基于变形控制的密排管幕顶管施工顺序优化分析

陈 凯

(中铁二十四局集团安徽工程有限公司, 合肥 230011)

引言

在城市中修建下穿隧道,为保护周边环境,可以采用在管幕支护下的暗挖或预制隧道顶进施工方法。 管幕施工法是在管棚法的基础上发展起来的,利用微型顶管技术将钢管或其他材料制成的管道顶推到拟建地下建筑周围。 管幕可视为水平铺设的钢管桩,这些排列紧密的钢管桩通过嵌槽封层或冻结等辅助施工方法,形成挡土、挡水的超前支护,使大断面隧道得以在软土地层中通过。 然而,管幕施工也会对附近地层产生一定的扰动,部分学者对管幕顶进引起的地表沉降进行研究。 谈力昕等以拱北隧道管幕施工段为例,采用2 种不同的计算方式对顶进力进行了估算,并与实际顶进力进行对比验证[1];熊昊翔等从经验参数选取是否合理的角度,对顶力的计算进行研究[2];何超等基于土体的极限平衡条件对拱顶和拱脚进行稳定性验算,得出顶管间距的控制式[3];刘杨等研究管幕施工参数以及对地表变形的影响[4-6];潘伟强依托上海14 号线桂桥路站管幕段实例工程,对软土地区管幕群顶管施工地面沉降监测与分析[7]。 刘方等采用数值模拟对3 种预加固方案(水平旋喷桩、管幕和小导管注浆)进行结构变形和受力分析[8]。 闫振虎等以重庆铁路枢纽东环线新白杨湾下穿高速公路隧道工程为依托,采用有限元分析软件MIDAS-GTS NX,研究浅埋隧道大管幕支护力学特性及施工控制技术[9]。 韩现民等以迎泽大街下穿太原市火车站通道工程暗挖段管幕-结构法施工为例,采用数值计算对钢管不同顶进次序对地表沉降影响进行分析[10]。 何君佐采用实时监测手段对管幕群顶进过程中各钢管的姿态与变形进行记录,研究各类钢管在顶进过程中的相互作用以及管幕群贯通闭合后的姿态与变形规律[11]。 程盼盼等以上海轨道交通14 号线桂桥路车站渡线段为依托,对管幕顶进和开挖阶段进行模拟分析,并优化相关施工参数[12]。 雷升祥等依托太原市迎泽大街下穿火车站通道工程,应用离散元仿真软件对新管幕通道施工方法进行模拟,研究施工过程中火车轨道沉降及雨棚柱基础的位移变化[13]。 江勇涛等结合文林山隧道工程,采用螺旋出土套管顶进工艺进行管幕施工,提出单管顶进施工地表沉降计算方法,并引入群管施工地表沉降修正函数建立管幕群管施工地表沉降计算方法[14]。张宇以北京平安里地铁车站工程及其实测数据为基础,对密排横向管幕进行解析分析[15]。 李登等采用“无缝”连接的矩形曲线顶管,在土体中形成弧形底部托盘对内部空间进行保护[16]。 李洋等给出曲线管幕施工过程中顶推力的计算公式,得到曲线管幕施工地铁车站对周围地层的影响规律[17]。 于源龙结合福州工业北路延伸线工程,采用数值软件Midas 对多根管幕顶进过程地层应力分布情况及地表最大沉降位移情况进行分析[18]。 宋大勇等以北京轨道交通新机场线一期工程1#区间风井兼盾构接收井为例,介绍了区间风井施工过程中采用管幕法工艺[19]。 牛野采用ABAQUS 有限元分析软件对复合地层下的群管顶进顺序及地层沉降展开研究[20];唐正等依托上海田林路下穿中环隧道工程,对地表位移实测数据进行了详细分析[21];王子君针对沈阳地铁市府大路站,研究采用小直径管幕工法施工的地铁暗挖车站引起的地层及主体结构的位移变形规律[22]。

上述研究主要针对某一工程研究管幕施工对地层的扰动,对管幕的施工顺序对地层扰动的影响并未深入分析。 基于此,采用三维数值分析方法,考虑“上排和下排的先后、连续顶入和间隔顶入”顶入顺序,研究不同管幕施工顺序对地表沉降的影响规律;揭示顶管间距对土拱效应的影响机理,定量评价密排顶管群施工过程中的管间土拱效应减少顶管施工过程引起的地表沉降量。

1 工程概况

合肥滨湖科学城大连路为城市主干道,其中某段隧道工程在桩号5+87.45 ～6+81.15 处下穿合肥市骆岗机场跑道,平面交角69°,隧道与综合管廊工作井围护桩间水平最小净距4.87 m,顶部覆土5.3 ～6.13 m。管幕顶进施工过程易引起机场跑道变形,甚至是局部塌陷。 为保护既有机场主跑道,采用在管幕保护下的预制隧道顶进法施工,顶进长度约93.7 m。 管幕采用44 根壁厚16 mmϕ1.6 m 长钢管,顶进长度为92.7 m。采用2 台ϕ1.6 m 泥水平衡顶管机,由东工作井往西接收井进行掘进施工,钢管单节长不小于6 m,分节间采用鸳鸯坡口焊连接。 管幕暗挖段与机场主跑道平面位置关系见图1。

2 数值模型概况

2.1 有限元模型设计

管幕顶管区间主要穿越杂填土和膨胀黏土的复合地层。 管幕密集顶管分布和顶进顺序均为对称,为了提高计算效率,取1/2 对称边界建模,沿隧道轴线方向(y轴)长93 m,沿隧道横向(x轴)宽50 m,沿地表向下(z轴)深32 m。 模型四周侧边界设置水平约束,底部边界设置固定约束。 现场钻孔桩揭露,地下水位埋深16 m,高压旋喷桩加固区域为端头区加固。 数值模型共划分368 298 个单元,产生507 919 个节点,网格数值仿真模型见图2。

图2 密排管幕几何与网格模型

2.2 材料参数

软件采用Plaxis3D。 围岩采用10 节点高阶四面体实体单元进行模拟,围岩力学行为采用小应变土体硬化模型(HSS)进行描述。 管道钢管采用板单元模拟,假定为线弹性材料。 模型中围岩参数根据项目工程地质资料概化而来,结构单元参数根据结构设计资料及单元特性选取,模型基本输入参数见表1、表2。

表1 围岩材料计算参数

表2 板单元材料参数

3.3 计算工况

根据设计与实际施工情况,管幕顶进施工中,设计3 种方案进行对比研究。

方案1:始发井基坑开挖支护至下排管幕钢管处,先施工下排管幕,再自下而上施工侧排管幕,最后施工上排管幕。 该方案施工上排及侧排管幕时需要搭设钢管支撑架顶进作业平台,下排及上排钢管顶进均自中间向两边依次顶进,采用2 台泥水平衡顶管机,见图3(a)。

图3 管幕密集顶管施工顺序示意(单位:cm)

方案2:先施工上排管幕,其次自上而下依次施工侧排管幕,最后施工下排管幕,该方案无需搭设钢管支撑架顶进作业平台,基坑开挖自上而下根据管幕施工分层分次开挖,下排及上排钢管顶进均自中间向两边依次顶进,采用2 台泥水平衡顶管机,见图3(b)。

方案3:施工顺序基本同方案2,不同之处在于下排及上排钢管顶进均自中间向两边间隔1 根桩顶进,见图3(b)。

3 管幕顶进顺序对地表变形影响分析

3.1 不同方案横向沉降对比

对于不同管幕顶管顺序,地层变形的程度不同。共设置3 种顶管施工顺序。 输出同一个位置(y=47)的横剖面地表沉降曲线,见图4(x=0 m 为模型对称边界)。

由图4 可知,3 种方案地表变形差异并不显著。沉降极值与变形规律都比较接近。 方案3 的沉降极值最大,方案2 沉降极值最小,方案1 居中,分别为-13.34 mm、-12.27 mm 和-12.83 mm。 沉降影响范围基本相同(34 m 左右)。

3.2 不同方案最大沉降曲线对比

管幕顶管过程中,管幕中间地表位置(x=0 m,y=47 m,z=0 m)始终为最大沉降位置,该位置沉降曲线见图5。

图5 不同顶管施工顺序下最大沉降

由图5 可知,方案1 先施工下排顶管,第1、2 根顶管引起地表沉降增量较大,随后引起的沉降增幅逐渐减少,主要原因是后续顶管距离中心沉降最大位置越来越远;当上排顶管(第14 根)开始顶进,最大沉降值迅速增加。 方案2 和方案3 中,上排和侧排施工顺序相同,沉降曲线也基本相同,施工下排(第14 根)顶管时,方案3 引起的沉降较方案2 大,说明方案3 间隔顶进难以发挥相邻顶管的遮挡限位作用。

4 土拱效应分析

4.1 单管沉降增量分析

管幕顶管顶进过程中,先施工的顶管可以形成一定的土拱效应。 为了对比分析下排顶管与上排顶管在不同顺序工况下地层的响应特征。 分别输出方案1 和方案2 数值模型的施工下排第4 根顶管引起的阶段位移(见图6、图7)。

图6 方案1 下排第4 根钢管引起的变形

图7 方案2 下排第4 根钢管引起的变形

由图6 可知,下排第4 根顶管顶入引起的沉降等值线直接平滑延伸到地表,等值线无明显折皱和弯曲。沉降影响范围边界呈现上大下小的形态。 由图7 可知,先施工完成上排顶管的方案2 中,施工下排第4 根顶管引起的沉降被上排顶管干扰发生弯曲。 在上排每两根顶管之间位置,形成“拱形”的位移等值线,在所考虑的施工阶段,上排顶管上方的沉降明显小于其下方沉降,表明上排顶管形成土拱效应,可起到保护下排顶管的作用。

4.2 整体沉降分析

方案1 和方案2 管幕施工完成后的地层沉降云图见图8。

图8 模型剖面最终地层沉降云图

对比发现,管幕顶管完成后,在上排先施工的情况下,侧排顶管顶入后周边地层沉降更小,管幕围成的隧道主体区域内的沉降也更小。 由此可见,先施工上排顶管可以更好控制下排顶管施工的扰动。 密排管幕顶管群最佳的顺序为先施工管幕上排顶管,再施工管幕两侧及下排顶管。 因此,选择方案2 作为工程的施工方案。

5 密排管幕施工过程地表变形特征分析

5.1 地表沉降影响范围随顶管变化规律

为了进一步分析管幕顶管进度对地表的变形影响,对方案2 分别取顶管完成根数为1 根、8 根、13 根、22 根时的地表沉降,对比不同进度的地表沉降情况,沉降云图见图9、图10。 由于22 根顶管全部完成,整个地层获得的最大沉降值为13 mm,为了对比不同施工阶段地层扰动范围,借鉴其他专题经验(如地基沉降分层总和法计算深度Zn取附加应力等于自重应力的10%的标高作为压缩层的下限),将10%的最大沉降值(1.3 mm)定义为影响区域的边界临界值。

图9 整体模型沉降云图

图10 地表沉降云图

由图9 可知,当管幕顶进顶管根数分别为1 根、8 根、13 根、22 根时,对应的顶管周边土体最大沉降值分别为4.57,7.22,7.33 mm 和12.85 mm,土体最大沉降出现在顶管中间(y=47 m)附近位置,顶管引起的地表变形轴向基本对称。 随着不断推进,地表变形持续增加。 由图10 可知,当第一根顶管顶入时,影响范围很小,随着顶进顶管根数的增加,地表沉降的影响范围持续增大。

整体来看,由于顶管端头的高压旋喷加固和端部结构约束,呈现出端部沉降小,中间沉降大的变形特征,地表变形轴向基本对称;地表沉降影响区域在管幕边界(x=16.5 m)开始快速衰减。

5.2 横向变形随顶管变化规律

在地表最大沉降位置(y=47 m)处输出地表沉降的横剖线。 分别输出第1 根、第8 根(上排16 根顶管完成)、第13 根(侧排8 根顶管完成)和第22 根(44 根顶管全部完成)4 个计算阶段的地表沉降曲线,见图11。

图11 地表最大沉降位置横向沉降曲线(y=47 m)

由图11 可知,在顶入管幕上排中间第1 根顶管时,地表沉降最大值位于模型对称边界(x=0 m)位置,最大值为3.8 mm,影响范围约6.1 m;在顶入管幕上排中间第8 根顶管(上排完成)时,地表沉降最大值增加到7.1 mm,影响范围扩大到17.4 m,值得注意的是,x=5 m 至y=13 m 区间沉降值大小相近,形成沉降“平台”。 其原因为,第1 根与第2 根与对称的顶管(对称边界)之间有沉降叠加作用。 从第3 根顶管起,与对称的顶管之间沉降叠加基本消失;在侧排管幕顶入(第9 到13 根顶管)期间,对x=0 m 至x=5 m 的区域地表沉降基本无影响,沉降最大值无变化,此时沉降影响范围边界扩大到x=21 m。 因此,侧排顶管影响范围在x=5 m 至x=21 m 范围。 在下排顶管完成时,地表沉降最大值增加到12.7 mm,影响范围增加到24 m。

综上所述,前两根顶管引起x=0 m 至x=5 m 的区域范围地表沉降叠加区,该区域沉降最大;第3 根到第8 根顶管顶进形成沉降平台区,各顶管上方沉降值相近;侧排顶管地表沉降影响范围x=5 m 至x=21 m 区域,侧排顶管不影响沉降叠加区最大沉降值;横向地表沉降曲线类似于S 形,最终影响范围x=24 m。

5.3 轴向变形随顶管变化规律

在x=0 m 处,输出轴向地表沉降曲线,分别输出第1 根、第8 根、第13 根和第22 根4 个计算阶段的地表沉降曲线,见图12。

图12 地表沉降轴向沉降曲线(x=0 m)

由图12 可知,轴向沉降曲线形态为两端小,中间大。 沉降从y=6 m 位置(加固土边界)开始迅速增加,在y=20 m 位置开始趋于稳定,整体轴向形成盆状沉降稳定区域,沉降稳定区域差异沉降较小。 从顶管施工进度来看,不同进度引起的地表轴向沉降形态基本一致,随着进度沉降整体逐渐增大。 值得注意的是,侧排4 根顶管的顶进未引起x=0 m 处轴向地表沉降曲线发生变化。

5.4 地层损失综合分析

根据Peck 公式,最大沉降和土体损失量公式为

式中,Vlose为顶管单位长度的土体体积损失量;i为顶管中轴线到地面沉降曲线反弯点的水平距离,即地面沉降槽宽度系数;η为土体损失百分率;R为顶管半径。 Peck 公式沉降曲线见图13,其形态与图12 中N=1 的曲线基本一致。

将第一根顶管的最大地表沉降量代入Peck 公式,有

根据数值模拟分析输入条件和计算结果,计算第1 根桩顶入引起的地层实际损失率。Smax取3.8 mm,i取3.0 m,R取0.8 m,计算获得实际地层损失为1.42%,数值模型中输入的0.5%为钢管收缩率,获得地层实际损失率为1.42%的原因有以下两点:①数值模型采用的对称边界,获得沉降实际为2 根顶管的沉降,因而,Peck 公式获得的收缩率实际为0.71%;②数值模拟输入的收缩率为顶管结构的收缩体积,用于模拟周边土体的应力释放,在土体发生一定变形之后,剩余的土压力作用到顶管上引起二次变形。

同理,可计算获得44 根管幕顶管全部完成时的平均地层损失率。 根据管幕完全施工完成后的结果,最大沉降取12.8 mm,影响范围反弯点i取17 m,R仍然取0.8 m,地层损失计算结果为0.60%。 可见平均顶管施工引起的地层损失率低于单根顶管,分析认为,管幕上排管土拱效应对下排顶管起到了保护作用。

综上所述,采用数值仿真方法获得的沉降曲线形态与Peck 公式沉降曲线基本一致。 数值模拟中采用钢管收缩的方式获得的沉降和影响范围可以代入Peck 公式换算出地层损失率,数值模拟中输入的收缩率(0.5%)较最终地层损失率(0.71%)小。 对比单顶管的地层损失率和密排管幕的地层损失率,发现后续顶管的施工引起的地层损失低于前期顶管的。 分析认为,管幕上排顶管土拱效应对下排顶管起到保护作用。

6 结论

(1)先施工完成上排顶管,施工下排顶管引起的沉降等值线被上排顶管干扰发生弯曲,在上排每两根顶管的间隔位置形成“拱形”的沉降等值线,且上排顶管上方的阶段位移明显小于其下方的阶段位移。 上排顶管形成的土拱效应对下排起到保护作用。 因此,密排管幕顶管群最佳的顺序为:先施工管幕上排顶管,再施工管幕两侧及下排顶管。

(2)采用数值仿真方法获得的沉降曲线形态与Peck 公式沉降曲线基本一致。 数值模拟中采用钢管收缩的方式获得的沉降和影响范围可以代入Peck 公式换算出地层损失率,数值模拟中输入的收缩率(0.5%)较最终地层损失率(0.71%)小。 对比单顶管的地层损失率和密排管幕的地层损失率,发现后续顶管的施工引起的地层损失低于前期。