顶管下穿公路段地层变形研究

冯 凯 孟晓风 程思悟 胡建林

(1.河北建筑工程学院土木工程学院，河北 张家口 075000；2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000)

0 引 言

随着对地下空间的开发利用和快速发展，运用顶管法施工的工程越来越广泛，在减少了开挖工作量的情况下就能修建铁路等交通设施的特点，作为非开挖施工工艺不仅节约预算取得良好的经济效益，而且在一定程度上减少工期保证城市建设的有序进行.这种施工技术早在20世纪初美国铁路工程中，顶管机形从手动式发展到机械式，应用于工程中发挥了很高的水平.

在国内外专家学者对顶管施工做出了大量的研究中，张建安[1]以某施工街道作为研究对象并采用数值模拟来研究顶管法施工中不同顶推力和摩阻力对土体变形的影响，而后者的影响扰动范围更大，为控制地表变形可采用注浆来减少管片对管道周围土体的摩擦；张宇[2]等以某地顶管施工项目为背景下，分析得到顶进时先行顶管和后续顶管受管道距离、管道个数等条件都会对施工过程造成影响，且当顶管间距影响范围以内时要考虑放大效应；王源容[3]等收集了顶管技术百来年的发展过程中，顶管新工法和新设备都促进了顶管技术有了飞快发展.方恩权[4]等为防止土体下陷，在Peck公式修正的基础上对地表进行监控量测.

本文研究以顶管下穿公路为背景，对工程的各项参数通过理论计算的数据进行对比，考虑不同顶推力、不同摩阻力和不同埋深等因素的影响来分析顶管施工顶推力产生的地表沉降，并采用FLAC3D进行数值模拟的方法进行研究，得出地表位移的规律曲线和影响范围，总结开挖位置对地表沉降的影响规律，对实际顶管施工工程具有一定的参考意义，所造成的环境危害提出建议做出有效控制措施.

1 模型的建立

1.1 计算模型

采用FLAC3D数值模拟软件对顶管下穿公路施工进行模拟.对于地下隧道工程通常会涉及到半无穷或无穷大区域，但采用有限元解决时要化为有限域离散问题.

研究表明，顶管法施工时造成的地表土层位移类似于隧道开挖，施工时所引起的土层变形和应力影响在3d～5d范围内(d为顶管的洞径)，因此为满足精度确保工程安全性和有限元差分法模拟分析，在隧道和顶管施工中，研究地表变形的区域一般以顶管圆心中轴线为原点向左右两边扩张3倍到5倍的洞径范围.

综上研究，模型建立区域以上部地表为自由面并沿路基方向为X轴，开挖水平X方向的管道外径到模型边界的长度，即顶管左右两边长度各为3倍洞径(11.5m)，根据埋深程度减少误差影响确定高度并沿竖直高度为Z轴，开挖垂直Z方向管节底边缘到模型边界的长度，即顶管下方为3倍洞径(11.5m)，根据每个管节3m的长度确定施工方向为30m，每次顶进3m十次完成并沿此开挖方向为Y轴.建立的模型尺寸为23m×30m×18m(X×Y×Z)；管道为shell单元.如图1所示.

图1 计算模型

1.2 材料参数

结合公路路基参数《公路设计规范》选取[5]，由工程的施工勘测结果，顶管顶进不同地层时的围岩也有所差别，土层均为线弹性材料进行模拟，选为两种工况.数值模型计算参数见表1.

表1 数值模型计算参数

1.3 理论研究

R.B.Peck[6]是最早使用经验公式方法来研究顶管施工所造成地表沉降并得出变形规律的代表，通过对实际隧道施工检测，认为可以用倒立的正态高斯分布来近似表示地面沉降曲线图，从而提出了地面沉降经验公式——Peck公式[7-10].地表沉降程度用Peck曲线来表示.

(1)

(2)

(3)

式中，S(x)为某一点与隧道轴线的水平距离为x的最终沉降值，mm;Smax为隧道轴线以上最大地面沉降量，mm；x为距离隧道轴线横向水平距离，mm；i为地基变形沉降槽的宽度系数；VL为单位长度地表变形槽的地层损失，mm2；R为隧道半径(mm)；H为覆盖隧道轴线到地面的土体厚度，mm；N为参数，取值0.8-1.0，软土取值一般较大.

1.4 数值模拟基本假定

该模拟运用三维有限元分析软件研究顶管施工对土体变形的影响规律并是建立在基本假定的基础上.基本假定如下[10]：

(1)土体地层为均匀、连续性材料；

(2)在顶管顶进时不考虑土体自重变形对施工的影响；

(3)掘进过程中机头强度远大于土体强度，忽略掘进机头影响和被卡住的偶然现象；

(4)假设顶进推力为均布荷载；

(5)忽略顶进管间接头影响且为各向同性材料；

(6)不考虑时间效应顶管顶推力对土体的影响.

2 计算结果分析

本节采用三维有限差分软件建立顶管下穿公路段地层变化分析模型，结合相关工程规范，研究了顶管施工的底层变化规律，深入分析了不同管道埋深、围岩等级对地层变形的影响.

2.1 顶管埋深对地面变形的影响分析

本文模拟圆形顶管在顶推力的作用下，根据结构受力和材质特性并结合相关规范，研究施工过程中地表变化规律.其中管道埋深程度是影响变形的重要因素，以Ⅲ级围岩为例，将管道分别埋深5m、7m、9m时，来计算分析其对地层位移变化值，如图2表示.

图2 地层位移云图(不同埋深)

由图2可知，管道的埋深会造成不同程度的地表变形，且影响较为明显，在其他施工工况条件不变的情况下，顶管埋置越深对地面扰动就会越小，曲线沉降槽的宽度不断加大，地面沉降值不断减小，即管道埋深与地面沉降值呈反比.埋深为5m、7m、9m时地面下陷的最大值也在不断增加分别为10mm、12.5mm、14.9mm；地表隆起规律也很相似，最大值分别为10.14mm、12.73mm、15.41mm.

由模拟发现沉降最大、最小值都分别在顶管的拱顶和拱底.对图3曲线图分析，分别设定为5m、7m、9m的管道埋深时，路基正中心点的沉降最大值分别为2.25mm、2.02mm、1.87mm.通过数据得到，随着管道埋深的不断增大，土体自重越来越大，开挖施工时对路基的扰动范围增加,但影响程度逐步减小.

图3 路基中心轴线沉降图(不同埋深)

2.2 围岩等级对地面变形的影响分析

对于不同围岩等级的顶管施工会对上部路基变形产生影响，围岩不同土体的弹性模量也不同，弹性模量是重要的材料参数，是用来检验材料抗弹性变形能力的重要指标，基于建立的有限元模型，在埋深5m且顶进18m的情况下，分别模拟Ⅲ级围岩、Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩时的地面沉降位移值.如图3所示.

图3 地层位移云图(不同围岩等级)

由图3可以看出，在相同埋深的情况下，并模拟相同的顶近距离，围岩等级越大对周围土体的扰动越大，影响范围也随之增大，对顶管管道周围土体产生的沉降和隆起值不断增大.采用不同围岩等级顶进18m，围岩等级采用Ⅲ级围岩、Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩时造成的地面沉降最大值分别为9.6mm、13.3mm、13.5mm，隆起最大值分别为11mm、13mm、13.5mm，同时发现围岩等级不同，致使土体弹性模量也被改变，土体弹性模量增加使沉降和隆起值变小，二者呈反比关系，但顶管管道施工造成的地表变形规律未改变，与模拟不同埋深相似的是顶管拱顶的沉降值最大，顶管拱底的隆起值最大.由图4路基中心沉降图看出Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩的地面沉降值分别为0.7mm、4.6mm、5.1mm，路基地面沉降随着围岩等级不同发生变化.

图4 路基中心轴线沉降图(不同围岩等级)

3 结 论

本文针对顶管施工下穿公路的相关工程为背景，及其施工引起地层变形进行研究，采用理论分析、FLAC3D有限元分析软件建立数值模拟模型,对顶管施工不同埋深、不同围岩等级的条件下展开研究，得到以下结论：

(1)模拟顶管施工过程中，在相同顶进距离时，考虑埋深、围岩等级两方面因素，得到路基中心轴线沉降图，分析在不同地层位置的地面变形.

(2)顶管埋深是影响地面变形的重要参数，在相同围岩和同一顶进距离随着埋深的增加，顶管施工对路基中心监测断面的沉降影响减小.因此在顶进过程中为有效减少沉降影响，应合理控制埋深选取开挖位置.

(3)土体的属性有所差别，本文选取不同等级围岩作为研究方案，由土体刚度大小和土体抗变形能力，在同一埋深和相同顶近距离的条件下，对土体扰动影响范围，围岩等级越高，地层损失越大，对周围土体的扰动越大，土体变形越大，且三种围岩变化明显，但各级围岩变化规律一致.