平行顶管穿堤施工三维数值模拟及工程案例对比分析

王海礼，周国群

（1.浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江 杭州 310016；2.嘉兴市杭嘉湖南排工程盐官枢纽管理处，浙江 嘉兴 314411）

1 问题的提出

近年来，钱塘江流域开展大规模工程建设，众多引排水、天然气管道工程需要穿越堤防。目前国内最常用的非开挖施工技术的主要有水平定向钻技术、顶管技术和盾构技术3种[1]。顶管穿越技术通常作为中型管道、中长距离穿越堤防的首选，其具有施工影响小[2]、机械化程度高、安全性好、不受通航影响等优点[3-5]。本文在顶管穿越技术的基础上，利用分析软件，建立三维数值模型进行仿真分析，研究顶管穿堤施工过程对堤防安全性的影响，并结合嘉兴某港区工业集中区污水处理厂新建工程监测实例，对比数值模拟与实测成果，为今后穿堤工程设计、施工及过程监测等提供参考依据。

2 工程简介

嘉兴市某港区工业集中区污水处理厂新建工程，总规模5万m3/d，其中入江段采用泥水平衡式顶管法施工。管道为2×DN1 800 mm钢管（互为备用，衬砌厚400 mm，实际内径1 000 mm），壁厚22 mm，从高位井接出穿过堤防至外江，埋设深度为管道中心高程 -20.00~-17.60 m，管道轴线间距为6 m，管道全长713 m，坡比0.336%。堤身向下50 m范围内，主要有堤身填土、淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土、粉土夹粉质黏土、粉质黏土等组成。

顶管穿越堤防过程中会扰动周围土层，使土层原始应力发生改变和土体平衡遭到破坏，地面产生沉降，影响堤防安全。因此，施工过程中开展过程监测，测点沿着堤轴线方向布4排，分别位于内坡脚、堤顶、外坡平台和外坡脚。每排共设15个测点，以2根管中心线为轴线，向堤线两侧布点。同时在堤顶处管线外两侧3 m处布置2孔深层土体水平位移观测孔，测斜管埋深35 m，测点布置见图1。

图1 监测点布置平面图

3 三维数值模拟

3.1 计算模型与参数

FLAC3D具有强大的计算功能，本次三维数值模型采用ANSYS建立，通过布尔加、减、重叠以及粘合操作完成。模型左右边界自管道中心线向两侧取各50 m，底边界自地面（高程约2.40 m）向下取32 m。堤顶道路高程7.61 m，顶管中心轴线高程-19.20 m，管道直径为1.80 m。模型建成后进行网格划分，均采用8节点六面块网格，并在顶管及其周围3d范围内进行加密，模型共划分58 806个节点，54 684个单元（见图2）。

图2 三维数值模型图

数值计算中，不同土层重度、摩擦角、粘聚力、模量参数等根据工程地质勘查选取，分别计算体积模量和剪切模量，模型计算参数见表1。

表1 计算参数表

3.2 施工过程模拟

本次模拟主要考虑开挖卸载、泥水支护和地层损失等造成的地层扰动，同时考虑2根顶管施工的先后次序。具体模拟过程：①初始应力场平衡，根据地勘资料生成初始应力；②顶第1根管，开挖顶管内5 m土体，开挖面施加均布力，添加shell弹性单元，同时填充注浆材料；③重复第2步动作，每次顶进5 m，直至累计80 m；④计算平衡后顶第2根管，重复②、③步骤，穿堤结束。

4 数值模拟结果分析

模拟2根顶管穿堤结束后，将网格变形放大，可以明显看出，沿着顶管方向，地表有1个明显凹槽（见图3），对模型堤顶部位切片处理，并结合工程监测进一步分析堤防断面的纵向和横向变形分布规律。

图3 数值模型网格变形图

4.1 顶管纵断面沉降分布规律

顶管穿越堤防依次通过内坡脚、堤顶路肩、挡墙基座、外坡平台和外坡脚（见图4），当顶管机头距离堤防较远时（15 m外），受施工影响较小，堤防基本不变形；随着顶管机头的靠近，沉降速率急剧增加，沉降量较大，约占总沉降的75%。顶管通过后，沉降速率逐渐减小。

图4 顶管顶进方向土体竖向变形图

本项目堤顶沉降控制指标为20.0 mm，第1根顶管完成后，沉降量已达到11.0 mm，现场采取对管轴线上方土体进行注浆加固措施。在第2根顶管穿越时，堤顶测点沉降速率明显降低（见图5），数值模拟未考虑注浆影响，第2根顶管施工期间堤顶沉降速率仍表现为急剧增加，沉降量略大于实测值。

图5 管轴线上方堤顶测点沉降变化曲线图

4.2 顶管横断面沉降分布规律

顶管穿堤完成后，土层竖向位移呈对称分布（见图6），顶管上方土体表现为沉降（负值沉降、正值隆起），自管顶向地表方向沉降量逐渐减小，呈拱形扩散，管道上方堤顶道路最大值约22.0 mm；顶管下方周围土体表现为轻微隆起，越靠近顶管底端，隆起越大。

图6 堤顶断面竖向位移变化图

对堤顶横断面进行分析，第1根顶管完成后，地表沉降沿顶管轴线近似呈对称分布，最大沉降为11.2 mm，出现在管顶正上方（见图7）。第2根顶管完成后，由于新老顶管的相互影响，地层变形较单顶管更大，地表影响范围更广，地表最大沉降为22.0 mm，出现在2管道中心线上方。

图7 堤顶观测点累计沉降量图

2根顶管完成后，堤顶沉降量19.0~22.0 mm，较实测值大1.0~2.0 mm；中心线两侧10~40 m，模拟值较实测值小1.0~2.0 mm。产生差异的主要原因为模拟未考虑注浆加固后，管线上方土体强度提高。总体上，观测数值模拟与实测堤顶地表沉降趋势一致，地表沉降沿管轴线对称分布，中间大，两端小，表明离管轴线越远，地表沉降受施工影响越小。从观测结果看，施工主要影响范围自平行管中心轴线向两侧约20 m。

4.3 地层侧向变形分布规律

机头刀盘切割土体时，开挖面出现坍塌，上部土体向下产生较大变形，两侧土体受挤压背离管线向外移动，平行管线两侧土体位移呈对称分布，离管线越近，位移变化越大（见图8），土体侧向变形主要发生在地表埋深15.0~20.0 m，管轴线中心高程附近最大，变化量约7.0 mm，结果与实测值相吻合。

图8 堤顶断面水平位移变化图

5 结 语

对顶管法穿堤施工过程进行三维数值模拟分析，并与工程监测相结合，得出结论：

（1）顶管引起的地层变化，自管顶向地表方向沉降量逐渐减小，呈拱形扩散；顶管下方周围土体表现为轻微隆起，越靠近顶管底端，隆起越大。顶管过程中出现水平位移，亦呈对称分布，变化量远小于竖向位移。

（2）单顶管引起的地表变形，沿管轴线对称分布，中间大，两端小；平行顶管施工引起的地层变形较单顶管的代数和更大，地表影响范围更广。

（3）数值模拟结果与现场监测结果基本吻合，表明可通过合理选取参数进行数值模拟仿真分析，预测顶管施工引起地表土体的变形趋势以及主要影响范围，施工时应加强监测，保障堤防安全运行，同时为今后类似工程设计提供参考依据。