圆形顶管施工对土体上方道路变形影响研究

2021-12-24重庆铁路投资集团有限公司杨甲锋

人民交通 2021年19期

重庆铁路投资集团有限公司 / 杨甲锋

综合管廊是建于城市地下用于容纳两类及以上城市工程管线的构筑物及附属设施，其建设和使用有利于减少城市道路的重复开挖，节约地下空间并延长管线的使用寿命。在管廊建设中，为了避免对城市交通环境造成过大影响，常采用非开挖顶管法施工。在顶管施工过程中，预制管节随掘进机的开挖一起向前顶进，管道与周围土体之间会产生挤压和剪切摩擦作用，导致土体的原始应力状态发生变化，使得原状土经历了挤压、剪切、扭曲等复杂的应力路径，从而引起土体变形甚至破坏。目前顶管工程的研究多局限于对实际工程的监测、试验及数值研究，数值研究能对实际顶管施工过程进行有效模拟计算，提前预演施工可能带来的影响。

本文对某项目顶管施工进行数值研究，基于土体的理想弹性本构模型，建立了管道-土体有限元模型，以顶进深度为变量，设置不同工况分别计算顶管施工各阶段土体变形情况，系统分析了圆形顶管施工对土体上方道路变形的影响。

一、工程概况与理论基础

某220kV输电线路采用地下电缆敷设，其在穿越绕城高速时采用顶管方案，顶管长度94m，顶管采用DRCP III 2000×2000GJC/T640-2010型顶进施工法用钢筋混凝土排水管，顶管长度94m，埋管深度6.56m，套管内径2m，外径2.4m，壁厚0.2m。采用商用有限元软件ANSYS对顶管施工过程中的土体扰动进行分析，分层土体、路基均采用Soild187单元模拟，分层土层之间采用接触单元的方式传递内力和变形。对于边界约束，采用左右两侧不发生水平位移，下部边界设竖向约束，上部边界为自由边界。有限元计算范围取宽50m、高25m、纵向100m、顶管深6.56m。为计算不同顶进长度时土体扰动规律，得出最不利工况，计算时以顶进深度为变量，将动态顶管施工过程划分为若干个工况进行静力求解，分别计算各工况时的土体变形情况，以近似模拟顶管施工过程。

顶管施工中，需要根据管径、顶进总长度、顶管机型号及顶进土质，估算顶管需要的总顶力。本文根据《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008），顶进力按下式计算：

二、土体扰动范围的经验公式

参照盾构隧道的理论研究成果，基于松散体卸荷理论，此时的顶管施工横向沉降宽度可按下式计算：

Peck基于地表下层槽体积等于地层损失体积的假定提出了盾构法施工的地表沉降横向分布估算公式，房营光等提出了虑扰动区土体密实度变化影响的修正公式，如下所示：

为了计算地表沉降，需确定隧道单位长度上的土体损失量，单位长度土体损失量可按下式计算：

三、土体扰动结果

提取表层土体、路基节点位移结果，并以顶进方向为横坐标绘制表层土体最大沉降和隆起，结果如图1所示。由图可知：随着顶管顶进距离增加，土体隆起和沉降量增加，最大隆起出现于顶管机机头附近，机头后一定距离出现最大沉降；随着顶管顶进距离增加，路基隆起和沉降量增加，最大隆起出现于顶管机机头附近，机头后一定距离出现最大沉降，当顶管穿越路基下方时，路基变形较为明显。

图1 (a)顶进距离—表层土体变形量关系；（b）顶进距离—路基变形量关系

提取表层土体、路基位于顶管正上方节点的竖向位移，并以顶进方向为横坐标绘制纵向上的节点竖向位移，如图2所示。由图可知：当顶管机头首次抵达路基下方时，路基沉降量达到最大，且沉降量随着顶进距离的增加而减小；同一工况下路基最大隆起出现在机头前方约5m处，且随着顶进距离增加，路基最大隆起量逐渐增加。

图2 (a)表层土体纵向变形；（b）路基纵向变形

提取表层土体节点位移结果，并以垂直顶进方向为横坐标取部分工况绘制表层土体最大沉降、隆起变形量，如图3(a)所示。由图可知:顶管施工时，横向距离10m以内的土体变形较为明显，超出10m范围后，土体变形程度显著降低。假定土体变形0.3mm以下时顶管施工对土体无扰动，得各工况土体扰动横向影响范围如图3(b)所示。由图可知：在横向上，沉降影响范围最大出现在顶管施工初期，而隆起影响范围最大出现在顶管施工后期。造成上述现象的原因是随着顶管施工的进行，土体沉降逐渐减小而作用在机头的土压力逐渐增大。