顶管施工的环境影响有限元研究①

王 冬

(同济大学土木工程学院，上海200092)

0 引言

顶管法是一种非开挖的地下施工方法，其优势在于非开槽的暗挖方式，能够避免作业面对地上建筑物的直接影响，目前常用于自来水管、煤气管、供暖管道和通信电缆等管道的施工.

但是，作为一种地下施工方法，顶管法也不可避免地会对管道周围的土体产生扰动.如果对某些指标控制不好，会导致地面及地下构筑物的破坏.因此，地表变形是顶管法施工监控的重要内容.近年来，学者从三维数值仿真方面对顶管施工的环境影响进行了探讨［1－4］，但是对一些关键因素的研究还不够充分.

本文采用三维有限元方法对某顶管工程进行数值模拟，分析影响土体变形的重要因素，探讨了一些施工手段对周围环境保护的效果，以期为顶管法的应用提供指导作用.

1 有限元模型的建立

1.1 尺寸和边界条件

某工程地下通道埋深5.2m，顶管外径约2.6 m.计算模型的总宽度取约直径的6倍，即32m.深度取约埋深的4倍，即20m;纵向长取77米.模型侧面约束法向变形，底面固定，顶面自由.前后两面的土体位置添加法向土弹簧.在进出洞的位置，以基坑围护体系的钢板桩以及围檩、支撑等结构作为边界条件.在模型中，用SHELL单元模拟钢板桩，BEAM单元模拟围檩，忽略支撑的变形，用约束法向位移的方法来模拟支撑的作用.

1.2 参数选取

主要的土层包括:填土，厚1～2m;褐黄色粉质粘土，厚 1 ～1.5m，重度 18.6 kN/m3，粘聚力17kPa，内摩擦角22.8°;灰黄色淤泥质粘土，厚1m，重度 17.7 kN/m3，粘聚力 10kPa，内摩擦角 21.3°;灰色淤泥质粉质粘土，厚3～3.5m，重度17.3 kN/m3，粘聚力 6kPa，内摩擦角 19°.

每个施工步的顶推力和摩擦力根据实测数值计算得到.为了避免边界效应，主要研究中间段，因此两端的分析步进程较大，中间段分析步推进1～2m.

1.3 力学模型

采用刚度迁移法，利用多个静态过程的跳跃式推进模拟连续的推进过程.力学模型满足如下假设:(1)顶管正面推力为均布荷载;(2)管壁与周围土体的摩擦力沿管线均匀分布;(3)采用软化单元模拟地层损失的作用;(4)管节刚度远大于土体，忽略其自身变形，以位移约束来模拟［1］.

当小型盾构掘进机推进过快，形成开挖面的超挖时，土体和后续管节之间就会存在空隙，对周围土体的变形影响很大.这在有限元中很难进行模拟，本文采用弱化单元法，对周围土体单元进行刚度折减(见图1).

图1中绿色单元为弱化薄层，经过调整，将其弹性模量折减到10%，实际表明这与真实情况较为接近.

2 有限元计算结果分析

2.1 地表变形分析

经过计算，地表最大沉降值为25mm左右，位置在后部管节轴线的正上方20～30m处;最大隆起值为1.8mm，在管节轴线上方地表靠近接收井的位置.另外，地表竖向位移的分布是具有一定规律的，从管节轴线位置向两侧扩展分布.

图1 管节与土体间空隙

2.1.1 纵向变形分析

图2是管节中轴线上方地表测点在某一时刻的变形曲线.可以看到，地表的表现为前方隆起，后方沉降，开挖面通过测点下方越远，地表沉降越大.

图2 纵断面竖向变形曲线

当顶管从38m推进到43m，48m时，沉降逐渐累积，且最大沉降点在往前移，且最大隆起点也在往前移，最大沉降量约为25mm，隆起量为2mm.

当开挖到38m时，在48m附近开始表现为隆起，并在56m附近达到最大值;当开挖到43m时，在53m附近开始表现为隆起，并在60m附近达到最大值;当开挖到48m处，在58m附近开始表现为隆起，且在65m附近达到最大值.综合而言，隆起前方隆起处在开挖面前方2D(D表示顶管直径)左右处，并在3D处隆起量最大.

2.1.2 横向变形分析

(1)地表沉降槽

图3为管节推进到43m时，距离始发井14m左右的地层横断面的变形曲线.

图3 横断面竖向沉降曲线图

当横向距离离管节中心达到1D时，地表沉降值减小到最大沉降的50%，距离超过2D后，沉降趋于平缓.根据这一曲线，可以预测地表横截面方向的沉降大小，确定顶管推进时对地面的影响范围.

(2)地表隆起区

类似地，横向的地表隆起曲线是一个“倒锅形”的抛物线.顶管推进到达43m时，此时最大沉降发生在距离开挖面17m处，且由中间往两边逐渐变小，曲线逐渐接近平缓.隆起区横向影响范围大约在2D左右，曲线即趋于平缓.

2.2 正面顶推力对地表变形的影响

研究顶推力对于地表变形的影响，假设:(1)摩擦力为0MPa;(2)管节与土体之间的不存在空隙，即不用弱化周围土层.

顶推力分别取 0MPa，11MPa，70MPa，90MPa 和110MPa，可以得出不同顶推力下的顶管推进过程.图4是顶进43m时推力作用下的竖向变形.

图4 顶推力对前方隆起区域的影响

可以看出，顶推力在0MPa时，由于应力释放，土体表现为沉降，当顶推力逐渐增加到11MPa，70MPa，90MPa和110MPa时，开挖面前方的土体隆起也逐步增加.另外，当顶推力逐渐增加时，隆起区域也逐渐往前移动.顶推力为0MPa时，没有隆起区域，顶推力为110MPa时，隆起区域在前方5m处.

2.3 摩擦力对对表变形的影响

研究摩擦力对于地表变形的影响，假设:(1)顶推力为110KPa;(2)不考虑管节与土体之间的空隙，即对管节周围土体不进行弱化处理.土体与管片之间的摩擦系数分别取0，0.1，0.2，0.3，0.5 时，可以得出不同摩擦力下的土体变形情况(见图5).

图5 摩擦系数对竖向变形的影响

由上图看出，当摩擦系数逐渐增大时，土体与管片之间的摩擦力也逐渐增加，此时开挖面前方的隆起量增大，而后方的沉降量也增加.且隆起区域距离开挖面的位置提前了.

2.4 注浆加固对于地表变形的影响

在管节与土体之间注浆后，由于空隙被填满，注浆逐渐凝固后强度增加，此时管节土体的沉降将减少.根据经验，注浆通过将周围土体弱化50%来模拟.

图6是管节推进43m时地表中轴断面在未注浆和注浆后竖向变形图.

图6 未注浆与注浆后纵断面竖向变形对比

可以看出，注浆与未注浆两种情况下，沉降情况变化很大.注浆后，沉降量明显减少.最大仅为9mm，未注浆时，沉降量达到25mm左右.且最大隆起量也有所降低.图7是管节推进到43m时两种情况下距离始发井14m的沉降区域地表横断面变形图.

3 结论

本文对某工程的施工过程进行了三维有限元模拟，建立了简化的地层模型，对管节的顶进过程、开挖面正面推力、周围土体摩擦力、注浆加固等影响作用等进行了深入的研究，主要得到以下成果和结论:

(1)地层的变形量控制在20mm左右，在顶进方向上，地表面的纵向变形是“S”型的.前方土体以隆起为主，后方则形成沉降槽.沉降槽在横断面的影响范围2D，隆起区域在横断面的影响范围也为2D左右.

图7 横断面竖向沉降对比曲线

(2)推力小于开挖面土体的原位土压力时，土体向后移动，地表发生沉降;当推力大于开挖面土体的原位土压力时，土体向前方挤出，地表发生隆起.顶推力越大，隆起区域离开挖面也越近.

(3)不论在横截面方向还是在推进方向，地表沉降均随着摩擦力作用距离的增加而逐渐减小，在管节半宽度的6倍距离处几乎没有影响.

(4)注浆加固对地表的变形影响较大.注浆后，沉降量明显减少.最大仅为9mm，未注浆时，沉降量达到25mm左右，最大隆起量也有所降低.

结合工程实践，本文给出如下建议:

(1)土体与管节之间的摩擦力逐渐增加，则顶管机开挖面前方的隆起量增大，而后方的沉降量也增加.且隆起区域距离开挖面的位置提前了.因此，施工方应控制好浆液配比，保证浆液质量，尽量减小管节的侧壁摩阻力，同时这样也可以减小后方千斤顶的推力;

(2)注浆对地表的隆起区域影响较大，在开挖面前方，注浆后地表隆起明显降低.因此，应保证同步注浆速度与推进速度匹配，做到“推进、注浆同步，不注浆、不推进”，通过控制同步注浆压力和注浆量双重标准来控制注浆效果，从而减小后方土体沉降量;

(3)顶推力主要对于开挖面的前方影响较大，随着顶推力的增加，开挖面前方的土体隆起增大，但随着开挖面距离的增加，影响逐渐减小，因此，在保证顶管能够顺利推进的前提下，尽量减小顶推力，当顶管推进遇到困难时，不能一味的通过增大千斤顶推力，可以通过调整顶管周围浆液配合比，降低管节侧壁摩阻力等其他方式，从而减小顶推力对地面变形的影响.

［1］黄宏伟，胡昕.顶管施工力学效应的数值模拟分析［J］.岩石力学与工程学报，2003，22(3):400－406.

［2］冯海宁，龚晓南，徐日庆.顶管施工环境影响的有限元计算分析［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(7):1158－1162.

［3］杨转运.浅埋曲线顶管施工效应有限元分析［J］.山东交通学院学报，2008，16(3):60－63.

［4］黄吉龙，陈锦剑，王建华等.大口径顶管顶进过程的数值模拟分析［J］.地下空间与工程学报，2008，4(3):489－493.