市政工程中大管径顶管施工地表沉降数值模拟

师煜

（中交第四公路工程局有限公司总承包分公司，北京 100024）

一、工程背景

（一）工程概况

内蒙古呼和浩特市盛乐现代服务业集聚区施工的电力电缆地下隧道总长10.83公里。设计电力隧道穿越既有道路时采用顶管施工，项目共设有7处顶管，顶管总长540m，其中顶进距离最长164m、最短40m。施工顶管所需工作井和接收井全部采用矩形沉井，管顶覆土最大厚度约为5.79m，最小厚度约为4.41m。

（二）水文地质特征

根据气象站多年观测资料，该地区平均降雨量为400mm，且每年降雨多集中于7～8月份，约占全年降雨量的77%，施工场地内地下水属潜水及微承压水，地下水位的变化主要受大气降水影响。根据地质勘探报告记录，地下水位最浅埋深为3m，因此，顶管施工过程中会受到地下水的影响。

沉井顶管施工段落地层根据其形成年代、成因类型及工程性质特征自上至下可划分为两个主层和若干亚层。耕土层：粉土为主，土层厚度在0.2～1.4m之间，处于松散状态；粉土层：褐黄色，土层厚度在1.3～6.2m之间，中度密实、土质均匀，局部与粉质黏土互层，其工程力学性质较好；细砂层：黄褐色，土层厚度在0～2.8m之间，且分选性好，以石英、长石为主要矿物成分，其物理力学性质较好；粉质粘土层：褐黄色，土层厚度在0.4～5.5m之间，为夹粉土层，其物理力学性质较好；施工场地地基土承载力在100～240KPa之间，压缩性中等，其力学性质较好。

二、顶管工艺选择

根据该地区工程地质勘察资料及现场实际情况和设计资料等，本项目顶管施工采用泥水平衡法。泥水平衡法是一种对土体不进行明挖的管道铺设方法，其作用原理是利用顶管设备即千斤顶产生前进的推力，来克服管道与周围土体之间产生的巨大摩擦力，管道在前进的同时将管道占用的土体不断地置换出来。该方法的优点为：

1、适用地下水压力变化范围大的土质；

2、在施工过程中，因对土体扰动较小，泥水平衡有效地保证了被挖掘面的稳定性，因此地面沉降量小；

3、施工时总推力比较小，适用于在黏土层中的长距离顶管施工；

4、采用泥水管道输送弃土，不用吊土和转运所需垂直、水平运输设备，因此安全性较高；

5、此方法可以连续作业，缩短工期，加快工程进度。

图1 顶管施工流程图

三、注浆对土体沉降影响数值模拟研究

在顶管施工过程中，注浆的作用：

1、注浆可以填补施工过程中管道与土体之间的孔隙部分；

2、在注浆压力的作用于下，能够有效减少土体变形，使顶管周围的土体更加稳定，有利于减小地面沉降。

注浆的基本要求：

1、为了减小管道与周围土层的摩擦力，顶进管道与土体之间要留有一定的间隙，其大小一般不应小于20mm；如果土层较为坚硬，一般要求间隙宜达到30mm左右。触变泥浆在顶进过程中管道与周围土体之间可以形成连续不断的润滑减阻保护膜，从而达到减少摩擦阻力的效果；

2、在进行管节注浆施工过程中，要时刻确保注浆原材料具有流动性，同时也需要确保注浆材料具有一定的稠度，以保证注入的浆体不会渗漏到周边地层当中去，这样才能形成优良的减阻润滑膜；

3、在实际的管道顶进施工过程中，因为会存在泥浆渗流现象，触变泥浆总量会有一定程度的损失。如果出现遗漏量过多的情况，就需要立即补浆。也唯有在渗流作用达到稳定状态后，管道周围方可建立起稳定而连续的泥浆套。

触变泥浆是一种悬浮态的流体，具有触变性。当触变泥浆不受外力冲击处于静止状态时，会从悬浮态转变成凝胶体；而受到振动、搅拌或被泵送时，它又会转变成黏性液体。由此可见，它的形态可以在液体与凝胶体形态之间发生多次转变，有效地将这种触变性在顶管顶进施工过程中加以利用，就可达到减阻和提高工效的目的。

（一）三维数值模拟物理模型

1、数值模拟计算模型

本项目共设有7处顶管，顶管总长540m，各处顶管长度以及管道上最大覆土厚度见表1。

表1 顶管长度及覆盖土厚度统计表

图2 三维数值计算模型

选取最长一段顶管施工距离，建立数值模拟的物理模型，即顶管为164m，上覆土层5.79m，如图2所示，顶管道与上覆土层之间的间隙按20mm计算，管道内径为3m，壁厚为0.3m，单管节长度为4m。模型尺寸X*Y*Z为164*24*18m，浅蓝色代表管道与土体之间的间隙、绿色代表管壁厚度、红色代表管体中的土体、浅绿色代表管道周围的土体。模型包含56437个节点，324071个单元。在管道中心上方地表设置监测点，两侧间隔2m分别设置15个监测点，在管道上方到地表设置5个监测点。

2、本构模型与计算参数

在数值模拟仿真计算模型中，土体、管道以及注浆体都采用了FLAC3D内嵌的Mohr-Coulomb本构模型。此本构模型是岩土力学数值计算中应用最为广泛的本构模型之一。

Mohr-Coulomb准则认为，岩石承载的最大剪切力τ由黏聚力c和内摩擦角ϕ确定，直线型Mohr-Coulomb强度准则可表示为公式1：

式中：σ为正应力。

若用主应力表述，可表示为公式2：

式中：σ1和σ3分别为最大和最小主应力。

在数值计算中，土体、管道和注浆材料的计算参数见表2。

表2 岩体物理力学参数

3、模拟过程

（1）边界条件和初始条件：三维数值模型的前后左右以及底部边界为法向约束限制位移，地表为自由面。施工计算前，土体在自重应力的作用下，达到初始应力平衡状态。因为在施工前，土体经过长时间的作用已经处于稳定状态，不经过施工扰动不会发生地表沉降。如图3所示，在自重应力作用下土体沉降量自上而下逐渐增大，地表的沉降量最大可达到72mm，在模量顶管施工前要将所有的位移沉降清零。

图3 模型计算平衡沉降位移云图

（2）开挖：在模拟中，管道沿着X轴方向推进，模拟完全按照管长4m的步长进行。每步开挖后，管道和土体之间都留有间隙，间隙按照有注浆进行数值模拟，分析其地表沉降量。在有注浆时，由于边顶进边注浆，因此开挖后应将开挖间隙立刻按照触变泥浆的力学参数回填，待全部管道顶进完毕后，再将触变泥浆的力学参数换成凝固体力学参数进行计算，最终使其达到平衡状态；在无注浆数值模拟计算时，管道和土体之间的间隙按空模型计算，直至达到平衡状态。

（二）计算结果与分析

即便在顶进过程中不断注浆，由于施工扰动，管道上方的土体沉降最为严重，可达到10mm，成放射状向上扩展，并且沉降量在不断缩小；管道下方土体有拱起，最大拱起量可达到9mm。

在开挖计算初期，地表的监测点沉降位移变化速率很快，随着触变泥浆的作用，位移沉降量变化速率减慢，逐渐趋于稳定值。在施工完成后，触变泥浆固化，随之对上方土体起到很大的支撑作用，土体沉降有一定的恢复，且越接近地表作用越小。

管道正上方的地表沉降最大，监测点按2m间距布置，在距离管中线12m处地表沉降为0.03mm，几乎没有位移沉降；在距管中线12m范围内施工会引起地表沉降，在此范围内应该加强地表沉降的现场监测。

管道正上方的土体沉降量最大，可达到10mm，越向上土体沉降量越小，但不是按线性减小，最初减小量很大，越接近地表沉降量变化越小。

四、结语

本文对呼和浩特盛乐现代服务业集聚区电力电缆隧道工程沉井大管径顶管施工过程中，因注浆引起的地表沉降进行了数值模型定量分析，得出如下结论：

1、直径3m的顶管施工时，地表最大沉降量在顶管中线上方位置，且距离中线越远沉降量不断减小，在12m处几乎没有地表沉降，因此地表沉降范围在中线两侧12m范围内，沉降范围大约为顶管直径的4倍；

2、顶管上方覆盖的土体，在顶管处沉降量最大，向上成放射状依次减小，但减小的速率不同；

3、通过模拟计算与施工监测，大直径电力隧道采用触变泥浆顶管工艺施工，能够满足城市道路路面沉降要求。