顶管施工对相邻平行管线的影响研究

2020-10-13张俊诚

现代城市轨道交通 2020年9期

张俊诚

摘要：顶管施工是继盾构施工后逐步发展起来的一种地下顶管施工方法，顶管顶进施工会对周围的土体造成扰动并对临近管线产生影响，施工时应控制穿越过程中的地面隆起与顶管顶进的路线与变形，避免危及行车安全及周围建筑物。文章建立顶管-平行管线-土体情况下的 ABAQUS 模型，对平行管线水平与竖向位移大小进行研究，探讨顶管顶进过程中对地下管线的影响;同时对控制变形的措施进行探讨，以保证顶管顶进施工过程中无不良影响。

关键词：顶管施工;平行管线;施工影响

中图分类号：TU470

1 引言

顶管顶进施工是继盾构施工后逐步发展起来的一种地下顶管施工方法[1]。在施工过程中，土体的许多参数处于动态状态，土体流失和注浆压力、顶管与周围土体的摩擦、掘进机前方的附加推力等都会引起土压力和孔隙水压力的变化[2]，而且由于土体开挖导致土体应力释放，会引起土体发生位移。地面的位移以及地下土体的变形会影响到周边顶管，带动相邻的地下管线移动。顶管顶进过程中产生的附加应力会通过周围土体传递到相邻管线上，并对其产生侧向干扰，引起顶管顶进路线发生偏差，相邻管线发生相对水平与竖向偏移[3]。这一问题在软土地区更为严重[4]。

顶管顶进施工对临近管线的影响是一个复杂的动态三维过程，它的力学机理和环境影响可以采用现场测量方法进行研究。但因为监测方法和分析手段的限制，采用数值模拟方法研究顶管的相互干扰更得到学者的青睐。毕继红等[5]以深圳市轨道交通1号线二期工程为目标，探讨顶管施工对临近既有隧道产生的影响;徐迎伍[6]主要研究了管线受力，并对双线平行顶管施工中的接触压力、纵向轴向力、环向弯矩等进行了检测。

顶管施工引起的平行地下管线位移主要是水平向与竖向位移[7]，本文建立顶管-土体-平行管线情况下的ABAQUS模型，通过对平行管线水平与竖向位移大小进行研究，探讨顶管顶进时对周围土体产生的扰动以及对地下平行管线的影响规律，同时对控制变形的措施进行研究，给出相关施工建议。

2 顶管施工扰动机理

顶管施工时，掘进机前方土体承受挤压力，应力增大，土层应力状态变化相对较快，这是因为掘进机与后续顶进顶管的半径差异所致，当掘进机顶进后，顶管与土体之间会发生地层损失[8]。顶管施工过程中，随着顶管顶进距离的变化，相邻管线存在加压和减压2个阶次，加压过程中，顶管的推进和挤压使得相邻管线表面产生附加荷载，土体则为荷载传递的媒体，附加荷载的作用使得管线产生附加弯矩和挠曲变形;减压过程中，管线弹性恢复;加压过程主要对管线的挠曲产生影响[9]。图 1为顶管施工示意图。

周围存在既有管线情况下，顶管施工过程中相邻管线的应力应变状态相对复杂，施工中顶管需要错开一定的纵向间距，防止顶管顶进时土体扰动较大对相邻管线造成不利影响[10]。先施工的顶管叫先行管，会对土层造成初次扰动，使土体的原始状态被破坏，土体通过改变其应力应变状态达到新的应力平衡，并通过应力重分布对先行管产生反作用;后施工的顶管叫后行管，会对土体造成二次扰动，后行管施工使顶管周边土被压实，破坏了土体的二次应力平衡状态，土体通过應力重分布作用于后行管，并调节自身应力应变状态达到第三次应力平衡[11]。

顶管以土体作为传递媒介相互影响，因此需要处理好顶管、既有管线和土体三者的相互关系，才能够保证施工安全[12]。

3 计算模型及计算参数

顶管施工的数值模拟[13-17]主要包括土体及顶管材料的本构关系、地应力平衡、管土界面、土体损失和迎土面压力等。

3.1 基本假定

本文模拟顶管施工建模主要有下列假设：

（1）土体初始应力场均匀分布;

（2）不考虑地下水与地面累积荷载对顶管的影响;

（3）弹塑性材料均匀各向同性;

（4）不考虑土体固结引起的土体长期变形，仅考虑平行顶管中地面沉降;

（5）顶进力以圆形均布荷载的形式作用于掘进机前方的土体上;

（6）摩阻力沿顶管方向均匀分布;

（7）顶管沿直线顶进。

3.2 计算模型及参数选取

根据某实际工程，建立数值模型如图2所示。土体3个方向长度分别为40m×50m×25m，顶管半径1m，顶管长度23 m，相邻平行管线轴线至地面距离7m，顶管距平行管管线圆心净距6 m，掘进机长度3m。网格共划分79 280个单元，其中原有地下管线共划分912个单元。土体、掘进机与顶管材料力学参数如表1所示。平行管线常用材料为铸铁管、钢管和PVC管，材料参数如表2所示。本文使用单一变量法，模拟顶管分2次顶进、每次顶进1 m情况下对相邻平行管线的影响。

4 计算结果分析

4.1 顶管与管线距离对管线位移影响

计算中考虑平行管线为铸铁材料，顶管与平行管线圆心净距分别为6 m、7 m和8 m 3种条件下2次顶管顶进施工对平行管线的影响。顶管与平行管线不同间距情况下管线的水平（U1）与竖向（U2）位移云图如图3～图6所示。

从图3～图6中可以看出，顶管施工对平行管线的位移影响随着顶管与平行管线距离的增大均逐渐减小;在第1次顶管顶进且间距为6 m、7 m和8 m 3种情况下，管线的水平位移分别是5.39 mm、3.33 mm和0.28 mm，管线的竖向位移分别是4.34 mm、3.63 mm和2.40 mm;随着距离的增大，已有管线水平位移的衰减幅度明显大于竖向位移的衰减幅度，且水平位移幅值普遍大于竖向位移幅值，说明顶管与管线距离的变化对地下管线的水平位移影响要比竖向位移大。

4.2 不同管材对管线位移影响

计算中考虑管材分别为铸铁、钢管和PVC管3种情况下2次顶管顶进施工对平行管线的影响，顶管与平行管线圆心净距采用7 m。不同管材情况下管线的水平（U1）与竖向（U2）位移云图如图7～图10所示。

从图7～图10中可以看出，管线的水平位移与竖向位移受材料的影响同样较大。同种工况下， PVC 管线较其他2种材料管线出现较大的水平位移与竖向位移。在第1次顶管顶进结束后，铸铁管的水平与竖向位移为3.33 mm和0.38 mm，钢管的水平与竖向位移为4.35mm和0.38mm，PVC管的水平与竖向位移分别是4.60mm和0.45mm，放大了约39%和18%，这说明PVC管与铸铁管和钢管相比，与土体的变形协调能力最强，当其他条件允许时可以优先选用PVC管。

5 施工措施

（1）在顶管顶进施工过程中，为减少阻力，在顶管外壁刷石蜡和注浆，注浆应选用顶管专用的钠基膨润土。

（2）由于顶管周围土体被扰动过，加之掘进机自重较大，掘进机在出隧道时，容易产生“叩头”现象。一般采用如下方法避免这种情况发生：①在井点处进行降水加固洞周土体;②在工作井的轨道上接好第1个柔性接头，用拉杆与机头锁紧，增加整体刚度，并用葫芦链捆在轨道上;③在预留洞口破除一部分后，通过机头刀盘的旋转破除剩下部分，当达到合适的土压力时，再开始正常出土。

（3）掘进机出洞一定范围内，由于正面土压力大于摩擦阻力，需要在导轨和钢管上焊接防倒退装置，或者在工作井壁两侧的预埋件上架设活动斜顶撑，避免油缸回缩下管时发生的“倒退”现象;施工场地的土质不均匀和频繁的施工纠偏，容易造成路径屈曲及机身“自转”现象。为此应做到：①操作人员初期每天至少对预顶进轴线复核1次，后期每天确保复核2 次，保证掘进机头顺利进洞;②在机头前面正中心挂一线锤，配合仪表进行正确判断;③及时通过刀盘转向控制机身自转的角度;④按照规范要求进行设备安装，特别是油缸的安装一定要做到精益求精。

6 结论

（1）顶管施工会对管体周围的土体造成扰动并对临近的管线产生影响。顶管施工引起的相邻管线移动具有空间性，产生的纵向位移很小，主要是水平向与竖向位移，且一般情况下水平位移大于竖向位移。

（2）顶管与相邻管线距离的大小是影响土体与相邻管线位移大小的原因。一般情况下，顶管施工对相邻管线的位移影响随着顶管与相邻管线距离的增大而逐渐减小，距离的变化对相邻管线的水平位移影响要比竖向位移大。

（3）管线材料同样也是影响土体与相邻管线位移大小的重要原因。研究表明，当管线弹性模量较小时，管线与土体会具有比较良好的变形协调能力，因此，在条件合适的情况下可优先选择PVC管材。

参考文献

[1]李晋.市政给排水长距离顶管施工技术研究[J].技术与市场，2020，27（3）：81-82.

[2]吴发展.顶管施工关键技术研究及中航支线工程实践[J].广东土木与建筑，2019，26（5）：72-76.

[3]刘作荣.市政地下工程的顶管施工分析[J].建筑技术开发，2019，46（3）：106-107.

[4]靳炳强.软土富水地区矩形过街地道盾构顶管法施工关键技术[J].铁道建筑技术，2018（9）：84-88.

[5]毕继红，江志峰，常斌.近距离地铁施工的有限元数值模拟[J].岩土力学， 2005，26（2）： 277-281.

[6]徐迎伍.平行顶管顶进施工的相互影响与设计方法和施工工艺的优化研究[D].上海：同济大学，2000.

[7]尹亚虎.顶管施工中的难点问题及技术处理措施[J].江苏科技信息，2017（11）：54-55.