数值模拟不同顶推力在顶管施工中对土体的影响

凌春LING Chun；吕品LV Pin；程曼CHENG Man；杨梓俊YANG Zi-jun；王威WANG Wei

（武汉工程大学土木工程与建筑学院，武汉 430073）

0 引言

顶管法是根据盾构机发展演化而来的，从地下穿越，不需要开挖地表，相比明挖的顶管工程，不需要破坏周围建筑物，对周围环境影响较小，节省成本，提高施工效率的优势明显，能够适应多种复杂地质情况，应用于地下工程。它与盾构机相比较小，比较灵活，主要应用于城市的地下管网工程中，如雨污分流工程。顶管法是利用顶管机头，把预制顶管从始发井一节一节顶进预定位置，再从接收井把机头吊出来，以此循环的地下施工[1]。但是，遇到复杂的地质，根据以往的工程经验，不确定风险大幅度提高，随着科技的不断发展，我们的相关理论也在逐步完善，我们可以利用Abaqus有限元软件分析，控制变量分析其顶推力对土体变形的影响，一旦对土体的扰动过大，大规模地层移动将引起邻近建筑物的变形，影响其正常使用。在圆形顶管法的施工中，必须设法减小对土体的扰动[2]。因此，探讨不同顶推力在施工过程中土体的扰动规律，对于促进地下工程建设具有重大意义。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

江门市某区水环境综合治理项目（二期）工程EPCO项目—中兴二路截污管网工程，本工程为中兴二路截污管网工程，其建设内容主要为在中兴一路东侧规划慢车道下布置d2000污水主管，由北向南接入中兴二路规划d2000污水管，并为沿线路口及地块预留污水支管；在北昌东路南侧道路下布置d2000污水主管，由东向西接入中兴二路规划d2000污水管，并为沿线路口及地块预留污水支管；顶管段管道管径一般D2000，拟采用Ⅲ级钢筋混凝土顶管管材。根据相关资料，本工程顶管段管道埋深一般约13m。

1.2 工程地质条件

根据勘察报告得出本顶管段的地层自上而下按成因类型分为第四系全新统人工填土（Q4ml）、冲积层（Q4al）。各土层相关力学参数见表和土层物理性质如下：

1.2.1 人工填土层（Q4ml）

素填土：灰黄、灰褐等色，稍湿，稍密，以黏性土为主，含少量碎石块等硬质杂物，碎石粒径一般约1.0～3.0cm，含量一般约10%～20%，磨圆度较差，主要呈棱角状，土质及密实度不均匀，部分地段顶部20～30cm不等厚度为砼地面。据初步了解，项目场地填土堆填时间超过15年，为老填土。平均层厚为5m。

1.2.2 冲积层（Q4al）

淤泥质土：灰黑色，饱和，流塑，以粘粒为主，富含有机质及少量粉细粒，手捏具滑腻感，易污手，略具腥臭味。平均厚度为4m。

粉质黏土：灰褐、灰黄、灰白色，湿，可塑，以粘粒为主，夹少量粉细粒，土质均匀，粘性较好，干强度及韧性中等，平均层厚为8m。

1.2.3 燕山期（γ52）花岗岩

强风化花岗岩带：黄褐、灰褐色，岩石风化强烈，岩芯主要呈半岩半土状，岩块手折易断，遇水易软化崩解。平均厚度11m。

其主要物理力学性能参数如表1。

表1 土体物理力学性能参数

2 顶管施工

根据勘查报告，采用泥水平衡顶管法施工。顶管法施工是借助于主顶油社等顶进设备，将工具管或掘进机从工作井穿越土层进入接收井，将紧随其后的工作管道依次连接并埋设在这两个井的管线土层中的敷设地下管线的施工方法[3]。该方法是用机头顶进，把碎土渣等物质运走，往周围管壁注浆，把预制顶管顶进，以此循环，直至贯通。顶管法施工工艺主要是指从机械施工设备进入施工场地到顶进作业完全结束的整个施工过程[4]。管道顶进的过程可分为以下几个阶段：顶管工作井的制作，顶进设备的安装及工具管或掘进机的就位，工具管顶出始发工作井洞口，后续管节顶进，工具管或掘进机进入接收井洞口，管道全线贯通，施工结束。施工工艺流程如图1。

图1 施工工艺流程图

3 土体变形原因

顶管施工造成土体变形的原因可概括为两点：①应力扰动；②地层损失。

应力来源于顶进过程中机头顶推力、剪切力以及管道与土体的摩檫力。地层损失是引起土体变形的主要因素，有常规损失和不常规损失。常规损失是我们在施工过程中不可避免的损失，不常规损失是由于的我们的技术流程不符合操作规范引起的不必要损失，我们可以在后期的技术优化中处理这个问题[5]。

顶管施工的本质是顶管机切土和向管道边注浆同时进行的施工，在开挖土的过程中，未挖的土体具有松动性，此时需要向周边土体注浆，以维持地下土体的平衡，但是顶推力过大过小都会影响土体的稳定性，会间接影响顶管施工的质量。当顶推力较小时，土体会出现下沉，顶推力较大时，会导致土体隆起，顶管破裂，返工乃至发生安全事故。数值模拟分析顶推力会找到合适的顶推力，促进顶管施工良好发展。

4 数值模型建立及分析方案

4.1 模型建立

本顶管施工模拟采用的是Abaqus有限元分析软件，取顶管顶进的方向为Y轴（0-30m），垂直于Y轴的为X轴（0-50m），顶管土层的厚度方向为Z轴（0-28m），模拟单元用的线性六面体结构。根据实际情况采用的泥水平衡顶管法施工，本工程是单排单向顶管，管道外径D是2m，顶管埋深是13m，将土体简化成四层平行土层，每次顶进距离为2m，土体的物理力学性能参数如表1，模拟模型如图2。

图2 模拟模型

4.2 顶推力计算

正面顶推力依据Rankine压力理论进行计算，公式如下：

式中P上为管道上部土压力，P下为管道下部土压力，γ为土体容重，取加权平均值17.45kN/m3，Z为覆土深度，K0为静止土压力系数，其数值大小与土体性质密切相关，粘土中，K0可在0.33～0.70间取值[6]。

4.3 数值分析方案

考虑自重应力，顶程总共20m，每次顶进2m，一共顶进10节顶管，顶管周围的泥浆，按通用标准处理，忽略其影响。设置原始土体的相关参数，平衡土体初始应力，施加与重力对应的初始应力场，保证模拟其真实性。按2m一个顶进距离，从20m向0m方向顶进，从纵横向分别分析顶推力对土体参数的影响分析，得出合适的顶推力，促进顶管施工安全高效。

5 不同顶推力模拟结果分析

为使模拟更加接近工程实际，土的摩擦系数取为0.3，土体的侧压力系数取为0.5，计算得出的不同顶推力，利用有限元分析软件，在一定条件下，模拟不同的顶推力在顶进过程中，土体产生的沉降量，我们从顶进方向得出的土体沉降量变化如图3，垂直于顶管顶进方向的土体沉降量变化如图4。从图3可知，当顶管的顶推力为0.147MPa时（大概为1.2倍的静止土压力），顶进5m之前时，沉降变化量不明显，沉降较小0.1mm，但随着顶推力的增大，刚开始顶进时，土体逐渐凸起，凸起程度与顶推力成正比，当顶推力为1MPa时，凸起量最大，数值为1mm。在顶进5m之后，土体的沉降量随着顶推力的增大而逐渐增大，顶管顶进开始到结束，两者的沉降差与顶推力的大小成正相关，顶推力最大的沉降差是最小的1.8倍。由于顶推力的增大，前进速度会加快，泥水压力会小于前方土体压力，对前方土体的扰动性会增强，顶管可能会强制后移，前方土体会向机头移动，会导致土体沉降。由于顶管的埋深较大，管径较小，地表的变形变化不明显。因此，我们通过控制顶推力的大小来降低顶推力对周围土体扰动性能的影响。从图3和图4可以得出，当顶管的顶推力在0.147-0.3MPa之间时，顶管顶进开始到结束，两者的沉降差变化较小。由于顶推力的大小跟顶管机的功率有直接联系，顶推力越大，需要的顶管机功率越大，考虑到沉降量与顶推力成正比，所以，为了节约成本和降低顶推力对土体的扰动影响，认为本顶管工程最佳的顶推力为0.147MPa（大概为1.2倍的静止土压力）。

图3 不同顶推力在顶进方向上引起的沉降量变化

图4 不同顶推力在垂直顶进方向上引起的沉降量变化

6 结语

本文模拟不同顶推力对土体的影响研究，得出了合适的顶推力数值为静止土压力的1.2倍，促进了未来的顶管施工发展，但其中也有不足，只分析了一种变量，没有多种变量综合分析，模拟过程中，土层比较单一，根据实际情况还有一些差距，存在误差，接下来我们可以从管径大小、土体参数以及顶管埋深做更加全面的分析。