顶管近接施工对邻近建筑物的影响分析

吴大国 ，彭建和 ，候高峰

（安徽省建筑工程质量监督检测站，安徽 合肥 230088）

1 引言

顶管法作为一种先进的铺管技术，以开挖量小、对周围环境影响小和施工速度快等显著的优点而被广泛的应用于市政工程中，但顶管施工过程会对土体产生扰动，特别在顶管近接建筑物施工时，对建筑物的影响更为明显，会使得周围地表及建筑物发生沉降[1～4]。如连霍高速公路施工单位在顶管施工工程中，未能针对地质条件采取相应的措施，造成了挖掘面上方的流沙土体坍塌；在开封市的玉皇阁整体顶升保护工程中，因顶管施工造成了玉皇阁建筑物的不均匀沉降。因此，合理开展顶管施工，降低其对邻近建筑物的影响，是当前岩土领域的热点问题之一。

研究顶管施工造成土体变形和地表沉降的方法很多，如现场监测分析法、理论分析法、数值模拟法等，其中数值模拟分析作为一种重要的研究方法而越来越受到重视。随着计算机技术的发展，顶管施工的三维模拟越来越精细，其计算结果也越来越与实际工程接近。相关研究[7～10]也已证实数值模拟分析的可靠性。

鉴于此，本文结合某截污改造实际工程，通过建立三维有限元力学模型，对顶管施工引起的邻近居民楼基础沉降进行数值模拟分析，力求得出顶管施工对邻近居民楼基础沉降的影响规律。

2 工程概况

某截污改造工程某段顶管管线全长51m，埋深5m，顶管管径DN800mm，管道材质为F型钢筋混凝土管（Ⅲ）。管道沿线地貌单元为河漫滩及一级阶地，微地貌为凹凸间地。管道出露地层为新近回填土（主要为褐色耕植土，局部为杂色杂填土）、第四系全新统（Q4）和更新统（Q3）冲洪积层，主要为褐～褐黄色淤泥质粉质粘土（软塑状态），可塑状粉质粘土，下伏基岩为灰岩或泥质砂岩。在此段顶管施工区域有一栋居民楼，该居民楼为综合住宅楼，平面尺寸为46m×10m（长×宽），上下共5层，第1层为框架结构，第2～5层为砖混结构。基础采用钢筋混凝土材料，埋深为1.2m，该居民楼近顶管端基础外侧与顶管轴线净距为2.2m。在顶管施工过程中，受雨水影响，该区域局部沉降值达到了0～15mm，顶管施工完成后施工方根据专家意见采取了注浆的手段对顶管周围及其可能影响的范围进行加固。

3 顶管施工过程的数值模拟

有限差分法、有限元法、离散元、边界元以及非连续变形分析法等新方法是目前岩土工程常采用的数值分析方法。其中有限差分法是最早应用于工程科学的数学方法之一，由于其在解决非线性、大变形问题、物理的不稳定问题方面较为有效而被广泛应用于岩土工程中。FLAC3D软件是有限差分法最好的应用之一，其采用了显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够准确地模拟材料的塑性破坏和流动，特别适用于分析渐进破坏、失稳以及模拟大变形。基于FLAC3D软件在岩土工程领域的广泛应用，本次数值模拟采用FLAC3D软件。顶管施工是一个循序渐进的连续过程，模拟过程采用不断改变单元材料类型和参数的方法来反映顶管的顶进，在模拟计算之前，先在模型里预设管内土体开挖单元、管节单元及注浆体单元。顶管推进时，假设管道一步一步往前推进，每次向前推进5m，使用model null命令去掉开挖土体单元，同时改变此次5m范围内相应的单元材料模型和参数来模拟管节的安装和注浆，不断重复此步骤直至开挖完成。

3.1 三维数值模型

根据工程的具体情况，并考虑顶管施工的影响范围及边界条件的影响，建立三维数值网格模型。模型纵向长度（平行于顶管顶进方向）取88m，横向宽度（垂直于顶管顶进方向）取108m，高度取20m。模型采用8节点六面体单元进行划分，按离管道的远近，网格从疏到密，共划分为1644893个单元，1555723个节点，网格模型如图1和图2所示，顶管截面示意图如图3所示。

3.2 材料的本构及屈服模型

在较低应力状态下岩土体（含注浆材料）的应力应变关系基本符合理想弹塑性模型，屈服规律符合Mohr-Coulomb屈服准则。本次数值模拟计算过程中，土体及注浆材料的本构模型取弹塑性模型，相应的屈服准则选取Mohr-Coulomb屈服准则。管节、工作井及居民楼1层建筑物构件及楼房基础均为钢筋混凝土材料，在外荷载的作用下，其变形一般都处于弹性阶段，故其本构模型采用线弹性本构模型。

图1 整体数值网格模型

图2 A-A剖面数值网格模型

图3 顶管截面示意图

3.3 初始条件与边界条件

（1）初始条件：初始垂直土体地应力按土体自重考虑。

（2）边界条件：模型上表面为自由面，模型前、后、左、右侧边界施加水平方向约束，模型底面施加竖向法向约束。

（3）荷载施加：将居民楼荷载做等效处理。通过对第2～5层砖混结构的面积和高度进行自重估算，得到每一层楼房的自重大约为9000kN，故将第2～5层砖混结构自重荷载等效为80kN/m2的均布荷载施加在第一层楼板上。

3.4 材料参数

根据地质勘查报告中关于岩土体的物理力学性质数据及相关参数建议值，并类比其它类似岩土体的物理力学参数值，综合确定本文的计算参数见下表。

顶管施工区域建筑及岩土体参数取值

3.5 计算工况

工况1：顶管开挖施工工况。

工况2：顶管施工结束后顶管上方土层注浆工况。

3.6 计算结果分析

通过Flac3D软件对顶管施工过程及施工结束后的注浆过程进行数值模拟计算，得到工况1及工况2条件下的竖向位移云图如图4和图5所示。

图4 工况1竖向位移云图

图5 工况2竖向位移云图

由图4和图5可以看出，在顶管轴线的上方土体有沉降，而在靠近顶管的上部位置，土体沉降较大，达到了33.0mm。顶管施工开挖会引起居民楼基础沉降，沉降最大值为8.0mm。顶管施工结束注浆后的居民楼基础沉降最大值为9.5mm，沉降值的增量仅1.5mm，说明注浆对抑制沉降的进一步发展有积极的作用。

将居民楼基础竖向位移随着居民楼基础底部距顶管中心轴线距离增加的趋势绘制成图6。

图6 居民楼基础竖向位移分布图

据图6可知，随着居民楼基础底部距顶管中心轴线距离的增加，两种工况下的居民楼基础竖向位移都呈逐渐减小的趋势。在居民楼基础底部距顶管中心轴线10m处，居民楼基础的沉降几乎为0，说明顶管对居民楼基础的影响主要在10m范围内，超过10m时，顶管施工对居民楼基础的沉降几乎没有有影响。在靠近顶管中心轴线一侧的居民楼基础沉降值较大，工况1和工况2条件下的沉降分别为8.0mm和9.5mm，局部倾斜值分别为0.0009和0.01，均小于根据公式（1）[11]确定的高压缩性土类地基允许最大沉降值S=11.7mm和局部倾斜最大值Δ=0.003（规范[11]规定值）。顶管施工结束后，注浆施工过程中，居民楼基础沉降值和局部倾斜值的增量分别为1.5mm和0.0001，说明注浆对居民楼竖向沉降和局部倾斜的进一步发展有较好的抑制作用。

式中：l——相邻柱基中心距离，本文柱基间的距离为3.9m；

为了进一步了解地表土体的沉降变化趋势，将地表竖直位移随着距顶管中心轴线距离增加的趋势绘制成图7。

据图7可以看出，在工况1和工况2下的竖向位移都呈两边沉降小、中间沉降大的趋势，在管道轴线上方地表沉降值达到最大，分别为15.5mm和16.7mm，随着距顶管中心轴线距离的增加，地表沉降值逐渐减小，在顶管中心轴线近居民楼一侧10m处地表沉降值几乎为0，即该位置的沉降受顶管施工和施工后注浆过程的影响较小。距顶管中心轴线2.2m处的居民楼地表沉降值在开挖完成阶段和注浆阶段分别为8.0mm和9.5mm。顶管施工结束后，注浆施工过程中，居民楼地表最大沉降值的增量仅1.5mm，说明注浆对地表竖向位移的进一步增加有较好的控制作用。

图7 地表竖向位移分布图

4 结语

本文通过对某截污改造工程进行数值模拟计算，分析得出顶管近接施工对邻近建筑物基础沉降的影响规律，结论如下：

①顶管施工会使得管道轴线正上方的地表土体沉降较大，且随着距管道中心轴线距离的增加，地表沉降逐渐减小；

②顶管施工会使得邻近建筑物的基础发生沉降，但有一个影响范围，故应重点关注该范围内建筑物的基础变形情况；

③顶管施工结束后及时灌浆能有效抑制地表沉降的进一步发展；

④顶管施工引起地表下陷的原因是多方面的，在顶管施工过程中必须对周边地表和建筑物实行实时监测，分析数据并预测其变形，为施工的安全性提供可靠的依据。