大直径四排平行顶管地表沉降数值模拟研究①

安刚建, 董 聪, 林 键, 曹广勇

(1.中铁四局集团第四工程有限公司,安徽 合肥 230000;2.安徽建筑大学建筑结构与地下工程安徽省重点实验室,安徽 合肥 230601;3.安徽建筑大学土木工程学院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

随着科技的进步和社会发展的需要,顶管工程向着大直径、近间距、平行多排的趋势发展,在多排平行顶管中先施工顶管会对后施工地表沉降产生扰动,国内外学者为此采用经验公式法[1-2]、模型试验法[3]及实测数据分析法[4-5]、理论计算分析法[6-7]和数值模拟法[8-11]进行了研究。

以海口美兰国际机场二期扩建场外排水工程为背景,采用Abaqus数值模拟软件对四排大直径、近间距的平行顶管先后施工引起的地表沉降进行研究,探讨先后施工顶管引起地表沉降的差异,得到多排平行顶管施工引起的地表沉降规律。

1 工程概况

海口市美兰机场二期扩建场外排水工程顶管段总长为6050m,顶管每节长度2.5m,由C50混凝土制成,管节外径为4700mm,管壁厚34mm,顶管机外径为4740mm,长为5640mm。顶管横向间距仅为3100mm,属于小间距的多排平行顶管,管节分布图如图1所示。

图1 顶管工程横断面图

2 数值模型

2.1 模型建立与假设

土体模型沿开挖方向长度设置为50m,宽度为100m,高度为40m,土层分别为粉质黏土、粗砂、粉质黏土和生物碎屑砂,如图2a所示。距离上表面16m处开挖,顶管顶进长度为50m,为准确研究顶管开挖引起的地表沉降和消除边界条件带来的影响,仅对顶管中间4节管节施工进行模拟。工具管跟后续管节存在着半径为20mm的管径差,在模拟中用泥浆用等代层予以简化代替,图2b所示。研究中,对模型模做如下假设:

图2 几何模型

(1)土体只受重力的影响,所有部件都为各向同性的均质材料。

(2)忽略土体固结所引起的土体长期变形,计算结果仅考虑施工期间的地表变形。

(3)不考虑刀盘切削对土体产生的剪切,支护力均匀的作用在掌子面前方的土体上;管土之间的摩阻力是均匀分布的。

2.2 材料本构模型及参数

采用符合Mohr-Coulomb屈服准则的弹塑性材料来模拟海口美兰机场施工现场的富水砂层,土层参数如表1所示。

表1 土体参数

部件具体参数如表2所示。

表2 部件参数

2.3 计算过程

将顶管的顶进分为土体的开挖和顶管的顶进两个过程。首先,将每一管节长度土体的一次性移走,掌子面前的土体受到0.555MPa的顶推力,注浆过程简化为施加在顶管壁周围土体上0.3MPa的均布荷载;然后,将顶管顶进2.5m,工具管和后续管节与土体接触面的摩擦系数为0.26。工具管掌子面距离起始面20m处开始顶进,每根顶管模型分为4步顶进,每次顶进距离均为2.5m,开挖顺序为顶管1、顶管4、顶管3和顶管2。

3 计算结果

3.1 单根顶管施工引起的地表沉降槽

如图3a所示,顶管轴线两侧约3倍顶管直径宽度范围的土体产生位移,由于开挖后顶管周围土体应力释放,顶管周围正上方土体表现为沉降,顶管周围下方土体表现为隆起。发生扰动的土体都在估算的主要影响区域内,模型建立较为合理。

顶管施工引起的地表沉降槽通常可以用Peck公式来描述其沉降特如式(1):

式(1)中:S x（）为地表沉降值;Smax为地表最大沉降;x为水平距离;i为沉降槽宽度系数;Vloss为土体损失。

通过拟合计算得到沉降槽宽度系数i=6.74m,沉降槽的最大沉降值Smax=0.121m,开挖扰动产生的土体损失Vloss=0.949m3/m。由图3b可以看出,单排顶管施工引起的地表沉降值可由Peck公式准确的描述其沉降特征;与工程实测值相比,数值模拟结果有较高的精确度。

图3 顶管1施工所引起的土体位移横向剖面图

3.2 多排顶管施工引起的地表沉降槽

引入轴线的相对水平距离系数z=B/(h+r)[12]来描述隧道的轴线间距B,开挖半径r和埋深h,通常认为z值大于0.66时为近间距平行顶管,小于0.66时为大间距平行顶管。

3.2.1 顶管4施工过后的地表沉降

顶管1和顶管4的轴线间距为23.4m,通过计算得到轴线的相对水平距离系数z=1.13,为大间距平行管,先施工顶管对后施工的扰动较小,顶管1施工后的地表沉降应为对称的“W”型,如图4所示。

图4 顶管4施工所引起的土体位移横向剖面图

3.2.2 顶管3施工过后的地表沉降

顶管3与顶管4的轴线间距为7.8m,通过计算得到轴线的相对水平距离系数z=0.15,为近间距平行管,先施工顶管对后施工的扰动较大;顶管3与顶管1的轴线间距为15.6m,通过计算得到轴线的相对水平距离系数z=0.75,为大间距平行管,先施工顶管对后施工的扰动较小。

计算结果如图5所示,工程实测的地表沉降值与数值模拟值较为接近。顶管3施工引起的地表沉降要小于顶管1施工引起的地表沉降,这是由于先施工两顶管之间存在应力拱[13];顶管3施工结束后,顶管4的沉降值减小,这是由于顶管3对周围土体的扰动导致的。

图5 顶管3施工所引起的土体位移横向剖面图

3.2.3 顶管2施工过后的地表沉降

顶管2与顶管3和顶管1的轴线间距都为7.8m,通过计算得到轴线的相对水平距离系数z=0.15,为近间距平行管,先施工顶管对后施工的扰动较大。计算结果如图6所示,顶管2施工引起的地表沉降最小;顶管2施工结束后,顶管1和顶管3的沉降值同样出现减小;工程实测的地表沉降值与数值模拟值较为接近。

图6 顶管2施工所引起的土体位移横向剖面图

4 结 论

以海口美兰国际机场二期扩建场外排水工程基础建立数值分析模型,对四排大直径、近间距的平行顶管顺序施工引起的地表沉降进行研究,得到以下结论:

(1)平行顶管之间的相互作用会对施工引起的地表沉降产生影响,位于中间的顶管3和顶管2施工引起的地表沉降要小于两侧先施工顶管1和顶管4的地表沉降,而且最后施工的顶管2的地表沉降也小于顶管3的地表沉降,这可能是先施工两顶管之间存在的应力拱导致的。

(2)本文的数值模拟计算得到的地表变形曲线与现场实测曲线有着较高的拟合度,因此,数值模型能较为准确地模拟海口大直径、近间距、四排平行顶管施工引起的地表变形规律。