浅层顶管施工对路面影响的数值模拟分析研究

张 鹏

(北京城建集团有限责任公司，北京 100088)

顶管法施工是指利用顶进装备顶力克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道顶入土中并将土方运出的一种非开挖管道施工方法[1-3]。采用技术施工，在穿越既有道路、结构物的过程当中对地上地下建筑设施的无干扰破坏，各类地层适应性强，施工安全可靠，表现出了较大的优越性和先进性，在浅层管道施工中得到了广泛的应用[4-7]。

目前，数值模拟方法因其在复杂参数处理方面的优势[8-11]，学者们将数值模拟方法应用在顶管法施工计算中，取得卓有成效的研究成果。有学者以昆明4号线菊华站地铁车站过街通道矩形顶管近接高架桥施工为背景，利用FLAC3D软件分析了顶管隧道施工全过程中邻近桥梁桩基的安全性[12]；利用MADIS-GTS有限元软件建立了顶管近距离施工模型，分析了顶管近距离施工对地铁高架结构的影响[13]；利用数值模拟方法建立有限元计算模型，研究了沉井和顶管施工对附近土体的扰动以及高架桥桩基的变形、受力等情况[14]；采用Midas Gts Nx建立基坑与桥梁三维有限元模型，分析了依托某污水管顶管井深基坑近接高架桥梁工程加固参数的有效性[15]。在上述研究的基础上，本文利用FLAC3D数值模拟软件[16-18]建立了商丘某市政改造工程中的新建雨污水管道下穿机动车道施工的有限差分法数值计算模型，在验证模型计算正确性的基础上，分析了路面变形随顶推力、注浆压力和管道埋深的变化规律，确定了最佳的设计参数。

1 数值模拟方案设计

1.1 数值模拟模型建立

商丘某市政改造工程要求新建雨污水管道下穿机动车道，并与原有排水管网连接。为不影响路面交通，新建管道拟采用顶管法进行施工，管道材料为Ⅲ级C50钢筋混凝土承插口管，埋深为1.8 m，总长度为34.0 m，设计由17节管节拼装而成，每节管道长度为2.0 m，管道内径为2.0 m，厚度为0.25 m。为研究顶管施工过程中路面的变形情况，基于圣维南原理[19-20]，采用FLAC 3D建立顶管施工数值模拟模型，具体如图1所示。模型宽度为30 m、长度为34 m、高度为15 m，由51 695个节点和48 960个单元体组成，边界条件设置为底面以及四周均法向位移约束、顶面自由。顶管施工过程中布置了2处监测观察断面，其中横断面距工作井10 m，纵断面穿过管道中心。

图1 顶管施工数值模拟模型Fig.1 Numerical simulation model of pipe jacking construction

1.2 计算参数确定

顶管施工影响范围内土层主要为褐黄色粉土，采用摩尔-库仑模型进行模拟；顶管管节为钢筋混凝土材料，采用弹性模型进行模拟；注浆加固层为粉土与水泥浆液混合体，采用摩尔-库仑模型进行模拟，这些材料的参数取值如表1所示。模拟顶管施工时，为反映顶管机头对前方土体的支撑作用，对掌子面施加150 kPa的顶推力；为反映顶管机与周边土体的相互摩擦以及注浆压力作用，在顶管管节与注浆加固层之间设置一层接触面(接触面刚度设置为300 MPa，摩擦系数取0.7)，并对接触面位置土体施加7 kPa的切向应力和50 kPa的法向应力。

表1 不同材料的物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of different materials

1.3 数值模拟工况设计

为进一步研究顶管机不同施工技术参数对路面变形的影响，本文在实际工程基础上，设计了以下不同计算工况：

(1)不同顶推力。保持其他计算参数不变，将顶管机对掌子面的顶推力变为187.5、112.5 kPa；

(2)不同注浆压力。保持其他计算参数不变，将注浆压力变为62.5、37.5 kPa；

(3)不同管道埋深。保持其他计算参数不变，将管道埋深变为2.8、0.8 m。

2 数值计算结果分析

2.1 顶管施工对路面变形的影响分析

2.1.1横断面位移变化

浅层顶管施工过程中监测横断面位置处土体的竖向位移变化如图2所示。

(a)顶进10 m

从图2(a)可以看出，当顶管机靠近横断面时，由于顶管机前方顶推力的影响，管道周边2倍洞径范围内的土体将发生隆起现象，尤其是靠近顶管机顶部的位置，其最大隆起值达到了1.19 mm；由顶管机顶部位置往左右或上、下2侧，土体隆起值将逐渐减小并最终趋于0。从图2(b)可以看出，当顶管机刚通过横断面时，由于顶管机外径略大于管道外径，因此顶管机通过后，管道周边土体将向管道内产生明显的径向位移，导致横断面土体在管道顶部出现最大沉降值1.97 mm；而在管道底部出现最大隆起值4.7 mm。随着管道外注浆填充以及补强加固作用，横断面土体将迅速保持稳定，其竖向位移随着顶管机远离横断面变化将不再明显，具体如图2(c)所示。而路面变形影响不大，此时横断面位置处路面竖向位移基本为0。当顶管机距横断面距离小于4 m时，随着顶管机的向前推进，管道中心10 m(约4倍管道外径)范围内的路面将发生明显隆起并呈“单峰”分布，峰值点位于管道中心位置，且顶管机距横断面越近，峰值越大。当顶管机靠近横断面时，其值将达到0.70 mm；当顶管机通过横断面后，管道中心4 m(约1.6倍管道外径)范围内的路面将发生沉降，且距中心越近，其沉降幅度越大，可导致横断面位置处路面变形呈现明显的“双峰”分布特征，即此时其最大隆起值出现在管道两侧距管道中心约4 m的位置，为0.46 mm；最大沉降值则出现在管道中心位置，为-0.01 mm。随着顶管机逐渐远离横断面，横断面位置处路面变形分布特征基本保持不变，只不过其在管道中心处的沉降值将变至-0.10 mm，其在两侧的最大隆起值则增至0.51 mm。

图3给出了顶管机不同顶进距离下监测横断面处路面的竖向位移变化曲线。当顶管机距横断面距离大于4 m时，顶管机的向前推进对横断面位置处

图3 顶管施工过程中横断面处路面的竖向位移变化曲线Fig.3 Vertical displacement curves of the road surface at the cross section during pipe jacking construction

2.1.2纵断面位移变化

浅层顶管施工过程中监测纵断面处土体的竖向位移变化如图4所示。

由图4可以看出，在顶管不同顶进距离下，监测纵断面土体的竖向位移变化分布特征大体一致：位于顶管机后上方的土体发生沉降，且最大沉降值(约2.1 mm)出现在每节管节的顶部位置；位于顶管机后下方的土体则发生隆起，其最大隆起值约为4.9 mm，出现在每节管节的底部位置；位于顶管机左上方约4 m范围的土体将发生隆起，其隆起值约为1.2 mm，出现在靠近顶管机机头顶部的位置；顶管机前方10 m范围外的土体位移则基本保持不变。由此可见，浅部顶管施工对路面变形的纵向影响范围主要为顶管机前方10 m至工作井之间的区域。

图5给出了顶管机不同顶进距离下监测纵断面处路面的竖向位移变化曲线。

图5 顶管施工过程中纵断面处路面的竖向位移变化曲线Fig.5 Vertical displacement curves of road surface at longitudinal section during pipe jacking construction

从图5可以看出，顶管机在不同顶进距离下，路面沿着管道方向的竖向位移分布特征大体一致：在顶管机后方，路面变形主要表现为沉降并呈现一定的“凹槽”分布特征，其值在距工作面2 m处最大，为0.55 mm；由最大沉降位置往顶管机机头方向，其沉降值逐渐减小为0；在顶管机前方，路面变形主要变形为隆起并呈现“单峰”分布特征，其最大隆起值出现在顶管机前方约2～3 m的位置，接近0.8 mm，由最大隆起位置往前后，路面隆起逐渐减小；当与顶管机机头距离达到10 m以上时，其值就基本为0。

2.1.3塑性屈服区

浅层顶管施工过程中监测横横断处土体的塑性区变化如图6所示。

(a)顶进10 m

从图6可以看出，当顶管机靠近横断面时，横断面土体仅在路面以及管道内部区域产生少量的塑性屈服区；而当顶管机通过横断面后，横断面土体将在管道外侧产生1圈厚度约0.3 m的塑性屈服区，同时管道上方的塑性区将贯通至路面，导致路面塑性区宽度增至6 m；随着顶管机逐渐远离横断面，横断面土体在注浆后基本保持稳定，其位于管道外侧的塑性区范围基本不变，而路面塑性区则会向两侧略微向外扩展约0.5～1.0 m。

2.1.4与实际监测数据的对比

不同顶进距离下路面变形模拟值与监测值的对比曲线如图7所示。

(a)纵断面

由图7可以看出，顶管机不同顶进距离下，路面变形模拟数据与监测数据的大小和变化规律均大体一致：纵断面上隆起最大值均约为1.0 mm，出现在顶管机前方约3.0 m的位置，沉降最大值均约为0.5 mm，出现在顶管机后方距工作面约2.0 m的位置；横断面上路面变形影响范围均约为20 m，在顶管机靠近时呈“单峰”分布且隆起最大值约为0.75 mm，而在顶管机通过后则呈“双峰”分布，隆起最大值约为0.50 mm。由此可以说明，本文数值模型与计算参数取值是合理的，模拟结果能够较为准确反映浅层顶管施工对路面变形的影响。

2.2 顶管机顶推力对路面变形的影响分析

顶管施工结束后，不同顶推力下路面的竖向位移分布曲线如图8所示。

(a)纵断面

从图8可以看出，当顶推力为设计推力(150 kPa)的125%时，路面在顶管施工后整体表现为隆起，其隆起值在纵断面上最大为1.1 mm，最小为0.25 mm；而在横断面上最大为0.90 mm，中心处为0.52 mm。当顶推力为设计推力的100%时，路面在顶管施工后隆沉参半，其隆起值在纵断面上最大为0.34 mm，在横断面上最大为0.46 mm，其沉降值在纵断面上为0.53 mm，在横断面上最大为0.10 mm。当顶推力为设计推力的75%时，路面在顶管施工后整体表现为沉降，其沉降值在纵断面上最大为1.60 mm，最小为-0.63 mm；而在横断面上最大为0.48 mm，最小为0.28 mm。由此可以说明，浅层顶管施工中，顶管机顶推力不能太大，也不能太小，否则将导致路面隆起或沉降过大。对本文工程而言，顶管机顶推力取150 kPa左右较为适宜。

2.3 注浆压力对路面变形的影响分析

顶管施工结束后，不同注浆压力下路面的竖向位移分布曲线如图9所示。

(a) 纵断面

从图9可以看出，当注浆压力为设计压力(50 kPa)的75%时，纵断面上路面最大沉降为0.69 mm，最大隆起则为0.15 mm；横断面上中心处沉降为0.33 mm，最大隆起则为0.45 mm。当注浆压力为设计压力的125%时，纵断面上路面最大沉降为0.15 mm，最大隆起则为0.50 mm；横断面上中心处隆起为0.10 mm，最大隆起则为0.59 mm。由此可见，注浆压力的增大可以明显减小路面的沉降；但是注浆压力也不宜过大，否则会导致路面发生过大隆起。由本文计算结果可知，当注浆压力为50 kPa左右时，路面差异变形相对较小，有利于行车安全。

2.4 管道埋深对路面变形的影响分析

不同管道埋深下，当顶管施工结束后路面的竖向位移分布曲线如图10所示。

(a)纵断面

从图10可以看出，当管道深埋为0.8 m时，路面整体表现为隆起，其隆起值最大达到1.06 mm；而当管道埋深为2.8 m时，路面整体表现为沉降，其沉降最大值为1.90 mm。这表明在相同施工参数条件下，随着管道埋深的增加，路面沉降值将呈非线性快速增长。因此，对于埋深不同的管道，应采用不同的顶管施工参数，而这个参数值需根据工程水文地质条件以及管道的具体设计参数而定，并在可能的情况下，设计一个试验段。

3 结语

本文以商丘某市政改造工程新建雨污水管道下穿机动车道工程为背景，采用FLAC3D建立了顶管施工数值模拟模型，分析了顶管施工、顶管机顶推力、注浆压力和管道埋深对路面变形的影响，主要结论：

(1)数值模拟和实际监测的路面变形曲线呈现出了大体一致的变化规律，最大变形量出现位置和数值基本相同，这表明本文数值模型与计算参数取值是合理的；

(2)当顶管施工小于等于8 m时，横断面的路面沉降呈现“单峰”分布；大于8 m时，呈“双峰”分布；路面的最大沉降值随施工距离的增大而增大，影响范围约为10 m；

(3)对比分析了顶推力分别为112.5、150.0和187.5 kPa，以及注浆压力分别为37.5、50.0和62.5 kPa时，管道埋深分别为0.8、1.8和2.8 m时路面的竖向位移分布规律。结果表明：采用150.0 kPa顶推力、50.0 kPa注浆压力和1.8 m管道埋深的路面变形量最小。