矩形顶管施工参数对地表沉降影响分析及控制

陈月香,方欣欣,徐 芊,薛筱蕾

(福建农林大学 金山学院, 福州 350007 )

顶管施工是继盾构施工之后发展起来的一种不需要开挖面层的地下空间施工方法,因其对周围环境影响小而被广泛应用于城市地下各种管道的铺设和地下空间的开发.顶管在顶进过程中通常需注入一定量的触变泥浆来减小顶进中的摩阻力[1]和填充管道与土层之间的空隙,减少地层的扰动和沉降[2].为有效控制顶管施工中引起的地表沉降,需要根据具体工程情况选取合理的施工参数.

目前,国内外关于顶管施工引起地表沉降的研究方法主要有经验公式法、理论解析法、数值分析法、模型试验法以及现场实测法.在经验公式方面,主要以Peck公式为代表,以及基于Peck公式的改进研究[3-4].在理论解析方面,基于弹性力学Mindlin解及随机介质理论得到顶管施工引起土体变形的计算方法[5-6].数值分析方面,主要是基于数值模型对地质特征、地下情况、施工参数、隧道截面及埋深等因素对地表沉降进行了分析[7-11].模型试验方面,通过室内缩尺模型对地表沉降规律进行研究[12-14].现场实测方面,通过具体工程实例对顶管施工中引起的地表沉降进行分析和研究[15-16].

以上研究都是对顶管施工引起的土体变形展开,然而针对矩形顶管法在砂质粉土中施工引起的地表沉降研究较少.因此,本文依托南京某城市地铁车站出入口过街通道矩形顶管工程,采用三维数值模拟和现场监测相结合的方法,围绕矩形顶管法在砂质粉土中施工所呈现的地面沉降规律展开研究,针对是否同步注浆、开挖面支护压力、注浆压力、注浆量等参数进行敏感性分析,并提出控制地表沉降的措施建议,为今后类似的顶管设计施工和注浆参数设计等提供借鉴和参考.

1 工程概况

本工程位于城市十字路交叉口南侧,为市政地下过街通道.主通道垂直下穿城市交通大道,与地铁出入口相接呈东西向“一”字型布设,副通道由工作井接出.主通道为单通道,采用顶管施工工艺,全长分别为49.2 m和48.2 m,单孔内部结构净尺寸均为6 m×4 m,顶部最大覆土厚度约4.1 m.始发井均位于城市大道东侧,顶管由东向西推进,横穿城市大道,坡度分别为1.2%,0.96%.

该工程采用多刀盘土压平衡顶管机施工,顶管结构全部采用预制矩形钢筋混凝土管节,管节混凝土强度为C50,抗渗等级为P8,外形尺寸为7 m×5 m,管壁厚为0.5 m,长度为1.5 m,净空尺寸6 m×4 m,单节重约40 t,工程项目2条通道共需标准管节63节,非标准管节1节.

工程场地内土层自上而下依次为杂填土、素填土、粉质黏土、粉土夹粉质黏土(砂质粉土)、粉砂、黏质粉土夹粉质黏土.根据围护结构剖面图,顶管主要穿越粉质黏土和砂质粉土层.根据水文地质条件可知,场地内地下水类型主要为孔隙潜水和微承压水,潜水初见水位埋深1.20～2.80 m,稳定水位埋深1.00～2.60 m,水位年变幅约1.6 m.

2 矩形顶管施工模型建立

2.1 数值模型建立

采用ABAQUS有限元软件建立三维数值模型,模拟顶管开挖和顶进的动态过程.模拟中作如下假设:1)假设土体为各向同性材料,相邻土层中土体参数相近的归为同一层土;2)不考虑顶管接头对顶力传递和管本身受力性能的影响;3)仅考虑顶管施工对地表变形的影响,不考虑土体后期固结沉降的影响;4)不考虑顶管的纠偏和倾斜顶进.模型尺寸为60 m(x方向)×49.2m(y方向)×30 m(z方向),顶管埋深4.1 m.模型中限定土体两侧的水平位移,以及模型底部水平和垂直两个方向的位移,模型上表面为地表,采用自由边界条件.网格划分采用C3D8非协调单元,网格划分后的三维模型如图1所示.

图1 网格划分后的三维模型

2.2 模型参数的选取

模型土体、顶管和顶管机均采用实体单元,由于顶管和顶管机的弹性模量比土体大好几个数量级,所以其材料属性采用线弹性本构模型,土体采用Druck-Prage本构模型.由于顶管与土体之间产生的间隙由浆液填充,故土体与顶管之间的接触具有一定的特殊性.本文采用薄层单元[17]来模拟顶管与土体之间存在浆液条件下接触界面上力的传递现象.模型中各材料的物理力学参数取值如表1所示.该模型总共采用48个分析步来模拟顶管的顶进过程,顶管的掘进采用位移边界条件来实现.

表1 模型计算参数

3 施工参数对地表沉降的影响及优化分析

顶管施工过程中造成地表沉降的影响因素较多,不同因素的改变对土体沉降的影响程度各不相同.因此通过数值模型分析砂质粉土中顶管施工参数对地表沉降的影响,并通过对施工参数的优化来有效控制地表沉降.

3.1 注浆时间对地表沉降的影响

数值模拟中通过延迟注浆压力在分析步中开始的时间(延迟一个分析步)来模拟注浆延迟引起的地表沉降,模拟结果如图2所示.

图2 是否及时注浆对地表沉降的影响

由图2可以看出,延迟注浆和同步注浆的沉降规律基本一致,即顶管轴线上方的土体沉降最大,离顶管轴线的距离越远沉降越小,该沉降规律符合Peck公式和随机介质理论的沉降预测.从图2还可以看出,延迟注浆和同步注浆对周围环境的影响范围基本一致,顶管施工引起的地表沉降主要影响区域为距顶管轴线15 m(距顶管轴线约2倍管径)范围内.两种注浆工况均在顶管轴线上方的土体沉降最大,不及时注浆引起的沉降量比同步注浆大5.4mm,所以顶管施工中应同步注浆.

3.2 开挖面支护力对地表沉降的影响

顶管施工过程中开挖面支护力分别设定为开挖面侧向静止土压力的0.9、1.0、1.5、2.0倍,得到距洞口10.5 m处顶管轴线正上方的地表沉降曲线,如图3所示.

由图3可知,顶管机通过该监测点后,开挖面支护力的大小对该监测点的土体沉降影响差别不大,开挖面支护力大小主要对顶管机前方土体沉降或土体隆起有较大影响.随着开挖面支护力的增大,开挖面前方隆起量逐渐增大,但开挖面支护力小于开挖面侧向土压力又会导致前方土地沉降量较大.说明在施工过程中,应当施加适当的开挖面支护力,设定范围在开挖面侧向静止土压力的1.0～1.5倍为宜.

3.3 注浆压力对地表沉降的影响

在其他参数不变的前提下,分析注浆压力分别取100、125、150、175、200 kPa对地表沉降的影响.得到距洞口10.5 m处顶管轴线正上方的地表沉降曲线,如图4所示.

图4表明提高注浆压力可以有效地减小地表沉降量,随着注浆压力的增大,顶管轴线上方的土体最大沉降量减小,但是当注浆压力超过175 kPa时,顶管两侧上方的局部区域土体出现了隆起,而且随注浆压力的增大,顶管两侧土体的隆起量也逐渐增大.从图4还可以看出,当注浆压力超过150 kPa后,注浆压力对地表沉降量减小的变化幅度不大,表明注浆压力达到一定值后对地表沉降量的控制作用不明显,故该地区顶管施工的注浆压力宜控制在150～175 kPa.

3.4 注浆量对地表沉降的影响

在数值模拟中注浆量的变化大部分是采用改变等代层厚度来实现,但该方法忽略了注浆会引起土体体积膨胀,补偿由开挖引起的地层损失,使地层抬升[18],故需对数值模型的模拟方法进行优化.本文通过对等代层施加内应力引起的应变来考虑注浆引起的地层抬升效果.

假设地层抬升体积与注浆量的体积成正比[19]:

(1)

其中:ξ为注浆补偿率;Vsh为地层抬升体积;Vinj为注入浆液的体积.

根据式(1)可得土体的体积应变为[8]:

(2)

顶管施工中,实际注浆量与理论注浆量之比定义为充盈系数.注浆充盈系数为1.0、1.25、1.5、1.75和2.0时,注浆单元的体积应变分别为0、0.012 5、0.025、0.037 5、0.05.通过对注浆单元施加内应力,使得注浆单元的体积应变达到上述5种情况来模拟注浆量变化对地表沉降的影响规律,5种注浆量工况下的地表沉降曲线如图5所示.

图5 不同注浆量对地表沉降的影响

由图5可以看出,随着注浆量的增加,顶管轴线上方的最大地表沉降量减小.注浆充盈系数为1时比其他四个注浆工况的沉降量大,所以注浆充盈系数为1并不是施工时最佳的注浆量.注浆充盈系数从1.25增加到1.50或1.75对地表沉降量的减小变化不大,注浆充盈系数从1.25增加到2时,地表最大沉降量减小了4 mm,但是当注浆充盈系数达到1.75以后,顶管两侧上方的土体会出现略微的隆起,所以该地区进行顶管施工时不能为了减小地表沉降而不断增加注浆量.故今后在类似土层中进行顶管施工时,触变泥浆的充盈系数宜为1.25～1.75.

4 现场实测数据分析

顶管施工过程中地表土体的沉降观测点布置如图6所示,沿顶管轴线方向每隔5 m布置一个监测点,在距离始发井5.5 m处布置第1个监测断面.

图6 沉降监测点布置图

沿顶管轴线方向取5个具有代表性的沉降监测点DL7,DL13,DL22,DL25,DL40进行分析,随着顶管的顶进各监测点的沉降曲线如图7所示.

图7 顶管轴线方向地表监测点沉降曲线

由图7可以看出沿顶管顶进方向的沉降趋势总体一致.在顶管向前顶进的过程中,掌子面前方的土体先出现隆起,待顶管机通过该监测点后,由于土层损失导致土体逐渐发生沉降,随着顶管的顶进,沉降量逐渐增大.结合实际施工情况对监测点的沉降曲线进行分析后可知,刚开始进行顶管施工时,由于开挖面支护力较大,导致监测点DL7和DL13的隆起量较大.当根据地表监测的沉降结果调整顶管顶进过程中的开挖面支护力后,顶管机开挖面前方土体的隆起量变小.当施工至监测点DL22时,由于其沉降量较大,故增大了开挖面的支护力,顶管机继续顶进后出现开挖面前方监测点DL25的隆起量较大,重新调整了开挖面的支护力后继续顶进,直至顶管施工顺利完成.因此在顶管施工中,合适的顶管开挖面支护力可以有效地控制开挖面前方土体的隆起量.

选取沿顶管横断面方向的监测点进行分析,监测点DL12,DL13,DL14随顶管的顶进各沉降曲线如图8所示.

图8 DL13处地表监测断面沉降曲线

从图8可以看出,在垂直顶管轴线的横断面上,顶管轴线上方的地表沉降最大,距轴线越远,其地表沉降越小.另外,沿顶管横断面的地表沉降量随着顶管的顶进逐渐增大,在最后一节顶管顶进后沉降量达到最大.

根据前面对顶管施工引起的地表沉降规律可知,顶管轴线上方土体的沉降变形量最大,因此选择距洞口10.5、25.5、30.5、35.5 m处顶管轴线上方土体的现场监测沉降量与数值模拟结果进行对比,如图9所示.

图9 实测值与模拟值对比分析

从图9可以看出,顶管中心线上方各监测点的沉降量与模拟结果得到的地表沉降量较接近.模拟得到的最大沉降值为43.9 mm,与实测最大沉降值45.2 mm,相差2.8%,其原因是数值模拟在建模时做了简化处理.从模拟结果与实测值的对比可知,该数值模型和模拟结果具有一定的正确性和有效性.

5 结 论

本文利用ABAQUS建立了顶管施工的三维数值模型,通过模拟结果和监测数据的对比分析可知,本文所建立的数值模型基本符合实际情况,验证了数值模型的可靠性.在该数值模型的基础上,分析了顶管施工中施工参数对地表沉降的影响以及控制措施.主要分析结果如下:

1)建立了符合实际工况数值模型,数值模拟结果与现场实测值基本吻合,验证了实测规律的正确性以及模型的合理性,能够对砂质粉土中采用矩形顶管法施工引起的地表沉降进行预测.

2)顶管顶进施工时,顶管机对掌子面前方的土体产生挤压,而顶管机后侧的土体会产生超挖间隙,使得顶管机正前方5 m附近会出现最大隆起,顶管机正后方出现最大沉降.因此,地表监测点布置时应加大顶管轴线处的监测,其余位置的监测点可布置得少些.此外,在掘进过程中,顶管机在不同的区段应采用与土层相适应的支护压力,本工况下的支护力设定在开挖面侧向静止土压力的1.0～1.5倍为宜.

3)注浆压力在合理的范围内,随着注浆压力的增大,地表沉降量减小,但是当注浆压力超过一定值时,顶管两侧上方的土体会出现略微的隆起.在类似地层条件和覆土厚度下的顶管工程中,建议注浆压力宜控制在150～175kPa,且要采取同步注浆的措施才能有效控制地表沉降.

4)注浆充盈系数在合理的范围内,随着膨润土注浆充盈系数的增大,顶管轴线上方的地表沉降量减小.实际顶管施工的注浆充盈系数应大于1,在类似地层条件下顶管工程中,建议触变泥浆的充盈系数宜为1.25～1.75.