顶管施工对直立式边坡稳定的影响

马煜佳，郭梦圆，郭林林

(1. 中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230；2. 水利部珠江水利委员会技术中心， 广东 广州 510611)

1 概述

顶管施工作为一种非开挖式的施工方法，由于具有可穿越障碍物、对地面交通影响小、建筑公害少、施工工期短等特点而被广泛应用于目前市政、水利工程的管道铺设之中[1]。但当顶管穿越河堤、公路、桥梁等建筑物下方时，一方面由于开挖顶进过程中不可避免的会对土体产生扰动；另一方面由于超挖及纠偏导致了土体损失，因此，施工可能会造成地面沉降，结构失稳等不利影响[2]。目前，国内大量研究工作主要集中在顶管施工引起的土体沉降变形方面。如邓根等基于广州某地铁工程实测资料，提出了用于预测隧道开挖引起的地表沉降的修正Peck公式[3]。陈小丹等通过MIDAS GTS软件，探究了污水顶管对供水渠沉降的影响[4]。曹宇春等通过ABAQUS软件，探究了不同摩阻力及支护压力对地面沉降的影响[5]。廖建三等通过ANSYS软件，研究了顶管材料及直径的差异对地面沉降的影响[6]。王晓凡等通过FLAC3D软件，模拟了顶管施工顶进过程中不同位置土体的位移变化规律[7]。

当顶管穿越堤坝时，其造成的土体损失与扰动会改变土体的应力状态，导致土体内部某一面的剪应力增加或土体本身抗剪强度的减小，使得土体从高处向低处滑动的趋势变得更加明显[8]。因此，为确保整个堤防的安全，有必要对顶管穿越对堤坝边坡稳定的影响进行研究。

本文以广州市白云区某净水厂污水管道的顶管施工为例，采用有限元分析方法，探究顶管施工对边坡稳定的影响，为今后类似工程施工提供参考。

2 工程背景

2.1 工程概况

广州市白云区某净水厂配套主干管网工程采用泥水平衡式顶管施工法，排污管管底设计标高约为-2.15～0.56 m，埋深约为6.35～10.40 m，管轴线距堤前沿为5～6 m。顶管机外径为1 860 mm，管材采用钢筋混凝土管，管道内径为1 500 mm，壁厚为150 mm，单节管长为2 m，接口采用柔性接头F型钢承口。顶管从现有河堤下部穿过，堤防等级为4级，设计防洪标准为20年一遇。工程断面及各部分尺寸见图1。

2.2 工程地质情况

根据区域地质调查和钻孔揭露，场区内主要土层物理力学指标见表1。

图1 工程典型断面示意(单位：m)

表1 土层物理力学性质指标

3 数值模拟

3.1 模型建立

由于本文重点分析施工完成后的边坡稳定情况，因此，采用ABAQUS软件建立二维平面应变模型。土层深度为17.4 m，宽度方向为60 m，采用Mohr-Coulomb弹塑性模型。管道弹性模量为35 GPa，泊松比为0.18，容重为25 kN/m3；管道与土体之间的注浆层弹性模量为0.3 MPa，泊松比为0.48，容重为20 kN/m3；挡墙弹性模量为4.9 MPa，泊松比为0.21，容重为22 kN/m3；桩土结合部分采用复合地基抗剪强度指标，其中素填土层c、φ值分别为10.5 kPa、8.4°，淤泥质粘土层c、φ值分别为11.6 kPa、8.1°。模型的边界条件：上表面为自由面，用以模拟地面，左右两侧边界限制水平位移；下表面限制水平及竖向位移。采用结构网格划分方法，模型中间网格较为密集，边缘网格较为稀疏，模型网格划分示意如图2～4。

图2 模型整体网格

图3 管道及注浆层

图4 挡墙及下部基础

3.2 研究方法

1) 采用生死单元法模拟土体开挖

最初将需要开挖的土体单元处于“生”的状态参与地应力平衡，而后将其“杀死”并将注浆层及管道单元激活用以参与后续计算。

2) 通过注浆层模拟地层损失

目前，对于土体损失的模拟主要有两种方式：① 通过边界单元模拟地层损失，即在边界单元上用指定平移的方式模拟地层损失引起的土体移动；② 通过调整注浆层的厚度模拟地层损失，本文采用后者。工程中一般认为土体损失量Vloss=πR2η，其中R为开挖半径，η为土体损失率[9]。韩煊等通过数据统计，得到η的范围总体在0.22%～6.9%之间[10]；魏纲等整理了国内27个工程实例，得到η的分布范围主要在0.773%～7.712%之间[11]。在本文依据经验取2.5%，由此得出土体损失约为5 cm。

3) 使用强度折减法得到安全系数

有限元强度折减法在计算边坡稳定时运用的极为普遍，其基本原理为在保持外荷载不变的情况下，通过折减系数的变化，降低土体的c、φ值，最终使土体达到屈服破坏，此时的折减系数即为传统意义上的安全系数[12]。

4 数值模拟结果分析

4.1 施工前后边坡稳定变化

分别建立施工前、后对比模型，对施工前模型进行地应力平衡、强度折减；对施工后模型进行地应力平衡、施工开挖、强度折减。从图5中可以看出，开挖后地面沉降的模拟值与实测值的沉降规律相同，说明用本文研究中采用的建模方式是相对合理的。相比较而言，地表沉降实测值总是大于模拟值，其原因可能为施工现场车辆等临时荷载对沉降的影响。

图5 沿顶管横断面地表沉降模拟值与实测值比较

图6为在ABAQUS强度折减分析中得到的Fs～U1曲线(Fs为安全系数，U1为水平位移)。从图6中可以看出，2条曲线均存在明显的拐点，即在某一时刻，土体出现塑性贯通区，导致位移迅速增加。开挖前、后拐点位置对应的Fs值分别为1.49和1.41，说明顶管施工会导致安全系数系数的下降，对边坡稳定产生不利影响。

图6 开挖前后有限元模型的Fs～U1曲线

为进一步探讨不同因素对边坡稳定的影响，本文在后续研究中采用单一土层参数进行影响因素分析。地下土层是复杂不均匀的，若变化管道位置，可使其处于不同的土层中，因此，在进行影响因素讨论时，为了便于变量控制，消除因土体变化导致的结果差异，将土体简化为1层，采用表1中淤泥质粘土的参数进行建模计算。

4.2 土体损失对边坡稳定的影响

控制管道尺寸不变，土体损失率分别取2%、4%、6%、8%、10%、12%进行对比分析，变化趋势如图7所示。从图7中可知，安全系数随着土体损失率的增大而减小，当土体损失在4%～8%区间内时曲线斜率较大，说明此时安全系数降低的较快。曲线中安全系数最小值较初始值降低约7.3%。

图7 安全系数随土体损失的变化

4.3 管径对边坡稳定的影响

控制土体损失率不变，管道直径分别取1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m建模计算，得到管径对边坡稳定的影响如图8所示。随着直径的增加，安全系数逐渐降低且有减小速度加快的趋势。管径为4 m时的安全系数相较于管径为1 m时的安全系数降低约6.9%。

图8 安全系数随管道直径的变化

4.4 管道埋深对边坡稳定的影响

管道埋深分别取2 m、3.5 m、5 m、6.5 m、8 m、9.5 m、11 m进行建模分析，埋深不同导致的边坡稳定变化如图9所示。随着管道埋深的增加，安全系数首先缓慢减小，在深度为4～6 m的位置附近时减小速度加快，达到最小值后又逐渐增大到原始值附近，总体呈现先减小后增大的趋势。从图10中可知：管道附近的滑弧深度为5 m左右，由此可知在滑弧附近开挖管道对边坡稳定的影响较大，安全系数降低约11.4%。当埋深较小或较大时，对边坡稳定产生的影响较小。

图9 安全系数随管道埋深的变化

图10 有限元强度折减法土体位移示意

4.5 管道水平位置对边坡稳定的影响

管道距前沿的水平距离分别取4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m进行建模分析，得到如图11所示的曲线。从图11中可知：安全系数随着水平距离的增大而增大，即越远离滑弧区域顶管开挖造成的影响越小，距前沿4 m处较14 m处安全系数降低约10.7%。

图11 安全系数随管道水平位置的变化

5 结语

国内诸多学者对顶管施工影响的论述，主要集中在土体沉降规律方面，本文采用有限元软件ABAQUS建模,分析其对边坡稳定的影响，并通过变量控制探讨不同因素的影响规律。通过研究得出以下结论：

当土体损失率小于4%或大于8%时，安全系数降低的较为缓慢，而当损失率处于4%～8%之间时，安全系数降低较快，因此，施工中应尽量将损失率控制在4%以内。

随着管径的增大，安全系数降低的速度加快，说明管径越大对边坡稳定造成的不利影响越明显，因此，相较于小直径管，当采用大直径管道时更应关注边坡稳定情况。

通过变化管道的水平位置和埋深，发现当管道处于滑弧面附近时，对边坡稳定的影响较大，安全系数降低达到10%以上，距离滑弧面越远，则影响越小。因此，设计管道时应使其尽量避开滑动剪切面。