软土地区顶管电缆隧道施工过程对邻近结构影响研究

马险峰， 陈 飞， 吴 冰， 胡 超， 曹明洋

(1. 同济大学 a. 土木工程学院；b. 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；2. 喀什大学 土木工程学院, 新疆 喀什 844006；3. 国网浙江省电力有限公司经济技术研究院，浙江 杭州 310008)

近年来，随着我国城市化进程不断加快，用电负荷逐年增加，传统的输电设施已不能满足经济发展需求。大直径顶管电缆隧道不仅能显著提高电缆线路的输送能力，而且有利于城市土地资源的充分利用，是解决城市内大容量电力输送的有效形式，已经被广泛地应用于我国的城市电网建设中[1～3]。顶管在软土地层中施工不可避免的会造成地层扰动，而电缆隧道建设往往需要穿越密集的建筑物群和既有的城市地下管线。因此，顶管电缆隧道施工时尤其需要考虑其对邻近建筑结构的扰动影响。国内外关于顶管隧道施工对周围环境造成的扰动做了大量的影响因素分析和数值模拟研究，并发表了相应的科研成果[4～9]。姜忻良等[10]建立了结构-土体-隧道的有限元模型，得出建筑物基础沉降主要发生在地铁隧道穿越建筑物的区间段内。张顶立等[11]通过数值模拟方法得出地层损失是隧道开挖引起地层变形的主要原因。魏纲等[12]采用三维有限元方法分析了隧道施工引起的相邻地下管线的变形和受力，同时研究了路面、管线材质、管线埋深等因素对地下管线位移的影响，并与实测值进行比较。但是，以上研究成果关于采用土工离心机的研究还不多见，而且现有研究也缺乏对于不同工况下顶管电缆隧道施工对邻近浅基础建筑物和地下管线扰动影响的系统讨论。本文以上海地区软黏土为例，采用离心模型试验和有限元数值方法开展了不同工况下顶管电缆隧道施工对浅基础建筑物及地下管线的影响研究，研究成果将为顶管电缆隧道的建设提供一定的参考依据。

1 不同地层损失率工况的离心模型试验

地层损失是隧道开挖引起地层变形的主要原因[11,13]。本节采用离心模型试验，通过排液法模拟不同地层损失率下顶管电缆隧道施工对邻近浅基础建筑物和地下管线的扰动影响规律。

1.1 试验工况

本试验在同济大学的TLJ-150复合型岩土离心试验机开展。试验时，在隧道模型外面包裹乳胶膜并注入重溶液(选用饱和ZnCl2溶液，密度可达到1.7 g/cm3)，通过乳胶膜中重溶液的排出模拟地层损失的发生。通过查阅相关文献结合工程实践，现阶段顶管施工产生的平均地层损失率约在1%～3%范围内[14]。因此，本次试验分别设置了地层损失率为1%，2%，3%的三个施工工况，通过离心模型试验测定不同地层损失率下顶管电缆隧道施工对邻近普通砖混建筑物、铸铁管线及混凝土管线的扰动影响。试验前先测出乳胶膜厚度与液缸内部的截面积，这样试验时模型的排液量和注浆量就可以通过液缸活塞杆的运动距离来控制。试验中，测量数据包括地表沉降、建筑物沉降、既有铸铁/混凝土管线变形。地表沉降和建筑物沉降采用激光位移计测量，管线变形采用应变片测量然后积分得到。

1.2 模型设计和制作

模型箱的尺寸为500 mm(宽)×800 mm(长)×500 mm(高)，试验模型布置及构件详图如图1所示。

图1 试验模型布置图及构件详图/mm

1.3 隧道、建筑物和管线模型设计

采用铝合金空心管模拟隧道结构，试验中相似比N=50，根据等效刚度原理[15](式(1))，可得出试验结构材料参数(表1)。需要注意的是，在进行模型隧道设计时，使用材料为均质铝合金圆筒，而实际工程中的隧道存在纵向和环向接缝，因此模型试验得出的隧道模型内力会比实际工程中隧道的内力要大，其纵向变形要比实际隧道更均匀。

表1 模型参数

(1)

式中：Em，Ep分别为铝板基础模型和原型基础的弹性模量；vm，vp分别为铝板基础模型和原型基础的泊松比；tm，tp分别为钢板基础模型和原型基础的厚度。原型基础的Ep为25 GPa，tp为200 mm，vp为0.2；钢板基础模型的Em为207 GPa，vm为0.29，计算得到铝板厚度tm为1.95 mm，取2 mm。

1.4 实验步骤

为了保证在离心机中固结时隧道周围溶液延长度方向能均匀分布，将乳胶套延隧道长度方向均分为两段，每段长为220 mm。已知顶管管节模型外径为60 mm，乳胶膜直径为70 mm，可得出1%，2%，3%这三个地层损失率对应的每个乳胶套需要累计排出液体量分别为8.5，17，15.5 mL。试验中共布置了两个电磁阀，用来控制两个乳胶套中液体的流出。试验详细步骤如下：(1)模型箱填土，安装并固定好新建隧道后覆土固结；(2)埋设地下管线和安装建筑物模型并固结；(3)打开第一个乳胶膜电磁阀，启动电机，通过电机运动时间换算得排液8.5 mL时依次关闭电机和电磁阀；(4)打开第二个乳胶膜电磁阀，启动电机，通过电机运动时间换算得排液8.5 mL时依次关闭电机和电磁阀；(5)测定既有管线应变值和建筑物四个角点沉降值，固结一段时间后再测量，得出地层损失率为1%情况下顶管施工对邻近建筑物和既有管线的影响；(6)重复以上步骤，得出地层损失率为2%和3%情况下顶管施工对邻近建筑物和既有管线的影响，试验模型如图2所示。

图2 试验模型

1.5 试验结果和结论

通过对位移计数据和应变片数据进行处理，得到以下试验结果：

(1)地表沉降和建筑物不均匀沉降

地表沉降由试验前后对应位置激光位移计示数差换算得到(图3)，建筑物不均匀沉降由靠近隧道面底板和远离隧道面底板激光位移计示数差换算得到(图4)。由图3可知：距隧道中轴线距离为0时，地层损失率为1%，2%，3%的工况下地表分别沉降了3.6，5.2，7.5 mm。这表明随着地层损失率的增大，地表沉降显著增大(如地层损失率为3%的工况是地层损失率为1%工况地表沉降的2倍)，这与文献[16]中报道的现场测试结果一致；不同地层损失率工况下的地表沉降均随着距隧道中轴线距离的增加而减少。如距隧道中轴线10 m时，地层损失率为1%，2%，3%的工况下地表分别沉降了2.0，3.0，4.1 mm，较距隧道中轴线0时地表沉降分别下降了44.4%，45.3%。由图4可知：地层损失率为1%，2%，3%的工况下建筑物不均匀沉降分别为8.7，9.7，10.3 mm。这表明随着地层损失率的增大，建筑物沉降不断增大。

图3 不同地层损失率下地表沉降

(2)地下管线变形曲线

地下管线变形曲线由应变片数值积分得到。通过对应变片原始数据进行整理分析，得到不同地层损失率条件下顶管隧道开挖对混凝土管、铸铁管的扰动影响规律，计算结果如图5，6所示。

图5 不同地层损失率下混凝土管线变形曲线

由试验结果可知：随着地层损失率的增大，铸铁管和混凝土管竖向变形均显著增大，但铸铁管的竖向变形小于混凝土管。如管线距隧道中轴线距离为0时，地层损失率为1%，2%，3%的工况下，混凝土管线变形分别为0.8，1.2，1.8 mm，而铸铁管线变形分别为0.6，0.9，1.3 mm。这也说明了地下管线刚度的增加可以有效减小邻近顶管隧道施工的扰动影响。

图6 不同地层损失率下铸铁管线变形曲线

2 顶管隧道施工对邻近结构影响的数值模拟分析

本节采用PLAXIS 3D2016有限元分析软件进行软黏土地层顶管电缆隧道施工对邻近建筑物和地下管线扰动影响的数值计算分析，研究顶管电缆隧道施工过程中电缆隧道管径、地层损失率、电缆隧道与建筑物、管线之间的间距等参数对邻近浅基础建筑物及地下管线的扰动影响规律。

2.1 数值模型的建立与计算参数选取

建立顶管电缆隧道-土体-浅基础建筑物和顶管电缆隧道-土体-地下管线的共同作用模型，并在模拟中作以下假设：(1)模型中的每层土体各向同性，且都遵循D-P(Drucker-Prager)准则；(2)不考虑顶管机头和管道连接处的影响，认为管道的材料为各向同性的线弹性体；(3)正面顶推力的加载面与工具管的切削面大小相同，并且顶推力均匀分布在这个圆面上；(4)在顶管施工模拟过程中不考虑土体变形的时间效应，仅仅考虑顶进空间距离上的变化；(5)不考虑施工前土体自重应力产生的变形；(6)地下管线与土体始终保持接触，不发生相对滑动。

模型中土体的几何宽度和深度x向和y向分别取80，40 m，以减小边界效应对模拟计算的影响。土体模型的顶面为自由面无约束，底部施加完全固定约束，两侧竖直边界施加滑动约束。本次数值模拟拟采用HSS(Hardening Small Strain)小应变硬化模型来模拟土体的变形特性，建筑物、顶管电缆隧道和地下管线采用线弹性本构模型。本次数值模拟采用上海交通大学测定的上海地区软黏土参数，见表2。电缆顶管隧道、建筑物和地下管线的计算参数分别见表3～5。

表2 土层参数

表3 建筑物参数

表4 顶管电缆隧道参数

表5 地下管线参数

2.2 数值模拟工况和结果分析

2.2.1 地层损失率的影响

本次数值模拟工况：顶管电缆隧道模型的直径为3 m，埋深为5 m，管节为3 m，总顶进距离为33 m，管道周围摩阻力取3 kPa，机头压力和注浆压力都取管道中心处静止土压力119.6 kPa。分别取地层损失率为1%，1.5%，2%，2.5%，3%五种工况下顶管电缆隧道开挖对邻近浅基础建筑物和地下管线的影响规律开展数值模拟研究。数值计算得到曲线如图7，8所示，数值计算结果表明：在地层损失率为1%～3%范围内，随着地层损失率的增加，建筑物不均匀沉降和管线竖向位移最大值皆逐渐增大，且数值模拟的计算结果与前述的离心试验结果趋势一致。

图7 建筑物不均匀沉降与地层损失率关系曲线

图8 管线竖向位移最大值与地层损失率关系曲线

2.2.2 电缆顶管隧道与建筑物、地下管线之间间距的影响

本节首先模拟了浅基础建筑物与顶管电缆隧道轴线距离分别为1，2，3，4，5，7，10，15，20 m九种工况来探究顶管电缆隧道与建筑物之间的间距对邻近浅基础建筑物的扰动影响规律；然后模拟一条直径为1 m且平行于顶管电缆隧道的地下管线距离顶管轴线距离分别为0，1，2，3，4，5，6，9，12 m的九种工况来探究顶管电缆隧道与地下管线之间的间距对管线的扰动影响规律。其他设置参见上节，计算结果如图9～12所示。其中建筑物的整体沉降用基底四个角点的平均竖向位移表示，沉降差用建筑物平行于隧道方向上两条边界基底上对应两组角点的沉降差来表示。由图9，10可知：该建筑物距离顶管电缆隧道轴线距离越远，建筑物整体沉降和沉降差均越来越小；建筑物距离顶管电缆隧道轴线距离5 m以内时，距离越近，整体沉降和沉降差均显著增加；建筑物距离顶管电缆隧道轴线距离大于10 m以后其整体沉降和沉降差都趋于稳定且数值很小。由图11可知：地下管线距离开挖顶管电缆隧道越远，地下管线的沉降量越小，且在4 m范围内，地下管线离隧道轴线越近，沉降量增加越显著。由图12可知：地下管线距离开挖顶管电缆隧道水平距离越远，被其引起的弯矩值越小，且在9 m以后管线内力趋于稳定。

图9 建筑物整体沉降随距离隧道间距的变化规律

图10 建筑物沉降差随距离隧道间距的变化规律

图11 地下管线沉降随距离隧道间距的变化规律

图12 地下管线弯矩随距离隧道间距的变化规律

2.2.3 顶管电缆隧道管径的影响

本节分别建立浅基础建筑物、地下管线距离顶管电缆隧道轴线距离为2 m的数值模型，设置顶管电缆隧道管径分别为2，2.5，3，3.5，4 m五种工况来探究顶管电缆隧道施工时隧道管径对邻近浅基础建筑物和地下管线的扰动影响规律，计算得到的关系曲线如图13，14所示。数值计算结果显示：随着顶管电缆隧道管径的增大，其开挖时造成的邻近浅基础建筑物差异沉降和邻近既有地下管线的变形增大，且随着顶管隧道管径的增加，对邻近浅基础建筑物和既有地下管线的扰动影响显著增加。

图13 建筑物差异沉降与顶管电缆隧道管径关系曲线

图14 管线竖向位移最大值与顶管电缆隧道管径关系曲线

3 结 论

本研究通过离心试验和有限元数值计算方法对建筑物和地下管线邻近进行顶管隧道施工时产生的扰动影响进行分析，得出以下结论：

(1)顶管电缆隧道施工时，随着地层损失率的增大，邻近浅基础建筑物不均匀沉降和地下管线竖向位移皆增大，且大刚度的地下管线相较于小刚度的地下管线扰动影响更小。

(2)开挖的顶管电缆隧道管径越大，邻近建筑物的不均匀沉降和既有地下管线变形越大，且随着管径增加，对邻近建筑物和地下管线的影响显著增加。

(3)顶管电缆隧道施工时，地下管线的沉降量、邻近建筑物的整体沉降和沉降差都随着距顶管隧道轴线距离的增大而减小。建筑物的整体沉降随间距变化相对均匀，建筑物的沉降差和地下管线的沉降量分别在大于10，9 m以后趋于稳定，而间距在5 m以内时，距离越近，整体沉降和沉降差均显著增加。