基于MIDAS对顶管工作井的开挖及顶进稳定性数值分析

李大为，白 蓉，马海彬

随着我国城市建设的飞速发展，基础建设设施也在逐步完善，其中，城市管线的排水问题尤为重要。顶管法作为非开挖施工技术的一种，具有其他地下施工方法所不具备的优势，顶管法无需明挖土方，且对地面的影响较小。而顶管工作井的开挖是顶管法施工中不可或缺的一环，目前大直径顶管工作井结构在工程中正受到广泛的应用，顶管工作井类似基坑，分析其开挖施工过程中的稳定性对顶管工程具有重要的意义。徐慧芬[1]等人运用三维有限元地层结构法对顶管工作井开挖施工进行流固耦合分析，研究了周边地表土体时空变形及其受力的特征，并进行加固及改善。此外，沈慧[2]对MIDAS软件进行系统性的介绍，对修正摩尔-库伦本构模型的原理及特点进行了阐述，利用MIDAS进行模拟分析，探究各种不同工况下深基坑开挖对地表的影响。

顶管工作井开挖时，不同开挖深度工作井的应力状态不同，陈辉[3]利用MIDAS/GTS和ABAQUS两个不同模拟软件对比探究深基坑侧方地表沉降及围护结构变形受力特点。严萍等[4]采用MARC有限元软件，对矩形工作井的受力变形进行三维模拟分析计算，并深入探究周围土层、覆土厚度等因素影响工作井变形与应力分布问题。丁克伟、丁亚中等[5-7]通过MIDAS软件探究了基坑随着开挖深度的增大，导致坑内应力重分布，基坑水平位移随之也增大。基坑底部由于土体开挖，造成原有平衡破坏，卸载后造成坑底隆起，基坑中部隆起最大且随开挖深度增大而增大[8-10]。

顶管工作井预设顶力施加后，会造成支护结构的受力变形，进而引起地表沉降。Li Fabin[11]利用现场勘测资料，利用ANSYS软件建立三维模型，讨论了工作井顶进过程中地层应力应变的变化以及不同阻力作用下顶管对地表的冲击及影响。程全新[12]研究砂性土层下顶管工作井—土和工作井—土的相互作用，利用ABAQUS软件研究工作井开挖时支撑对工作井开挖的空间效应，探究后背土体受力变形的相关规律。本文基于MIDAS/GTS软件，探究顶管工作井及其支护结构开挖时变形位移的规律，模拟分析顶力施加后顶管工作井支护结构的受力变形情况。

1 工程概况

1.1 工程简介

深圳市某车站排水工程，其主要任务为排除车站及道路周边区域的涝水。该区域四周毗邻交通道路，道路两旁地下含有部分市政管线的分布。本文以4#顶管工作井为例，顶管工作井采用暗挖法施工，工作井土层进行土方开挖施工，采取边开挖边施工支护的方法，用以保证工程施工安全。4#顶管工作井现有地面高程为11.30m～12.50m，顶管直径为3m,底标高为4.70m～4.80m，工作井开挖的长宽高尺寸为24.1m×11.4m×11.8m。

1.2 工程地质条件

经过详细的地质勘测，开挖后侧壁主要地层从上到下依次为①素填土。③灰色粉质粘土。⑤灰色粉质粘土夹砂质粉土。⑧粗砂。

1.3 顶管工作井支护流程

结合4#工作井的工程概况及地质条件，该工程支护方案采取地下连续墙+两道内支撑+立柱及桩基础进行支护。顶管工作井内设置两道C30混凝土内支撑，构成整体框架结构。地下连续墙支护深度为20m，厚度为0.8m。两根钻孔灌注桩深度约为20m，直径为0.6m。

2 数值模型的建立

2.1 模型建立的基本假设

顶管工作井施工过程中受各种因素影响，施工现场复杂，情况多变，为了模拟分析工作井开挖过程中应力变化产生的顶管工作井及地下连续墙变形位移和顶管工作井预设顶力施加后对其受力变形的影响，采用以下假设：

(1)考虑到开挖带来的加载卸载作用及土体开挖压缩硬化及剪切硬化行为[14]，各个土层均采用各向同性的修正摩尔-库伦理论作计算。

(2)建模时竖向深度选取顶管工作井开挖深度的2倍，水平范围选取开挖深度的3～4倍。

(3)线性材料主要运用于钢筋混凝土材料结构继而进行计算。

(4)模拟时未考虑地下水以及其他天气因素(如暴雨)的影响。

2.2 定义材料与属性

材料：土体的材料的选取如表1所示，每一层土体的本构模型采用修正摩尔-库伦本构模型，结构材料则采用C30混凝土。根据本工程的地质勘察报告，4#工作井的土层有①素填土厚度取1m，由于未经压实的素填土在开挖过程中结构受到破坏，并易产生不均匀变形[13]，所以模拟时未对素填土进行考虑，③灰色粉质粘土厚度取6m，⑤灰色粉质粘土夹砂质粉土厚度取2m，⑧粗砂厚度取6m。

表1 4#顶管工作井土层的组成及修正摩尔库伦-模型参数

属性：本构模型采用线弹性模型，且均使用C30混凝土，其中3D单元为土体结构，2D单元有地下连续墙与顶管工作井的底板，其属性用2D板单元。1D单元为地下连续墙的冠梁、两道内支撑体系、圈梁、立柱及其桩基础，属性均采用植入式桁架。

2.3 创建几何模型和划分网格

根据地质勘察以及工程资料，使用MIDAS/GTS软件进行模拟时，参照实际工程的情况进行优化处理，顶管工作井外围产生影响的土体设置长为96m，宽为84m，深度为工作井开挖深度与嵌固深度之和的2倍，取42m。4#工作井的长宽高开挖尺寸取24m×12m×12m。采用混合网格生成器划分工作井，尺寸为2，划分完网格后共生成11846个节点和18660个单元，见图2。

图1 现场开挖图

图2 工作井整体模型

2.4 结构单元的生成及边界、荷载的设置

通过析取得到地连墙、底板、圈梁、腰梁结构单元，立柱及其桩基础是通过修改网格参数完成并赋予参数，见图3、图4。工作井模型的约束条件采用边界约束，边界条件设置为静力荷载边界条件。

图3 工作井支护结构模型图

图4 工作井内支撑模型图

2.5 施工工况设置

MIDAS/GTS软件定义施工阶段时，采用每2米进行工作井开挖施工以控制工况，本工程模拟时共考虑七个工况。具体的施工工况如表2：

表2 4#工作井模拟施工工况的设置

按照上表所述施工工况进行模拟，并对软件的模拟结果进行分析。

3 工作井模拟结果分析

3.1 工作井开挖竖向位移的影响分析

由图5～图11可以看出开挖工作井过程中坑底应力和竖向位移的变化情况：

图5 工作井坑底开挖应力图

图6 工况一下工作井开挖竖向位移云图

图7 工况二下工作井开挖竖向位移云图

图8 工况三下工作井开挖竖向位移云图

图9 工况四下工作井开挖竖向位移云图

图10 工况五下工作井开挖竖向位移云图

图11 工况六下工作井开挖竖向位移云图

(1)如图5所示，工作井坑底的两边及四周隆起较少[9]，工作井底部中间部分隆起的比较大，这是工作井开挖的过程中，由于土体挖出后，竖向应力减少或失去导致工作井基坑底部的土体原有的应力平衡状态发生改变，卸载过后坑底产生回弹变形，继而会引起工作井基坑底部隆起。

(2)如图6～图11所示，4#工作井第一次开挖最大竖向位移为1.47mm，第二次开挖最大竖向位移为2.86mm，第三次开挖最大竖向位移为5.18mm，第四次开挖最大竖向位移为9.62mm，第五次开挖最大竖向位移为11.85mm，第六次开挖最大竖向位移为15.27mm，4#顶管工作井实际监测最大竖向位移分别为1.41mm、2.59mm、4.86mm、8.97mm、11.31mm、13.85mm，模拟数据与监测数据最大竖向位移的最大误差率为9.3%，模拟数据基本符合顶管工作井开挖实际情况。

(3)随着工作井施工工况的进行，土体向下开挖的深度增大，工作井四周的土体的沉降量在增大，其会对地表产生影响，导致地表沉降量也会增大，但是沉降量在工程所允许的范围内。

3.2 地下连续墙开挖纵向位移的影响分析

由图12～图17可以看出地下连续墙开挖纵向位移的变化情况：

图12 地连墙工况一开挖纵向位移云图

图13 地连墙工况二开挖纵向位移云图

图14 地连墙工况三开挖纵向位移云图

图15 地连墙工况四开挖纵向位移云图

图16 地连墙工况五开挖纵向位移云图

图17 地连墙工况六开挖纵向位移云图

(1)如云图12～图17所示，地下连续墙第一次开挖最大纵向位移为2.42mm，第二次开挖最大纵向位移为4.78mm，第三次开挖最大纵向位移为9.54mm，第四次开挖最大纵向位移为13.16mm，第五次开挖最大纵向位移为19.71mm，第六次开挖最大纵向位移为22.43mm，4#顶管工作井地连墙实际监测最大纵向位移分别为2.27mm、4.35mm、8.82mm、12.59mm、18.36mm、21.15mm，地连墙最大纵向位移模拟数据与监测数据的最大误差率为9.88%，模拟数据基本符合顶管工作井开挖实际情况。

(2)六个工况其中每一个施工工况地下连续墙侧向产生的最大位移变形都是在工作井的开挖面的附近产生，而且随着工作井向下的的不断开挖，由于顶管工作井周围土体对地下连续墙产生的主动土压力越来越大[6]，地下连续墙的纵向位移也越来越大。

3.3 工作井施加顶力的影响分析

在顶管顶进施工之前，在顶管对应面，放置千斤顶的后背井壁位置，设置后背墙承受顶管的作用力。同时要保证背墙后土体稳定性，则最大顶力不得大于背墙后的最大土压力。设置4#工作井顶进时顶力需要考虑后背稳定性计算及后背墙土体稳定性计算[15]。

由图18、图19可以看出，4#顶管工作井的一侧在模拟预设顶力施加后，顶进过程会对地下连续墙有影响，地下连续墙受到顶力作用产生位移[16]。顶力的施加同样也会对工作井沿着顶力施加方向产生较小的偏转，造成顶管工作井周围土体的沉降。若施加的顶力过大，顶进时由于支护结构受力变形产生的位移及偏转，周围土体沉降量超过规范值，可能会引起工程事故。顶管顶力的合理设置在多排管大直径的顶管工程上显得尤为重要。

图18 施加预设顶力地下连续墙影响云图

图19 施加预设顶力工作井影响云图

4 结论

本文利用MIDAS/GTS有限元软件对某工程排水顶管工作井进行数值模拟，目的是研究顶管工作井开挖及施工的稳定性。得到如下结论：

(1)结合工程实际监测数据，与MIDAS/GTS模拟数值对比，在误差允许的范围内，能够较好的反映出顶管工作井施工开挖的一般规律，具有可行性，对实际情况下施工具有帮助。

(2)顶管工作井开挖过程中，由于工作井土体应力的重分布，工作井竖向位移随着开挖深度的增大而增大，最大的竖向位移在工况六开挖产生，接近工作井坑底处，位移为15.27mm。开挖到底部，坑底会产生隆起现象，隆起量中间大、四周小，工程上必要时需对隆起进行监测。地下连续墙随着开挖深度的增大，井壁周围主动土压力增大，纵向位移也随之增大,开挖产生的最大纵向位移为22.43mm。

(3)在工作井后背墙模拟顶管顶力施加会造成工作井产生位移以及沿着顶力方向产生较小角度的偏转，工程上顶距较远、顶力较大、覆土深度大的顶管工作井在施工时，需要防止顶管顶进时引发事故。对顶管工作井的支护方式以及支护材料合适的选取，确保顶管工作井施工时的稳定安全。