矩形顶管顶推力对上部地表位移影响规律研究

2017-09-15张建安

城市道桥与防洪 2017年8期

关键词：机头顶管管片

张建安

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

矩形顶管顶推力对上部地表位移影响规律研究

张建安

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

矩形顶管凭借空间利用率高、覆土浅等特点在市政工程项目中应用得越来越多，但类似的工程案例与研究却有限。以某过街通道项目为研究对象，采用Midas/GTS软件进行三维数值模拟，分析矩形顶管施工过程中对上部地表位移的影响。研究发现顶推力为1.0P（P为开挖面中心处土体竖向压力）时矩形顶管对掘进面前方土体影响范围相对最小，为1.0D（D为管片长边尺寸），开挖断面横向影响范围为±3.5D。同时探讨了顶管上部地表沿顶进方向水平位移的变化机理。

矩形顶管；数值模拟；影响范围

0 引言

近年来随着城市地下空间的开发，顶管施工越来越多的应用到各类市政基础设施建设中，其中矩形顶管对比传统的圆形顶管有空间利用率高、覆土浅等优点，因此在过街通道、地铁出入口等项目中得到越来越多的应用[3]。

目前对于矩形顶管施工引起的土体变形计算方法主要有：经验法、解析法、随机介质理论、数值模拟计算等。其中郭亮[1]结合郑州中州大道工程探讨了顶管施工中的土体沉降规律。温锁林[2]根据上海轨道交通2号线东延伸段工程金科路站4号出入口地下联通道工程分析了矩形顶管施工对环境的影响。庞臣军等[4]结合包头市阿尔丁大街(内蒙古科技大学)地下通道建设工程，采用数值模拟研究分析矩形顶管施工影响范围。王日东[5]利用理论推导对矩形顶管推进引起的三维土体变形提供了简单的理论计算方法。林晓庆[6]采用FLAC-3D进行数值模拟分析了矩形顶管施工引起的土体及邻近地下管线变形和应力分布特点。

本文以某过街通道项目（以下简称本工程）为例，采用Midas/GTS软件进行三维数值模拟方法，结合其他研究人员的结论进行验证，分析矩形顶管施工顶推力等对上部地表位移的影响，为今后类似工程设计施工提供参考。

1 工程概况

本工程于下穿道路南侧设置始发井，平面投影尺寸为9.4 m×9.2 m；北侧设置接收井，平面尺寸为5.5 m×8.6 m。顶进段全长44.9 m，矩形管片每节长1.5 m，共30节，管片断面净尺寸为5.5 m× 3.3 m（宽×高），壁厚500 mm，顶面覆土厚度为4.85 m。通道及管片示意图见图1、图2。

工程范围内土层分布自上而下依次为：1-1层杂填土，土质松软；2-2层粉土，中压缩性，工程地质特性较差；2-4层粉砂，中等压缩性，工程地质特性一般；3层粉质黏土，工程地质特性较好，5层中风化岩，工程地质特性好。各土层相应物理参数详见表1，新建顶管通道主要在粉土及粉砂层内顶进施工。

图1 通道平面位置示意图

图2 顶推管节断面图（单位：mm)

表1 土层及注浆材料物理参数

2 三维数值模拟

2.1 计算假设

参考其他研究人员对顶管施工的数值模拟研究工作[5-7],文中对计算模型做如下的假定:（1）土体为均质、各向同性、理想弹塑性体；（2）不考虑管道接头的影响，将其为各向同性的线弹性体；

（3）顶管正面推进力为矩形均布荷载，地层损失沿管道轴向均匀分布；

（4）顶管推进过程中不考虑土体时间效应，只考虑顶进空间位置的变化。

2.2 计算模型

分析采用Midas/GTS有限元分析软件，综合考虑本项目的范围，考虑三维模型尺寸为122 m（沿通道长度）×70 m（宽度）×29.7 m（深度），如图3所示。始发井、接收井结构、顶管管片材料参数等详见表2。

图3 分析模型示意图

表2 结构材料物理力学参数

2.3 计算工况

本次分析仅模拟顶管顶进施工过程，始发井及接收井在顶进前已施工完成。模拟分析时，通过激活、钝化不同区域单元模拟矩形顶管顶进过程，每顶进一节管片为一步施工工况。通过修改管片外一层单元参数来模拟管片外注浆。由于共顶进30节管节故本工程可分为30个推进步，结合初始阶段和最后机头进入接收井的施工，可将本工程分为32个施工工况。施工工况示意如图4所示。

图4 施工工况示意图

3 结果分析

3.1 地面沉降分析

顶管施工引起土体位移的主要因素有以下几种：（1）土体损失；（2）正面附加顶推力；（3）顶管机头、管片与土体间的摩擦力。其中正面顶推力对稳定顶进面，减小地面沉降变形尤为重要。根据土力学基本理论，开挖面土体的侧压力可取K0γh（K0为土体侧压力系数，一般可取0.5～0.7）。

选取正面顶推力为顶管中心深度土体侧向力0.7P（kPa），顶进22.5 m时（工况16，机头行至地面道路中心线处）沿顶进轴线方向地表沉降曲线如图5所示，根据曲线分析可知，地表沉降最大值约11.2 mm。顶进面前方约10 m，即约1.5D（D为管片长边尺寸）时地表土体受到扰动开始沉降，顶进面后方7.5 m（约1.2D）之后土体沉降基本达到稳定的最大值，可见土体在顶进面前后2.7D范围之内完成大部分沉降变形，后续随着顶进机头的远离，土体的沉降几乎不再有所变化，该影响范围较其他研究人员的结论[4，6]（约3D）相似。

图5 顶推力为0.7P时顶进至22.5 m处地表沉降曲线

为分析机头正面顶推力对沉降的影响，分别计算顶推力为0.5P、0.7P、1.0P、1.5P、2.0P时机头顶进至22.5 m处的顶管中心线上方地表沉降，如图6所示，顶进面后方土体沉降变形及沉降范围基本相似，但机头前方土体变形则有一定差异，放大该区域如图7所示。

图6 不同顶推力时顶进至22.5 m处地面沉降曲线

图7 不同顶推力时顶进至22.5 m处机头前方地面沉降曲线

由图7可知，在本工程中，当机头顶推力大于1.0P时，顶进面前方地表由于土体被挤压发生隆起，2.0P时隆起最大值约1.0 mm；当机头顶推力小于1.0P时，顶进面前方土体发生较大范围沉降，当选取顶推力为1.0P时，前方土体虽然也会发生沉降，但其沉降的范围仅为1.0D，较其他顶推力情况（1.5D～3.5D）为最小。因此对于本工程，为尽量减小顶推施工对前方土体的影响范围，选取顶推力为1.0P是合理的。

不同顶推力情况下，顶进面地表横向沉降曲线如图8所示。由图可知，不同的顶推力作用下，地面横向曲线的沉降最大值有所不同，但横向影响范围几乎一致，约为3.5D，这与其他研究人员的研究结果[6]相近似。

图8 不同顶推力时顶进至22.5 m处地面道路横向沉降曲线

3.2 地表水平变形分析

现阶段的研究更多地关注顶管施工对地表沉降的影响，对于地表的水平位移研究有限。当选用适当的顶推力时，地表会随着顶管施工的推进而发生沿顶进方向的水平位移，如图9所示。由图可知，顶管上部地表会由于顶管施工发生沿顶进方向的位移，变形曲线也近似于正态分布曲线，影响范围与地面沉降槽范围几乎相同，约为3.5D。

图9 顶进不同距离时22.5 m断面处地表沿顶进方向水平位移

提取22.5 m断面顶管中心轴上方地表点的位移随顶进过程的变化曲线如图10所示。可发现当顶管机头靠近该点正下方时，地表位移会发生与顶进相反的回缩。究其原因，当机头还未到达地表该点正下方时，该点的水平位移主要因逐渐靠近的机头顶进面的顶推力造成，而当机头到达并通过该点正下方时，由于切削土体以及土层损失的作用，地表发生向机头开挖面沉陷的位移，造成地表沉降的同时，发生与顶进方向相反的水平位移，待机头通过后管片开始在后座千斤顶的作用下推进，虽然有注浆等减阻措施，但地表土体仍然会受到管片的摩擦作用而产生沿顶进方向的水平位移。因此减小管片与土体之间的摩擦阻力是减小地表水平位移的重要措施。