程对周围土体稳定性的影响[4]。

1 数值模拟方法

1.1 基本假定

由于现场开挖地质的复杂性，施工过程中的不确定性影响因素较多。因此，本文顶管开挖过程的模拟作以下假定：

a）土体为均匀的各向同性体；

b）采用位移贯入法来实现顶管的顶进过程；

c）由于顶管机头的刚度远大于土体刚度，不考虑开挖过程中顶管机头的变形过程；

d）在顶管的推进过程中不考虑土体的时间效应，仅仅考虑顶进的空间效应。

1.2 模拟过程的实现

1.2.1 初始应力的模拟实现

由于顶管埋深较浅，初始应力场可视为重力场。为了避免初始应力变形对开挖后围岩变形的影响，首先通过对顶管开挖前的初始应力状态进行模拟，提取该状态时的各积分点应力，然后在顶管开挖前进行应力反加，消除顶管开挖后初始应力对周围土体的变形影响，从而实现初始地应力的模拟。

1.2.2 应力损失的模拟实现

顶管开挖过程中，支护不及时所致围岩的初始应力损失，通过对管道开挖面的土体参数弱化来实现[5]。

1.2.3 开挖及支护的模拟实现

通过ABAQUS中的关键字*remove及*add来实现管道的开挖支护。

2 模型建立及参数选取

有限元模型如图1所示。开挖步骤以开挖50cm，顶进30cm的工况进行开挖。对现场顶管施工进行模拟分析。

图1 模型网格划分及尺寸图

本次计算采用Mohr－Coulomb等面积圆屈服准则，其表达式为：

式中，I1、J2分别为应力张量的第一不变量和应力偏张量的第二不变量，其中：

式中，α、k是与岩土材料内摩擦角φ和粘聚力c有关的常数，α、k满足下列表达式：

Mohr－Coulomb等面积圆屈服准则是与Mohr－Coulomb破坏准则准确匹配的岩土材料塑性屈服准则，应用Mohr－Coulomb等面积圆屈服准则可取得较为精确的结果。模型的参数按照现场勘测结果及相关规范进行选取，如表1所示。

表1 围岩及衬砌的物理力学参数

3 数值结果分析

3.1 拱顶沉降结果分析

图2给出了不同顶管前进距离，围岩z方向位移变化云图。由图2知，顶管前方20cm围岩拱顶、拱底z方向位移最大。随着开挖距离的增大，未施作顶管部位土体的拱顶、拱底变形范围不断扩大，一直延伸到地表，导致地表沉降的发生。

图2 围岩z方向位移

在施工过程中，顶管要及时顶进，以减小开挖面土体的应力释放，控制地表沉降。

图3给出了顶管顶进16m时，距洞口不同距离L处拱顶z方向位移变化趋势。由图3可知，L小于2m时，z方向位移值较小；L大于2m时，随L值的不断增大，拱顶位移值逐渐趋于平稳，峰值位移约为9mm。

图3 拱顶z方向位移-距洞口距离变化

图4给出了距洞口2m的断面的拱顶位置z方向位移随着开挖步骤的变化趋势。通过图4可以看到，当开挖到该断面时拱顶的z方向位移瞬间增大，达到近8mm左右，然后随着开挖步骤的进行，该点的拱顶z方向位移变化不大，并逐渐趋于稳定。

图4 拱顶z方向沉降-隧道开挖步骤的变化曲线

3.2 地表沉降结果分析

图5给出了隧洞地表沉降的分析点的具体位置。

图5 隧洞地表点位置

图6给出了距离开挖洞口9m处的一个断面，分析在x方向上顶管开挖对地表沉降的影响结果。通过图6可以看到，在开挖隧洞的正上方地表沉降最大，约4mm。地表沉降位移由隧洞中心向两边逐渐减小。

图6 沿x方向的距离-地表z方向的沉降曲线

图7给出了顶管施工完成后，管道上方地表沉降峰值沿管道轴向变化趋势。由图7可知，随L不断增加，地表沉降呈上升趋势。顶管施工中后期，应加强地表沉降监测，保障顶管施工安全。

图8给出了L为9m处断面上不同深度土体的沉降位移。通过图8可以看到，随深度的增加，z方向的沉降值越大。也就是越靠近顶管，土体z方向位移越大。

图8 地表埋深-地表z方向的沉降曲线

图9给出了L为9m处断面A、B、C、D四点地表沉降随开挖步的变化情况。由图9可知，A点沉降值最大，且随开挖步的增加逐渐趋于稳定；D点沉降值最小，开挖步的增加对其沉降值影响不大，说明地表沉降测点离管道中线越近，沉降值越大；C点沉降值较小，因此可以初步判断，顶管施工时其对地表沉降的横向影响范围约为距管道中心线6m的距离，因此距中心线两侧总的影响距离为12m。

图9 地表z方向沉降-隧道开挖步骤的变化曲线

顶管施作后，地表沉降在较小范围内就趋于稳定。顶管施作前后对管道轴线方向地表沉降的影响范围约为8m。

4 结语

通过对顶管施工后管道拱顶的变化趋势分析可知，在顶管施工中，拱顶沉降随着距洞口距离的增大变化不大，而且拱顶沉降受开挖步骤的影响较小，说明管道顶进及时，可以有效地控制顶管过程中的拱顶位移。通过对距管道某断面不同距离范围内地表沉降的影响分析，得到了开挖面对地表的影响范围约为8m×12m，从而对管道安全施工提供一定指导和帮助。

[1]冯海宁，龚晓南，徐日庆.顶管施工环境影响的有限元计算分析[J].岩石力学与工程学报，2004，23（7）：1158-1162.

[2]施成华，彭立敏，刘宝琛.盾构法施工隧道纵向地层移动与变形预计[J].岩土工程学报，2003，25（5）：585-589.

[3]杨晓杰，邓飞皇，聂雯，等.地铁隧道近距穿越施工对桩基承载力的影响研究[J].岩石力学与工程学报，2006，25（6）：1290-1295.

[4]黄宏伟，胡昕.顶管施工力学效应的数值模拟分析[J].岩石力学与工程学报，2003，22（3）：400-406.

[5]张黎明，郑颖人，王在泉，等.有限元强度折减法在公路隧道中的应用探讨[J].岩土力学，2007，28（1）：97-106.