深层平行双顶管对海堤沉降的影响分析

顾 威，曹 坤，邹 恒，王弘元

［上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092］

0 引 言

我国东南沿海为台风常登陆地区，海堤受损情况屡有发生，一旦海堤损毁往往会造成巨大的经济损失[1]。穿越海堤堤身进行排海管顶管施工会扰动周围土层，使地层原始应力发生改变和土体平衡状态遭到破坏，对海堤的地表沉降、整体稳定、渗流等都将产生不利影响。顶管穿堤施工必须采取措施，严格控制施工过程对于堤身各方面的不利影响。本文结合工程实例，通过经验公式方法及数值模拟方法对顶管施工影响海堤的地表沉降进行研究分析，为类似工程设计提供参考。

1 工程概况

浙江海盐某污水处理厂工程规模20 万m3/d，尾水排放以铺设管道形式就近排放入杭州湾，排放管采用顶管施工，管材采用DN1800 钢管，排放管需穿越钱塘江入海口北岸海堤，相应区段堤顶高程8.2 m，海堤下方顶管中心标高为-14.0 m，顶管直径为1.8 m，两顶管中心距为5.25 m。土层地质参数见表1。

2 Peck 法海堤沉降分析

顶管施工对地面沉降受施工机械、施工工艺、土层性质、地下水和施工人员的素质、经验等条件影响，影响因素较多，计算条件较复杂。国内外对顶管施工引起的地面变形问题都做了大量研究，目前Peck 法在工程界得到广泛运用。

2.1 P eck 法计算顶管施工引起海堤沉降

Peck 法[2]通过对大量地面沉降数据分析，提出地面沉降槽呈拟正态分布的概念（见图1），认为土体移动由土体损失引起，施工引起的地面沉降是在不排水、不固结、体积不可压缩的条件下发生的，所以沉降槽体积应等于土体损失体积，横向地面沉降估算公式为：

图1 顶管横向沉降示意图

2.2 修正P eck 法计算双顶管施工引起海堤沉降

上述公式只能对单根顶管的沉降进行计算，采用叠加原理对式（1）进行修正，以计算两根顶管时地面的横向沉降（见图2）。

表1 土层地质参数

图2 平行顶管横向沉降示意图

L 为两根顶管的中心距，当两根顶管相距较远时，可不考虑两根管道相互影响；若两根相距较近时，必须要考虑两者之间的相互影响，在式（1）的基础上，根据叠加原理推导出如下公式来计算两根顶管时海堤地表的横向沉降。

当顶管施工a 管时，此时的地面横向沉降公式为：

两根顶管均施工完毕后，地面横向沉降公式为：

运用Peck 法及修正公式计算海堤堤顶处沉降值，堤顶沉降横向分布如图3 所示。

图3 顶管穿堤堤顶横向沉降曲线图（P e ck 法）

如图3 所示，顶管施工后，海堤地表沉降对称分布，最大沉降出现在顶管中心处。单根顶管施工完成后，堤顶沉降为4.76 mm；平行双顶管施工完成后，堤顶最终最大沉降为8.79 mm。双顶管相较于单根顶管增大了堤顶的沉降值。

3 数值模拟法海堤沉降分析

随着有限元法和计算技术的发展，数值模拟法在预测分析顶管施工引起的地层变形中被广泛应用。有限单元法可以考虑地层结构，适应复杂边界条件，提供更为丰富全面的计算成果。

当前主要表现：其一，思想观念错位。高校外部治理结构经历了松散管理、集权管理、分权管理，再到集权管理、现代化治理等多次变革和探索的轮回，很多人思想中没有高等教育“两治”现代化的概念，看不到“两治”现代化的功能作用，对高校法人治理模式的认识仍停留在传统的认识阶段。其二，原因分析缺位。虽注意到了存在的问题，但对问题原因的探究感到茫然，缺乏具体的对策。需要进一步研究存在的问题及原因，有针对性的提出“两治”现代化的对策，为党和国家的决策以及教育实践的开展提供理论依据。

3.1 有限元模型的构建

构建数学模型模拟分析顶管施工对海堤所产生的影响，模型设置顶管直径为1.8 m，两顶管中心距为5.25 m。海堤顶管中心标高为-14.0 m，海堤堤顶标高现状为8.2 m。通过试算确定对海堤变形无明显影响时的模型边界取值范围，左、右侧边界自顶管中心线起均取40 m，下侧边界自堤顶以下取40 m。

地基土层主要包括四个土层，由上而下分别是①塘身填土、②粉土、③淤泥质粉质黏土、④淤泥质粉质黏土，更深部分则被看作完全坚硬，以合适的边界条件加以模拟。

顶管有限元模型中包含了土体、顶管等结构。其中土体采用Mohr-Coulomb 本构模型；钢管采用线弹性模型；土-结构接触面采用界面单元模拟，钢管结构与土体在材料性质有较大差异，为了满足有限元理论位移协调原则，需要在两种材料之间加设界面单元。通过加设界面单元的方式可以有效模拟钢管与土体之间的相对位移。

土孔隙水压力分布是静态水压，水位高程取其平均高潮位，为2.55 m。海堤堤顶沉降的计算模型如图4 所示，模型采用15 节点单元为基本单元类型，共有266 个单元、2245 个节点。

图4 海堤堤顶沉降的计算网格图

3.2 数值模拟计算分析

根据顶管施工的先后次序，数值模拟分为两步。

3.2.1 第一条顶管施工后的地表沉降

数值模拟计算结果如图5 所示：第一条顶管施工后，海堤地表沉降沿顶管对称分布，最大沉降出现在顶管中心轴线处，顶管上方的地层沉降随深度增加而增加，在接近顶管顶端位置达到最大，顶管下方土体沉降较周围土体变小。顶管轴线正上方地表沉降最大，向左右沉降分别逐渐减小，最大沉降为3.63 mm。

图5 第一条顶管施工后模型竖向位移图（云图）

3.2.2 第二条顶管施工后的地表沉降

数值模拟计算结果如图6 所示：第二条顶管施工后，海堤地表沉降对称分布，最大沉降出现在两顶管中心位置，顶管上方的地层沉降随深度增加而增加，在接近顶管顶端位置达到最大，在顶管下方土体局部沉降减小。平行双顶管中轴线正上方地表沉降最大，向左右沉降分别逐渐减小，两根平行顶管对于地表沉降具有部分重叠影响，最大沉降为7.14 mm。

图6 第二条顶管施工后模型横向位移图（云图）

4 数值分析法与Peck 法对比分析

通过以上两种方法计算可以发现，无论是单顶管还是平行双顶管，数值分析法和Peck 法计算结果显示土体的变形规律是一致的，海堤地表沉降呈对称分布，最大沉降值均发生在管道中心轴线处，向左右沉降分别逐渐减小（见图7）。

图7 顶管穿堤堤顶横向沉降曲线图（数值分析法）

平行双顶管引起地表沉降最大值两种计算方法的结果比较，数值分析法比Peck 法小18.8%。Peck法出于简化公式的原因，未能考虑地质参数等因素，导致结果有差异。

平行双顶管引起海堤地表沉降影响宽度两种计算方法结果略有不同，根据刘建航沉降槽影响宽度系数计算公式得到的沉降槽影响半宽约35 m，而数值分析法得到的沉降影响半宽约25 m（见图8）。

图8 平行双顶管穿堤堤顶横向沉降曲线对比图

5 结 语

通过沉降经验公式、有限元数值模拟等研究手段计算分析了深层双顶管施工对海堤的影响，得到以下结论：

（1）顶管施工引起的海堤地面沉降受多种因素的影响，主要有顶管覆土厚度、顶管外径、开挖面压力、地层物理力学性质、施工条件等[2]，根据规律，顶管穿堤工程可制定对海堤影响较小的方案。

（2）平行双顶管施工土体位移规律：第一根顶管施工后，钢管左右土体有靠近顶管的水平移动；土层沉降对称分布，最大沉降出现在顶管中心轴线处，顶管上方的地层沉降随深度增加而增加，在接近顶管顶端位置达到最大，在顶管下方土体的位移随着土层损失率的增大而增大，顶管下方垂直位移可能会由向下变为向上，接近管底的地方最大。第二根顶管施工时对于土体的独立影响规律与第一根顶管相似，叠加作用导致两顶管之间区域受到双重扰动，产生的海堤地表沉降较大。随着平行顶管中心间距的增大影响逐渐减小。

（3）深层顶管引起海堤地表的沉降较小，沉降呈对称分布，平行管道中轴线正上方地表沉降最大，向左右沉降分别逐渐减小。通过Peck 法计算和有限元数值模拟计算横向地表沉降，两种研究方法的计算结果显示土体的变形规律基本一致，相互印证了两种方法的合理性。Peck 法出于简化公式的原因，未能考虑地质参数等因素，计算结果比数值分析法较大。

（4）Peck 法沉降槽宽度影响系数并未考虑土层的分层沉降、地质条件等因素，需要结合实际情况，评估顶管施工的影响范围。