机械顶管下穿河流时土体变形特征研究

2024-03-09张峰,罗利,陈奇

科技和产业 2024年4期

张峰, 罗利, 陈奇

(中国五冶集团有限公司, 成都 610063)

由于城区建、构筑物密集,市政污水干管施工往往会穿越一些城市的复杂敏感区域,为避免敏感区域施工给城市正常运行带来诸多不便,甚至对环境造成破坏,污水干管工程常常采用顶管等非开挖技术。顶管施工时,在管道轴线两侧一定范围内会发生地面沉降或隆起,使管道周边建构筑物、地下基础设施及河湖等受到施工影响,甚至危及正常使用和安全。为此,众多工程人员对顶管下穿建、构筑物等敏感区域进行了相关研究[1-12]。其中,程保民等人[13]、王剑峰等[14]、戢鸿鑫等[15]针对顶管下穿河湖区域过程中施工变形影响、三维数值及顶管顶进过程中的关键技术展开了研究,而针对下穿河湖顶进过程中土体变形特征的研究较少。为此,本文以成都锦江再生水工程实例,运用三维数值模拟分析泥水平衡机械顶管下穿河流时的施工变形特征,为机械安全顶进提供科学依据。

1 依托载体概况

成都锦江再生水工程,从第九再生水厂对再生水进行加压并输配至锦江区红庙子排洪渠、何家冲排洪渠、秀水河、南支三渠进行生态补水。输水管线主要沿环城生态区内外生态绿化空间、何家冲排洪渠沿线绿带、银杏大道西北侧绿带、市政公园绿带、红豆树街、三环路绿带、驿都大道西南侧绿带敷设,串联起何家冲排洪渠、红庙子排洪渠、南支三渠、秀水河等4个主要生态补水点,此外输水管线沿途典型节点位置预留再生水出水点。

选取管道穿越陡沟河段(图1)进行研究,影响管线的桩号范围为ZS0+920～ZS0+940,穿越方式为河床下方穿过。陡沟河宽度约为20 m,河沟深约为2.3 m,穿越段地质主要为黏土层,管道距离河底净距约为4.7 m。

图1 输水管道线路下穿陡沟河平面

2 模型建立

2.1 基本假设

三维数值模拟分析建立在以下基本假定:假定土层为各向同性的连续的均一弹塑性材料,并服从Mohr-Coulomb屈服准则;忽略管节间接头、工具管和后续管节刚度差异的影响,假定管节为表面平整的各向同性线弹性体;不考虑顶管施工引起的土体次固结沉降蠕动变形,假定工作面压力为定值的圆形均布荷载;顶管为直线顶进,不考虑偏转问题;假定管土摩擦力和地层损失沿轴线方向均匀分布。

2.2 计算模型及参数

研究采用Hypermesh建立三维网格模型,采用FLAC 3D软件掘进模拟,河道段顶管埋深为4.7 m。模型除了上表面其余各面均施加法向位移约束。为减小边界效应的影响,三维网格模型的上下、左右边界均取顶管隧道开挖宽度的5倍,整个模型尺寸为36 m×30 m×27 m,如图2所示。

图2 三维网格计算模型

计算模型中管道和注浆层单元类型采用实体单元,顶管机单元类型采用Shell单元。管道及注浆层结构均采用弹性本构,土体采用摩尔库伦本构,并假定土体与注浆层、注浆层与管道之间均紧密接触。

土层类型自上而下依次为杂填土、黏土、强风化泥岩,根据现场地勘报告,相关材料的物理力学参数如表1所示。

表1 材料的物理力学参数

2.3 模拟工况

为探明施工参数对周围环境的影响,从泥水仓压力和注浆压力两个角度出发,研究不同泥水仓压力和不同注浆压力下顶管施工对土体变形的影响,共计10种工况,如表2所示。

表2 不同施工工况参数

2.4 模型监测点布置

为清晰探明顶进对土体变形的影响,模型共设置4处监测点,具体设置方式与部位如表3及图3所示。

表3 监测点设置详情

图3 监测部位示意图

3 泥水仓压力对土体变形影响分析

3.1 顶管上方土体变形

图4揭示了不同泥水仓压力比情况下的土体竖向位移云图。由图4可知,各个工况下土体变形大致相同,即管道上方土体发生沉降,下方土体向上发生位移,下方土体位移明显大于上方位移;土体沉降呈周期性变化,沉降量最大值发生在管道间的接口处,这是因为顶管施工时具有周期性,以一节管道施工时间为周期,在更换管道时土体有较多的时间产生位移;随着监测点上移,土体沉降量明显减小,地表沉降量明显小于管道顶部土体变形量。

图4 不同泥水仓压力下顶管上方土体变形对比

3.2 监测点1地表沉降

图5揭示了不同泥水仓压力比情况下河道底部地表位移变化趋势。由图5可知,河道处地表变形量以管道中线对称分布,管道上方地表沉降量最大。随着监测点向管道中线移动,地表沉降变化速率明显增大,在中线附近变化速率显著减小。随着泥水仓压力增大,河道处地表沉降量显著减小。泥水仓压力比为0.5P0时,管道中线上方地表沉降量为17.4 mm,当泥水仓压力比增大到1.0P0和1.5P0时,沉降量分别减小28.9%、64.7%。

图5 监测点1地表沉降变形曲线

从河道地表沉降变化结果看出,随着泥水仓压力增大,地表沉降量显著减小。在一定泥水仓压力范围内(不发生土体主动破坏和被动破坏),增大泥水仓压力可显著降低地表沉降。

3.3 监测点2地表沉降

图6揭示了不同泥水仓压力比情况下顶进率先通过的河岸地表位移变化趋势。由图6可知,河岸处地表变形量以管道中线呈对称分布,管道上方地表沉降量最大。随着监测点向管道中线移动,地表沉降变化速率明显增大,且在中线附近变化速率显著减小;随着泥水仓压力增大,河岸处地表沉降量显著减小,泥水仓压力比为0.5P0时,管道中线上方地表沉降量为9.9 mm,当泥水仓压力比增大到1.0P0和1.5P0时,沉降量分别减小49.9%、91.1%,河岸地表沉降量变化幅度明显大于河道底沉降量变化幅度。

图6 监测点2地表沉降变形曲线

从河岸地表沉降变化结果可知,随着泥水仓压力增大,地表沉降量显著减小。在一定泥水仓压力范围内(不发生土体主动破坏和被动破坏),增大泥水仓泥压力可显著降低河岸地表沉降。

3.4 监测点3地表沉降

图7揭示了不同泥水仓压力比情况下顶进后的河岸地表位移变化趋势。由图7可知,河岸处地表变形量以管道中线呈对称分布,管道上方地表沉降量最大。随着监测点向管道中线移动,地表沉降变化速率明显增大,且在中线附近变化速率显著减小;随着泥水仓压力增大,河岸处地表沉降量显著减小,泥水仓压力比为0.5P0时,管道中线上方地表沉降量为12.6 mm,当泥水仓压力比增大到1.0P0和1.5P0时,沉降量分别减小31.4%、73.1%,沉降量变化幅度大致与河道底沉降量变化幅度相同。

图7 监测点3地表沉降变形曲线

从河岸地表沉降变化结果可知,随着泥水仓压力增大,地表沉降量显著减小;在一定泥水仓压力范围内(不发生土体主动破坏和被动破坏),增大泥水仓压力可显著降低河岸地表沉降。

3.5 监测点4土体变形

图8揭示了不同泥水仓压力比情况下管道中线上方土体竖向位移变化趋势。由图8可知,土体竖向变形量与监测点距管道顶端的距离呈抛物线形减小,并且变化速率逐渐减小,在距管道顶端4 m左右时,土体变形达到稳定状态;随着泥水仓压力增大,管道中线上方土体变形明显减小,减小幅度与距管道顶端的距离无关。

图8 监测点4土体沉降曲线

从管道中线上方土体竖向位移变化结果可知,随着泥水仓压力及距管道顶端的距离增大,管道中线上方土体变形明显减小;在一定泥水仓压力范围内,增大泥水仓压力可有效抑制管道中线上方土体变形。

4 注浆压力对土体变形影响分析

4.1 顶管上方土体变形

图9揭示了不同注浆压力比情况下的土体竖向位移云图。由图9可知,与不同泥水仓压力类似,各个工况下土体变形大致相同,即管道上方土体发生沉降,下方土体向上发生位移,且下方土体位移明显大于上方位移;土体沉降呈周期性变化,沉降量最大值发生在管道间的接口处,这是因为顶管施工时具有周期性,以一节管道施工时间为周期,在更换管道时,土体有较多的时间产生位移;随着监测点上移,土体沉降量明显减小,地表沉降量明显小于管道顶部土体变形量。

图9 不同注浆压力下顶管上方土体变形对比

4.2 监测点1地表沉降

图10揭示了不同注浆压力比情况下河道底部地表位移变化规律。由图10可知,与不同泥水仓压力比工况类似,河道处地表变形量以管道中线呈对称分布,并且管道上方地表沉降量最大;随着监测点向管道中线移动,地表沉降变化速率明显增大,且在中线附近变化速率显著减小。随着注浆压力增大,与泥水仓压力工况不同,河道处地表沉降量变化幅度较小,注浆压力比为0.5时,管道中线上方地表沉降量为12.5 mm,当注浆压力比增大到1.0和1.5时,沉降量分别减小1.0%、5.1%。

图10 监测点1地表沉降变形曲线

从河道地表沉降变化结果可知,随着注浆压力的增大,河道处地表沉降量幅度减小;在保证注浆层充盈且减阻效果良好的情况下,通过改变注浆压力以达到控制河道地表沉降的效果不明显。

4.3 监测点2地表沉降

图11揭示了不同注浆压力比情况下顶进率先通过的河岸地表位移变化趋势。由图11可知,与不同泥水仓压力比工况类似,河岸处地表变形量以管道中线呈对称分布,并且管道上方地表沉降量最大。随着监测点向管道中线移动,地表沉降变化速率明显增大,且在中线附近变化速率显著减小;随着注浆压力增大,与泥水仓压力工况不同,河岸处地表沉降量变化幅度较小,注浆压力比为0.5Q0时,地表沉降量为5.0 mm,当注浆压力比增大到1.0Q0和1.5Q0时,沉降量分别减小0.6%、8.0%,沉降量变化幅度大致与河道地表沉降量变化幅度相同。

图11 监测点2地表沉降变形曲线

从河岸地表沉降变化结果可知,随着注浆压力增大,河道处地表沉降量幅度减小;在保证注浆层充盈且减阻效果良好的情况下,通过改变注浆压力以达到控制河岸地表沉降的效果不明显。

4.4 监测点3地表沉降

图12揭示了不同注浆压力比情况下顶进后的河岸地表位移变化趋势。从图12可知,与不同泥水仓压力比工况类似,河岸处地表变形量以管道中线呈对称分布,并且管道上方地表沉降量最大;随着监测点向管道中线移动,地表沉降变化速率明显增大,且在中线附近变化速率显著减小;随着注浆压力增大,与泥水仓压力工况不同,河岸处地表沉降量变化幅度较小,注浆压力比为0.5Q0时,地表沉降量为8.8 mm,当注浆压力比增大到1.0Q0和1.5Q0时,沉降量分别减小2.2%、9.1%,沉降量变化幅度大致与河道地表沉降量变化幅度相同。

图12 监测点3地表沉降变形曲线

从河岸地表沉降变化结果可知,随着注浆压力增大,河岸处地表沉降量幅度减小;在保证注浆层充盈且减阻效果良好的情况下,通过改变注浆压力以达到控制河岸地表沉降的效果不明显。

4.5 监测点4土体变形

图13揭示了不同注浆压力比情况下管道中线上方土体竖向位移变化趋势。从图13可知,与不同泥水仓压力比工况类似,土体竖向变形量与监测点距管道顶端的距离呈抛物线形减小,变化速率也逐渐减小,在距管道顶端4 m左右时,土体变形达到稳定状态;随着注浆压力的增大,与泥水仓压力比工况不同,管道中线上方土体变形量较小,几乎无变化。