大断面综合管廊施工对邻近建筑物和土体变形影响研究

芦文文，陆龙龙，李西

（山东公用建设集团有限公司，山东 济宁 272000）

1 前言

随着城市现代化的快速发展，地上空间的开发利用已经不能适应城市发展的要求，为了缓解土地资源的日益紧张，地下综合管廊的建设得到了大力发展。在建设过程中采用顶管法施工，可以确保地面交通的不受影响，减少对周围建筑物的影响。

目前，国内外已经有众多学者对综合管廊施工对周围土体和建筑物的变形问题进行了研究。Li等研究了不对称三舱综合管廊施工引起的地表沉降，对各个施工阶段的沉降特征进行分析。Cha等通过有限元模型对综合管廊一侧扩建引起地表沉降的影响进行了分析。郭曜祯等和徐建宁等依托实际工程案例，研究了综合管廊的施工对高架桥桩基础位移的影响规律。王莉等对上穿既有地铁的综合管廊箱涵顶进施工方案进行分析优化,研究不同方案下围岩、地铁结构的应力、位移及围岩塑性区分布规律。王甫强等针对综合管廊采用浅埋暗挖法施工下穿城区铁路时的工程结构安全多源信息监控问题进行了研究。张治成等运用数值模拟的方法对顶管施工引起的地层移动造成邻近管线产生不均匀沉降和破坏进行了研究。陈元盛等针对综合管廊施工引起基坑围护结构以及临近建筑的变形进行了研究。宗翔研究了综合管廊采用洞桩法开挖引起的地面沉降规律，建立了洞桩法施工引起地面沉降的预测方法。郑知斌等对双孔矩形顶管引起的路面沉降规律及影响范围计算方法进行了研究。

综上所述，现有研究对于综合管廊施工引起的地表和建筑物变形的研究较为丰富，但针对采用大断面矩形顶管法的综合管廊施工引起的邻近建筑物和周围土体变形很少。本文依托武汉市某临近建筑物的大断面矩形顶管施工综合管廊项目，通过建立三维有限元模型，对顶管施工引起的邻近建筑物沉降和周围土体变形规律进行研究。

2 工程背景

2.1 工程概况

江南绿道中心武九线综合管廊工程是武汉市建设一流城市和走向国际化都市的一项重点工程，该工程规模庞大，是一项改善道路交通、绿化美观城市的惠民工程。本工程段综合管廊总长约2900m，考虑路面以下管线情况及周围复杂的建筑环境，部分区间采用顶管法施工，顶管截面为矩形。顶管外尺寸为9.8m×5.2m，壁厚0.7m，预制管节单环长度1.5m，顶管上部埋深6.87m。在施工过程中，管廊侧穿多处临近建筑物，综合管廊和建筑物示意图如图1所示。

2.2 工程地质条件

据勘察报告管廊穿越土层主要为杂填土，粉质黏土和粉砂等。本工程范围内各岩土层及其力学参数条件如表1所示。

表1 土层分布及力学参数条件

3 管廊施工模拟

3.1 模型建立

使用Midas GTS有限元软件对管廊顶管法施工进行模拟，以工程实例为原型，模型尺寸取100m×50m×25m，模型边界条件采用默认设置，底面全部约束，顶面自由，4个侧面施加法向约束。岩土体的本构模型均采用Mohr–Column模型，岩土体物理力学参数见表2选取。顶管外壳和衬砌采用线弹性板单元模拟，在紧接顶管的衬砌上施加的径向面荷载，模拟注浆的作用，注浆压力取200kPa，开挖面推力为150kPa。参考已有的研究，假定建筑物与基础协调变形，将建筑物简化为均布荷载施加在15m×11m×3m的基础上，基础为实体单元，均布荷载为250kPa，上述结构材料力学参数见表2，数值计算模型如图2所示。

图2 数值计算模型

表2 结构材料力学参数

3.2 结果分析

大断面综合管廊顶管施工会引起周围的土体发生位移，进而对建筑物产生影响。设距离顶管开挖面与建筑物的距离为S，大断面综合管廊顶管施工引起的建筑物和地表沉降如图3所示。可以发现，在施工过程中，随着顶管的推进，地表和建筑物的沉降逐渐增大，沉降槽明显向右侧进行倾斜，右侧的沉降槽比左侧明显更宽。在距离管廊轴线-15m处，左侧地表出现隆起，而且随着顶管的推进，地面隆起缓慢增大。当距离S=12m时，建筑物和地表的沉降逐渐稳定，之后沉降值虽然还会增大，但幅度很小。管廊的施工过程中，建筑物会明显增加增大周围地表的沉降值，而且会引起沉降槽的宽度增加，建筑物自身也会出现一定的不均匀沉降，可能引起建筑自身倾斜，在实际施工过程中需要注意监测建筑的倾斜情况，当建筑物倾斜较大时需要对建筑物进行加固。

图3 建筑物和地表沉降

大断面综合管廊顶管施工引起的建筑物和地表水平位移如图4所示，可以发现在施工过程中，随着顶管的推进，地表和建筑物的水平位移先减小后增大。当顶管与建筑物距离较大时，建筑物和土体水平位移增加，随着顶管与监测断面距离的减小，轴线附近土体受到顶管推力的影响下为水平位移变为负值，当顶管经过监测断面后，建筑物和土体水平位移再次增加。由于受到建筑物的影响，右侧的水平位移明显小于左侧，建筑物范围内的水平位移较为平缓。

图4 建筑物和地表水平位移

3.3 施工参数影响因素分析

为了研究顶管施工过程中，各个施工参数对建筑物及土体变形的影响规律。因此，分布以顶管后方的注浆压力P和顶管的推进力Q为变量，对建筑物及土体变形进行模拟，如图5～8所示。所有参数与前文相同，通过对注浆压力P改变，发现当注浆压力变大时，建筑物及土体的沉降值和水平位移值均变小，说明注浆压力的增大对土体和建筑物有一定的保护作用，在施工过程中若出现土体和建筑物的变形过大，可以适当提高注浆压力进行保护。

图5 注浆压力变化对沉降的影响

所有参数与前文相同，通过对顶管推力Q改变，发现当推力变大时，建筑物及土体的沉降值和水平位移值均变小，说明推力的增大对土体和建筑物有一定的保护作用，在施工过程中若出现土体和建筑物的变形过大，可以适当提高顶管推力进行保护。

4 结语

本文依托湖北省武汉市综合管廊项目，对大断面综合管廊顶管施工对临近建筑的沉降影响问题开展研究。采用Midas GTS有限元分析软件对管廊顶管施工过程进行动态模拟，分析施工全过程下管廊周围土体及临近建筑的变形情况。

图6 注浆压力变化对水平位移的影响

图7 推力变化对沉降的影响

图8 推力变化对水平位移的影响

（1）在施工过程中，随着顶管的推进，地表和建筑物的沉降逐渐增大，管廊上方的土体呈现不均匀沉降，沉降槽的中心向建筑物一侧偏移，临近建筑物发生了偏向管廊的倾斜，建筑物一侧沉降槽明显更宽；左侧地表出现隆起，且隆起缓慢增大；当距离顶管开挖面较远时沉降逐渐稳定，之后沉降值虽然还会增大，但幅度很小。

（2）随着顶管的推进，地表和建筑物的水平位移先减小后增大。随着顶管与监测断面距离的减小，轴线附近土体受到顶管推力的影响下为水平位移变为负值，当顶管经过监测断面后，建筑物和土体水平位移再次增加。由于受到建筑物的影响，右侧的水平位移明显小于左侧，建筑物范围内的水平位移较为平缓。

（3）发现当注浆压力和顶管推力变大时，建筑物及土体的沉降值和水平位移值均变小，说明注浆压力和顶管推力的增大对土体和建筑物有一定的保护作用，在施工过程中若出现土体和建筑物的变形过大，可以适当提高注浆压力和顶管推力进行保护。