双线大直径顶管始发加固范围研究

郑刚

腾达建设集团股份有限公司 上海 200122

城市基础建设进程加快，规模扩大伴随着地上空间逐步开发殆尽，因此学者焦点逐渐转向城市地下空间的合理利用。顶管施工因其占地少、成本低、效率高以及对周围环境扰动小等优点被大力推广使用[1]。顶管始发阶段是施工的关键风险源和重要环节，随直径和深度的增加以及施工环境的复杂化，出洞过程中的工程事故如透水和塌方等有增加趋势。

端头土体加固范围的计算主要依赖薄板理论、土体滑移失稳理论和塑性松动圈理论，日本“JETGROUT协会”[2]提出了弹性薄板理论以及洞口土体滑移失稳模型，由此得到了纵向加固长度的公式；随后，国内学者进行了改进，如罗富荣等[3]建立了梯形荷载等效模型，郝振宇等[4]在此基础上分析了尺寸效应对端头加固的影响，认为盾构直径不大于10m建议使用既有理论计算，大于10m建议使用改进后的模型计算。关于横向加固范围理论研究，多基于土体扰动极限平衡理论展开，当横向加固范围超过扰动范围时方可保障洞口安全。丁万涛[5]等认为对于浅埋隧道（深径比H/D＜2），应利用太沙基围岩压力理论来确定横向加固范围。

随着数值仿真技术的兴起，许多学者通过有限元软件对盾构始发掘进问题进行了分析研究，魏纲等[6]利用有限元软件，考虑渗流-应力耦合作用，分析盾构工作井外加固土体前方高水位工况下，地下水绕加固土体下卧土层的渗流规律，以及由渗流引起的原状土沉降规律。马芸等[7]采用摩尔-库伦本构模型，通过有限元软件研究了纵向加固长度对盾构始发掘进的影响

现有研究主要针对始发井破除素混凝土墙后维持端头稳定性所需的最小加固厚度，而未考虑盾构始发掘进过程对加固体的影响；另外，已有的分析一般采用摩尔-库伦模型，不能较好地反映土体的应力-应变行为。现结合杭州市取水口上移工程DG05工作井，基于小应变硬化土体（HSS）模型，通过Midas GTS软件建立了可以改变加固范围的双线顶管模型。研究加固范围以及加固强度对洞口土体扰动规律，以确定端头纵、横向加固尺寸的合理取值。

1 模型建立

1.1 现场概况与几何建模

本工程主体为杭州市取水口上移（一期）压力输水工程，其中DG05～DG06顶管区间项目地点位于杭州南收费站周边区域，顶管工作井采用沉井工法，沉井外围直径为20.6m，井壁厚度为1m～1.5m，平面图如图1所示；为避免超沉与井内土体隆起等现象，在刃脚下井筒范围对土体采用高压旋喷桩进行加固处理桩长5～8m。管道施工采用双线顶管工法，右线顶管外直径为3.6m，区间长度237.6m，左线顶管外直径为3.2m，区间长度228.4m，管顶覆土深度10.773～12.059m。地层以素填土、砂质粉土、黏质粉土、砂质粉土夹粉砂、粉砂为主，其中穿越地层为黏质粉土。

图1 DG05~DG06顶管项目平面图

根据现场同时考虑了模型边界效应对结构变形的影响后，整个模型尺寸取100m×60m×22.6m；加固体几何模型如图2，其中纵向最小加固长度2m，横向加固长度16m，上下加固长度12m。顶管管节长度为2.5m，因此模拟每次顶进长度为2.5m，单线共计20环。

图2 现场加固范围

网络划分效果图如图3所示，模型采用四面体单元进行网络划分，整体网格精度为1m，对于影响较小的区域精度为2m，完成建模后节点数量为156323，网络数量为168421。

图3 网格划分效果图

1.2 材料参数

根据HSS模型参数取值，同时结合现场的地勘报告，HSS模型各个土体参数取值如下所示。

表1 HSS模型参数取值

1.3 施工步骤

施工阶段类型设置为应力，施工步骤主要为以下步骤：①设定初始的应力场，激活各个土层，添加自重以及边界约束，同时位移清零；②挖去工作井内部土体，激活沉井围护结构，同时改变洞口土体的属性，模拟不同加固范围，位移清零；③模拟顶管开挖过程，钝化顶管开挖土层的同时激活管节，开挖一环的同时施加掌子面支护力180kPa以及注浆压力200kPa。

2 模拟结果分析

2.1 不同纵向加固长度影响分析

为了研究顶管掘进时，纵向加固长度改变对洞口附近土层的稳定性影响，因此选择纵向加固长度在0m、2m、4m、6m、8m、10m时进行有限元分析，模拟了先右线再左线顶进完成的过程。图4为洞口1m处地表变形图。

图4 洞口1m处地表变形图

未进行加固的情况下，顶管破洞顶进时，会产生较大的扰动，进而引起洞口位置较大的沉降，达到了17mm。当纵向加固长度2m时，地表沉降值降至4.99mm，因此进行洞口加固可以有效降低顶管始发引起的地层扰动，能够有效降低洞口处发生工程事故的概率。地表最大沉降值随纵向加固长度增加而逐渐降低，如纵向加固长为4m、6m、8m、10m时，其对应的地表最大沉降值为3.73mm、3.06mm、2.47mm、2.20mm。由此可见，纵向加固长度超过2m后，与之对应的最大地表沉降变化率已经不再显著，因此纵向加固长度至少为2m时可以满足稳定性需求，与理论计算结果较为接近。站在施工安全的角度，增加纵向加固长度有利于工程安全，对于防患洞口土体失稳有着重要作用，但是从施工成本角度出发，过长的加固长度产生的效益已不再明显，反而增加了额外成本，并且过长的纵向加固长度还会磨碎刀盘，降低施工效率。

结合上述分析，本工程顶管纵向加固长度大于2m时，基本可以满足始发安全，对洞口土层的稳定性有明显的提升，符合理论计算结果。但是考虑到顶管机机头长度为5m，且实际工程中由于地下水以及土层复杂等因素，在保障施工安全、经济的情况下，最后取纵向加固长度6m进行现场施工。

2.2 不同上下加固长度影响分析

为了研究顶管掘进时，横向加固范围改变对洞口附近土层的稳定性影响，因此选择上下加固长度在6m、8m、10m、12m、14m时进行有限元分析，根据上节结果，将纵向加固长度6m与横向加固长度16m作定值。截取洞口1m处地表变形图如图5所示。

图5 洞口1m处地表变形图

可以看出，随着上下加固长度的增加，洞口附近处的位移沉降均小于7mm，最大沉降值依旧在中心偏右位置，影响范围大约距离中心线15m范围内。

洞口上下加固长度在6m、8m、10m、12m、14m变化的过程中，沉降最大值分别为6.94mm、4.25mm、3.34mm、3.07mm、2.83mm。增加上下加固长度会提升整体加固区土体的稳定性，也会使得在顶管始发过程中降低对洞口土体的扰动。同时增加下部加固长度，可以抵御洞口底部承压水带来的突涌风险。但是随着上下加固长度持续增加，带来的施工效益也随之减弱，因此综合分析实际现场情况，在上下加固长度为12m时相对安全且经济。

3 结 论

（1）顶管始发前进行纵向加固，可以有效减少洞口处因破洞带来的对地层的影响。如果未做加固，洞口土体则会在自重作用下向洞内移动，进而增加了施工风险，随着纵向加固长度的增加，地层稳定性逐渐提高，掘进时对洞口处土体的扰动逐渐减小；纵向加固长度超过2m后，与之对应的最大地表沉降变化率已经不再显著，因此纵向加固长度至少为2m时可以满足稳定性需求，考虑到顶管机机头长度为5m，且实际工程中由于地下水等因素，在保障施工安全、经济的情况下，最后取土体纵向加固长度6m进行现场施工。

（2）进行上下加固的目的是为加固体提供一定的横截面积，从而提高加固体抵御地下承压水的能力，同时增加上下加固长度，对于顶管掘进时洞口的地层稳定也有一定的积极影响，但是上下加固长度增加到一定程度后，加固效果会减弱，因此在DG05工作井施工时上下加固12m时可以满足安全施工的要求。