有限元软件分析不同顶管的埋深对周围土体的影响

程曼 CHENG Man；凌春 LING Chun；吕品 LV Pin；杨梓俊 YANG Zi-jun；王威 WANG Wei

（武汉工程大学土木工程与建筑学院，武汉 430073）

0 引言

顶管法是根据盾构机发展演化而来的，从地下穿越，不需要开挖地表，相比明挖的顶管工程，不需要破坏周围建筑物，对周围环境影响较小，节省成本，提高施工效率的优势明显，能够适应多种复杂地质情况，应用于地下工程的主要设备之一，它与盾构机相比较小，比较灵活，主要应用于城市的地下管网工程中，如雨污分流工程。顶管法是利用顶管机头，把预制顶管从始发井一节一节顶进预定位置，再从接收井把机头吊出来，以此循环的地下施工。但是，遇到复杂的地质，根据以往的工程经验，不确定风险大幅度提高，随着科技的不断发展，我们的相关理论也在逐步完善，我们可以利用Abaqus 有限元软件分析，控制变量分析其顶推力对土体变形的影响，一旦对土体的扰动过大，地层较大的移动将引起邻近建筑物的变形，影响其使用。在顶管法的施工中，必须要减小对土体的扰动。因此，探究不同埋深在施工过程中土体的扰动规律，对于促进地下工程的建设具有重大意义。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

江门市某区水环境综合治理项目（二期）工程EPCO项目—中兴二路截污管网工程，本工程为中兴二路截污管网工程，其建设内容主要为在中兴一路东侧规划慢车道下布置d2000 污水主管，由北向南接入中兴二路规划d2000污水管，并为沿线路口及地块预留污水支管；在北昌东路南侧道路下布置d2000 污水主管，由东向西接入中兴二路规划d2000 污水管，并为沿线路口及地块预留污水支管；顶管段管道管径一般D2000，拟采用Ⅲ级钢筋混凝土顶管管材，顶管段管道埋深一般约12m。

1.2 工程地质条件

根据勘察报告可知本顶管段的地层自上而下按成因类型分为第四系全新统人工填土（Q4ml）、冲积层（Q4al）。各土层相关力学参数见表和土层物理性质如下。

1.2.1 人工填土层（Q4ml）

素填土：灰黄、灰褐等色，稍湿，稍密，以黏性土为主，含少量碎石块等硬质杂物，碎石粒径一般约1.0～3.0cm，含量一般约10%～20%，磨圆度较差，主要呈棱角状，土质及密实度不均匀，部分地段顶部20～30cm 不等厚度为砼地面。据初步了解，项目场地填土堆填时间超过15 年，为老填土。平均层厚为5m。

1.2.2 冲积层（Q4al）

淤泥质土：灰黑色，饱和，流塑，以粘粒为主，富含有机质及少量粉细粒，手捏具滑腻感，易污手，略具腥臭味。平均厚度为4m。

粉质黏土：灰褐、灰黄、灰白色，湿，可塑，以粘粒为主，夹少量粉细粒，土质均匀，粘性较好，干强度及韧性中等，平均层厚为8m。

1.2.3 燕山期（γ52）花岗岩

强风化花岗岩带：黄褐、灰褐色，岩石风化强烈，岩芯主要呈半岩半土状，岩块手折易断，遇水易软化崩解。平均厚度11m。

其主要物理力学性能参数如表1 所示。

表1 土体物理力学性能参数

2 顶管施工

依据设计采用泥水平衡顶管法施工。顶管法施工是一种采用不开挖地表的方式，先在施工段两端挖好工作井，再把各个管节利用顶管机穿越土层送到预定位置，达到施工设计的要求。施工过程主要分为以下几个步骤：第一步，施工准备。该过程包括测量放线、初始导管安装以及后靠钢板安装等内容。第二步，顶管机就位。该过程包括破除门洞和安装测量装置并测试。第三步，顶管始发。该过程包括千斤顶顶进、刀盘转动和泥浆输送运转。第四步，管节拼接。该过程包括拼接检查、顶铁、减阻泥浆装卸。第五步，管节顶进。该过程包括顶管纠偏和减阻泥浆输送。第六步，顶管接收。该过程包括接收导轨安装、破除门洞和取回掘进机。施工工艺流程如图1 所示。

图1 施工工艺流程图

3 土体变形原因

顶管施工造成土体变形的原因可为两点：①土体应力扰动；②地层损失。

应力使来自顶进过程中机头顶推力、剪切力以及管道与土体的摩檫力等组成。地层损失是引起土体变形的主要因素，有常规损失和非常规损失。常规损失是我们在施工过程中不可避免的损失，不常规是由于我们的技术流程不符合操作规范引起的不必要损失，我们可以在后期的技术优化中处理这个问题。

顶管施工的本质是顶管机切土和向管道边注浆同时进行的施工，在开挖土的过程中，未挖的土体具有松动性，此时需要向周边土体注浆，以维持地下土体的平衡，但是顶推力过大过小都会影响土体的稳定性，会间接影响顶管施工的质量。当顶推力较小时，土体会出现下沉，顶推力较大时，会导致土体隆起、顶管破裂、返工乃至发生安全事故。所以分析不同顶管埋深对周围土体的影响，是为了使工程顺利进行。

4 数值模型建立及分析方案

在数值计算中，考虑了土体自重应力对计算结果的影响，并且模拟了总长为40m 的顶管施工过程。具体来说，首先进行2m 的装配，然后进行十九个环节的顶进，共顶进38m。在这个过程中，考虑了泥浆层对土体的弱化作用，并通过追踪单元法实现了弱化土层的处理。将初始模型设置了管土摩擦系数为0.3。整个模拟过程如下。

①平衡初始地应力，模拟施工之前的土体状态。为了使土体处于施工前的自然状态，在模型中施加与土体重力相对的初始应力场。这样可以使土体达到稳定状态，从而确保最大变形控制在10-6m 以内，如图2 所示。

图2 初始地应力平衡

②先将顶管的前2m 装配入土中，每次顶进2m 为一步，模拟过程中，顶管机穿过土层，施加压力，土层会有相应的变形。在后续接下来的分析中，将仅考虑土体变形在y=0 处的情况。

5 不同顶管埋深的土体变形分析

顶管在施工的过程中，土体变形的影响因素有很多种，其中管道埋深是重要的因素之一。为有效分析出顶管管道在不同埋深位置处对顶管上方地面变形的影响，基于施工现场的勘察资料，在相同条件下，利用有限元分析软件模拟管道埋深6m 的顶管施工过程，形成的位移云图，如图3。数值模拟形成的数据绘制不同埋深下的地面沉降图，如图4。

图3 埋深6 米位移云图

图4 顶管横断面方向地表变形图

从图3 分析可以得出，在顶管施工过程中，顶管的埋深不同对顶管上方的土体影响也会有所不同。从图中可以看出，管道上方土体的沉降值与顶管管道的埋深呈反比例关系，土体的变形机制没有发生改变，地表的最大沉降值位于顶管正上方，其余沉降值往管道两侧逐渐递减。由图4 可得，顶管的管道埋深为4m 时，管道正上方的沉降值约为8.68mm；顶管的管道埋深为6m 时，管道正上方的沉降值约为1.041cm；顶管的管道埋深为8m 时，管道正上方的沉降值为1.34cm。根据上面的分析可得出，该地表的沉降与顶管管道埋深呈反比例关系。这是由于顶管在穿越不同位置时，淤泥质土具有压缩性高、渗透性较小等特点，因此沉降相较于其他土质，沉降较大。顶管对淤泥质土的扰动性与埋深存在正比关系，因此管道埋深越深，越易被扰动，从而导致地面沉降越大。

在施工过程中，顶管的管道埋深对地表的变形产生重要的影响。通过本文建立的有限元数值模型，条件相同，模拟出不同埋深条件下的地面位移值，并分析得出其对地面变形的影响。研究发现，管道埋深越大，对地表沉降值的影响就越大。然而，无论管道埋深深浅，土体变形规律都是一致的。

6 结语

本文分析了不同顶管埋深对周围土体的影响，在工程实际工程当中，若管道埋深较浅，控制施工引起的地面变形就显得尤为重要。较浅的管道埋深会增加隆起和沉降的风险，因此需要严格控制施工顶力和纠偏力。此外，在顶进过程中工具管的导向力也会受到影响，容易导致轴线偏移和土体损失，进而导致地面沉降。因此顶管施工中应合理设计管道埋深，以控制地面变形并确保工程施工质量。