空间曲线顶管施工引起地表沉降的数值分析*

许有俊,孟毅欣*,张朝,韩志强,郭飞,高胜雷

(1.内蒙古科技大学 土木工程学院,内蒙古 包头 014010;2.内蒙古科技大学 矿山安全与地下工程院士专家工作站,内蒙古 包头 014010;3.内蒙古科技大学 内蒙古自治区高校“城市地下工程技术研究中心”,内蒙古 包头 014010;4.北京市政建设集团有限责任公司,北京 100079)

当前城市建设的高速发展,大部分的市政管线和配套设施都由地上转到地下,直线顶管施工对地层的扰动研究越来越多.但是前期对地下空间的无序开发,使得新建地下工程难度加大,为避开地下障碍物,多采用曲线顶管甚至是空间曲线顶管进行掘进施工,与直线顶管相比,其对土体产生的地层扰动更大,地表沉降规律更为复杂.

目前对于直线顶管施工引起土体变形的研究较多.林存刚等[1],王日东[2]基于Mindlin弹性理论解,给出了圆形、矩形顶管在直线段掘进中,由施工力学荷载引起的土体竖向位移三维计算公式.韩国良[3]通过建立数值模型对顶管施工进行模拟,分析了顶管周围土体位移的分布规律.黄宏伟[4]、喻军等[5]分别建立了顶管施工的三维数值模型,分别对正面推力、地层损失、不同摩阻力等各力学状态作用下引起的土体变形进行了研究.冯海宁等[6]应用有限元法对顶管顶进过程中土体发生的位移和应力变化进行了计算,并分析了土压力、机头偏移扭转等因素对地面变形的影响.对于曲线隧道施工引起的土体变形的研究:陈孝湘等[7]对曲线顶管的施工扰动机理进行研究,并提出相应的地表沉降影响范围的估算方法.邓皇适等[8]基于镜像法及Mindlin解,对曲线盾构施工中的力学荷载及考虑平曲线超挖量等因素引起的地表沉降进行了理论计算,并分析了曲线盾构的沉降规律.张鹏等[9]通过对拱北隧道管幕曲线顶进过程中扰动机理的分析,得到曲线顶管沉降槽不以中心轴线对称的结论.

上述研究成果表明,对于直线隧道施工产生的地表沉降研究比较完整,但是对于曲线隧道施工引起的沉降规律研究不够清晰,曲线顶管施工产生的沉降槽偏移规律是一个亟待解决的问题.文中以宁波市某电力隧道为研究对象,使用数值模拟软件,对无超挖刀的空间曲线顶管施工产生的横向沉降槽偏移规律和纵向沉降规律进行探究.

1 工程概况

1.1 工程简介

宁波市220 kV潘桥变电站迁建工程(隧道工程)位于宁波市鄞州区,本工程一期迁建实施范围为1#井～4#井,主要采用泥水平衡顶管法施工工艺.其中区间隧道2A#井出口段为一段长度约240 m的空间曲线段.工程位置如图1所示.

图1 工程概况图

1#井～2A#井区间总长864 m,隧道内径3.50 m,顶管机从2A#井出发沿创新路向北顶进,到达1#井.区间隧道从2A#井出发后先以0.99%下坡,而后以0.3%坡度再下坡到达2A#井,并设置R=600 m,R=500 m的平曲线,平竖曲线叠合而成的长度为240 m的空间曲线是本文现场监测段.

1.2 工程地质条件

1#井～2A#井区间的空间曲线隧道,土层自上到下分别为素填土层、黏土层、淤泥质黏土层.顶管穿越的主要地层以淤泥质黏土为主,顶管隧道轴线埋深范围为8～11 m.图2为顶管施工的工程地质图.

工程沿线涉及河流较多,河底分布有一定厚度淤泥,其下为淤泥质黏土,河水与淤泥质黏土中的地下水相互补给,水力联系较为密切.

1.3 监测方案

现场监测主要以2A#井～1#井线路上的空间曲线段为研究重点.图3为空间曲线段测点布置图.顶管机从2A#井出发,沿着图中箭头方向进行掘进,直至1#井.

图3 测点布设图

顶管顶进方向的纵向测点间距为5 m;横向断面包含9个测点,测点间距按照近密远疏的原则布置.其间距分别为2,3,5,8 m.

2 数值模拟

2.1 模型建立及参数选取

1)模型建立

根据实际工程数据,建立隧道断面直径4.14 m的圆形隧道模型,模型土体宽度为102 m;研究对象主要为上表面的竖向变形,选取模型高度为19.6 m;模型长度与隧道长度相等,为240 m;两段平曲线半径分别为Rv1=500 m,Rv2=600 m,整体坡度为0.99%下坡;模型除地表为自由面外,其余各个面均施加法向位移约束.如图4有限元模型图所示.

图4 实际工程有限元计算模型

模型中隧道部分网格先线单元长度为0.5 m,靠近隧道部分的土体网格尺寸也为0.5 m,其他部分土体网格尺寸为4 m.利用3D实体单元模拟土体,根据工程地质条件,隧道穿越及上覆土层采用Mohr-Coulomb模型作为土体的本构模型.

2)计算参数选择

土体参数利用3D实体单元模拟土体,根据工程地质条件,取Mohr-Coulomb模型作为土体本构模型,4层土层参数及管节参数见表1.

表1 土层材料及管节材料计算参数

2.2 施工步骤模拟

针对顶管施工的过程,通过改变材料参数的赋值进行模拟[10].其中顶管的顶推力125 kPa,注浆压力150 kPa以及摩阻力等参数取值均为现场记录的实测值.

具体施工步序为:

1)初始应力场平衡,得到未施工前的初始应力场.

2)初始开挖阶段,在开挖土体的表面激活迎面阻力,钝化开挖土单元,掘进3 m;第二步:钝化后续开挖土体,激活第一步相应顶管单元和注浆单元,通过相应单元的改变属性操作,将管节和注浆原本土的属性改为相应的自身属性,同时激活注浆压力,并激活顶推力以及后续迎面阻力;第三步:钝化后续开挖土体,激活第二步管片和注浆单元,同时改变其属性,激活第二步顶推力和第三步迎面阻力以及对应第二步的注浆压力,同时钝化第一步顶推力.

3)以3个施工步序为一循环,循环上述过程,直到整个隧道施工完毕.

2.3 模拟结果分析

1)横向沉降规律

空间曲线顶管施工引起的地表沉降值在28 mm内,其中在始发段和接收段地表沉降值较大,与实际施工情况吻合.图5为空间曲线顶管施工引起的地层竖向位移云图.

图5 地层竖向位移云图

图6为提取模拟数据与地表断面DC241—X实测数据对比图.由图6可知,模型计算结果与监测数据的地表沉降曲线基本吻合,模拟结果的最大地表沉降值为28.6 mm,实测数据最大沉降值为25.40 mm,最大误差为12.51%.同时地表沉降槽呈现出非对称,沉降槽最大值向曲线外侧偏移,从整体上来看,两曲线吻合较好.

图6 地表沉降实测值与模拟值

2)纵向沉降规律

通过数值模拟,提取空间曲线上2个不同转弯线形上的监测点的隆沉历时曲线,并与实测值进行对比,分析如下:

图7为顶管机通过第一段空间曲线时DC243监测测点的沉降历时曲线.开挖面距测点距离为负时,代表顶管机还未达到测点位置,距离为正代表顶管机通过测点.由图7可知,模拟值与实测值趋势相似,吻合良好.顶管机刀盘距离测点-24～-10 m范围内沉降值变化较小,整体呈现隆起趋势;刀盘在距监测点-10～10 m的范围内,沉降发展迅速;刀盘在距监测点10～36 m的范围内变化较小,沉降值缓慢增加.实测沉降最大值为16.7 mm,未超限;模拟沉降最大值为17.9 mm.

图7 DC243实测值与模拟沉降历时曲线

图8为顶管机通过第二段空间曲线时DC255监测测点的沉降历时曲线.由图8可知,模拟值与实测值趋势相似,吻合良好.沉降值在-36～-10 m范围内变化较小,整体呈现轻微隆起趋势,其中实测值为1.5 mm;刀盘在距监测点-10～10 m的范围内,沉降发展迅速;刀盘在距监测点10～36 m的范围内变化较小,沉降值缓慢增加.实测沉降最大值为20.6 mm,未超限;模拟沉降最大值为18.5 mm.

图8 DC255实测值与模拟沉降历时曲线

由以上2段曲线分析可得,顶管机刀盘在距离测点2.5D前的范围外(D为顶管机直径),顶进施工对测点土体影响较小,表现对土体产生挤压,是地表产生轻微隆起;顶管机刀盘在测点土体前后2.5D范围内时,测点土体沉降较为迅速;顶管机刀盘离开测点土体2.5D后,沉降速率放缓.且纵向沉降演变规律与直线顶管相似[11].

2.4 不同施工荷载的影响

1)不同注浆压力对地层扰动的影响

顶管施工中,通过注入触变泥浆填充顶管管节与周围土体的空隙,起到减阻和支撑的作用,因此触变泥浆对地表沉降的变化有直接的关系[12].为研究注浆压力对土体位移的影响,保持曲线半径为500 m,分别对注浆压力为50,100,200,250 kPa时的4种工况进行模拟.

图9为不同注浆压力时的横向地表沉降曲线.如图9所示,注浆压力增大对地表沉降的抑制效果明显,注浆压力250 kPa的最大沉降值为18.3 mm,注浆压力50 kPa对应的最大沉降值为31.2 mm,最大沉降值减小了约40%.由此可见,可以通过提高注浆压力,将地表沉降量控制在合理范围内.

图9 不同注浆压力时的横向地表沉降曲线

图10为最大沉降值与注浆压力的关系图.如图10所示,最大沉降值随注浆压力的增大而减小,注浆量对土体的抬升作用明显,两者之间近似呈线性关系.当注浆压力小于100 kPa时,沉降值接近警戒值.故在本工程中,注浆压力不宜小于100 kPa.

图10 最大沉降值与注浆压力的关系

2)不同摩阻力对地层扰动的影响

控制顶管半径、顶管机参数、土层条件等影响地表沉降的因素,改变摩阻力.分别对摩阻力为0,5,10,30 kPa的顶管施工进行模拟.

由图11可知,随摩阻力增大,地表沉降增大,这是由于土体开挖和顶管的顶进对土体产生了拖拽的作用,导致土体发生剪切挤压变形,地表随之发生沉降[9].顶管机及后续管节与土体的摩阻力为30 kPa时,相当于管节未注浆,最大沉降值超过警戒值,达到37 mm;当摩阻力为0 kPa时,顶管施工处于理想状态;当摩阻力为5 kPa时,最大沉降值为28 mm,已经接近警戒值.

图11 不同摩阻力下的地表横向沉降曲线

由图12可知,随着摩阻力的增大,地表沉降同时增大.为保证沉降值处于安全范围为内,通过触变泥浆的泥浆套作用,摩阻力为应控制在5 kPa以内.

图12 最大沉降值与摩阻力的关系

3 结论

文中通过建立数值模型,通过分析,模拟结果与监测数据规律吻合良好,验证了模型的有效性.基于该数值模型探究了空间曲线顶管施工引起地表沉降的纵向演变规律,并对摩阻力、注浆压力等因素对地面变形的影响展开了研究,得到以下结论:

1)无超挖刀参与转弯的曲线顶管施工产生的横向沉降槽形态不以顶管轴线中心对称,最大值偏移至弯道外侧.

2)顶管机刀盘顶进至测点土体前后2.5D范围内时,测点土体沉降较为迅速.土体纵向变形分为3个阶段,顶进前隆起,顶进过程中土体迅速沉降,顶管机离开后,沉降放缓.且土体纵向沉降演变规律与直线顶管相似.

3)注浆压力的增大对地表沉降的抑制效果显著,宁波地区埋深8～11 m的顶管工程注浆压力不宜小于100 kPa.顶管施工引起的地表沉降值随摩阻力的增大而增大.在实际施工中要严格控制触变泥浆的注入及配比,当摩阻力小于5 kPa时,掘进较为理想.