复杂地质条件下多孔顶管施工地层沉降变形规律研究

摘 要：顶管施工技术发展迅速，在市政管道工程领域应用广泛。当前在复杂地质尤其是针对上软下硬的地层变形控制中，对等效土体的参数处理仍以经验设计为主，没有很好地呈现特定参数下地层沉降变形规律。运用Peck解析公式并结合实测数据拟合分析地层沉降曲线，利用abaqus软件对数值进行模拟，并验证多孔圆形、矩形顶管施工地层沉降机理，以期为市政工程同类型顶管设计与安全施工提供参考。

关键词：顶管；变形规律；Peck；沉降；数值模拟

中图分类号：TU 74 " " " " 文献标志码：A

顶管施工技术在我国发展较为迅速，在工程实践中涌现了很多新设备，很好地解决了地下工程非开挖施工工艺技术设备落后问题，但目前国内市政工程顶管施工管道仍存在技术设备陈旧，地域运用范围不均匀，在复杂地层中，尤其针对上软下硬地质条件下的地层变形控制研究主要以经验设计为主等问题[1-4]，处理在地应力作用下，土体内部应力状态因顶管施工造成土体损失与地层变形是以Peck公式[5]解析为主，部分学者虽然根据弹塑性力学与随机介质理论进行研究，但是对等效土体的参数处理以经验设计为主，与施工工艺的契合度有待提升，没有很好的呈现特定地层沉降变形规律。

本研究以湖州南太湖新区输水互通高铁站西侧输水管连接工程项目为背景，结合现场沉降数据监测、Peck公式理论解析和数值模拟对顶管施工地表沉降变形规律进行研究，并相互验证地层变形机理的合理性，以期为同类施工项目提供参考，进一步为城市地下空间工程顶管施工理论奠定基础。

1 顶管施工地层沉降

1.1 沉降变形公式

在顶管施工中，土体扰动是地层产生变形的根本原因，由于土体开挖卸荷改变了原有应力平衡状态，因此掌子面受到开挖面空间效应的影响，当管道与土体接触时引起地层变形。顶管在施工期间会因土颗粒间的空隙而产生细微收缩，因管道壁后注浆产生微量扩张[5]。此外顶管机对周围土体进行挤压与松动、加载与卸载以及孔隙水压力增加与下降导致变形，会让土体应力释放和发生沉降或隆起等现象[6-7]。在实践中，采用的技术工艺、土体地质条件以及顶管机尺寸不同都会影响扰动范围，因此理论上很难用统一的公式表述变形的影响范围，但可以针对具体工程，借助经验性公式建立特定工程参数对变形范围进行研究。因此，采用Peck公式进行理论计算，假设地层变形由土体损失引起，土体不排水、不固结以及不压缩，顶管掘进开挖的损失土体体积等于沉降槽体积。计算沉降量如公式（1）～公式（4）所示。

（1）

（2）

（3）

Vi=0.05V0 " " " " " " " （4）

式中：S（x）为地层变形沉降量（横向沉降）；Smax为顶管机机顶中心线地层最大沉降；i为计算点距管道中心线横向距离；V0为顶管机每米计算出土量；z为地表至管道中心的深度；Vi为单位顶管机体长度地层应力损失，取5%单位出土量；x为沉降曲线中心到计算点的距离。计算地层沉降变形如公式（5）所示。

（5）

1.2 地层横向沉降解析

由公式（5）可知，断面横向沉降值与管道埋设深度、断面尺寸、土体物理力学性质以及距离管道中心线的距离密切相关，根据Peck理论公式与现场监测数据比较分析各因素对地层沉降规律的影响。在此工程中，两条给水管道尺寸型号分别为DN2200和DN2000，地面至管道底部外缘深度为10m，在施工中，DN2200管道对应的顶管机外径为2260mm，过河段管道长度为378m，其中地层土质自上而下主要为素填土、粉质黏土、粉土和全风化岩，顶管施工段中的顶管大部分在淤泥质粉质黏土层上，承载力特征值为60kPa，γ=19.29kN/m3，φ=11.4°，c=45.2kPa，其中，γ为土体重度；φ为内摩擦角；c为土体黏聚力。以DN2200与DN2000给水管道为例，根据公式（5）解析得到当管道埋深z=10m时，沿与管道轴线垂直的横向地层沉降变形和通过现场监测数据拟合后的沉降曲线如图1所示。

由图1发现，基于Peck公式解析计算后的曲线，当顶管施工时，DN2200与DN2000给水管道的横向沉降变形规律显示为距离管道中心越近，沉降值越大，形似正态分布。当x=0时，沉降值最大，S（x）=3.196cm；距离管道中心线越远，地层沉降最小，当x=6.25时，S（x）≈0，地层几乎不再变形并趋于稳定。在施工中，沿管道横截面中心两侧各5m设置监测点测定地面沉降数据，获取后对origin数据进行处理，拟合曲线发现20处断面监测点的数据曲线与Peck公式曲线高度接近。当x=0时，横向沉降最大值S（x）=3.341cm，与Peck理论计算结果误差比仅为4.53%，说明在管道开挖过程中，不考虑后期地表蠕变，地层变形范围随着开挖面扰动影响范围的扩大而减少，并最终趋于稳定。因此当顶管施工时，应及时对管道与地层间隙进行注浆，抑制或减缓地层变形。为验证本工程给水管道直径对地层沉降变形的影响，根据穿越西苕溪段DN2000与DN2200给水管道参数，进行对标研究发现，当其他条件不变时，管道的直径越大，地层同一位置横向沉降值越大，二者呈正相关。其中，DN2000给水管道在x=0处地层沉降变形值S（x）=2.576mm，与DN2200给水管道在x=0处的沉降值相比，降幅达到19.4%。

进一步分析管道埋深与土质物理力学性质对地层沉降变形的影响，在x=0处分别设置10～20m共计11组管道埋置深度参照组数据；10º～20º共计11组内摩擦角参照组数据，代入拟合公式后结果如图2所示。

当其他条件不变时，随着管道埋深增加，同一位置地层横向沉降变形值逐渐变小且降低速率由快变缓，土体内摩擦角度值与地层变形值也基本呈线性负相关。在设置的参照组范围内，二者对地层变形影响单位幅度分别为8.9%和1.48%，由此可知，管道直径对地层变形影响的敏感度比土体内摩擦角高。因此当顶管施工给水管道时，顶管掘进过程中应着重控制顶管机姿态，防止机头沿地层垂直方向产生“抬头”或“低头”现象，同时当穿越软弱地层时，土体内摩擦角较小，因此须严格控制注浆压力对地层加固，确保掌子面沿着设计轴线稳定开挖。

2 数值模拟

在顶管施工过程中，土体开挖后，由于受开挖面空间效应的影响，因此地质较好的地层变形不大，但支护时机对地层变形的抑制能力较为显著，在以往的研究过程中，认为及时支护能抑制地层变形，忽视了土体与支护结构间的耦合作用关系，仅可以从理论上阐述变形机理，与工程实际有一定出入，实际上掌子面土体开挖后，支护结构不能瞬时跟上，需要一定的间隔时间，因此当管道支撑土体时，地层已经产生了沉降。不考虑土体蠕变因素影响，实际上地层变形带的影响范围应该比理论计算的数值范围小，应该减去未支护时已发生的沉降变形值再进行研究模拟，南太湖新区输水互通高铁站西侧输水管连接工程穿越西苕溪段，DN2000与DN2200给水管道同步施工且平行敷设，管道净距为3.5m，两条给水管道中心间距为5.6m，理论上基于Peck公式计算的地面沉降影响区域值x=6.25gt;5.6m，为验证变形带宽度取值普适性并验证是否满足安全施工要求，设定参数对圆形顶管与矩形顶管施工过程的地层变形进行模拟分析。

2.1 圆形多孔顶管施工平面状态沉降模拟

设置土体重度γ=19.29kN/m3，地面承载力为60kPa，管道直径为5m，根据图1中DN2200管道沉降曲线计算在变形零点处，管道的横向沉降变形带影响范围为x=2.84D，圆形顶管间距取2.84D即14m，模型基本尺寸：宽度为60m，高度为60m，土层采用2D单元、摩尔—库伦本构模型，两条给水管道同时施工。模拟结果如图3、图4所示。

从图3发现，管道周围的土体因开挖得到应力释放，管道上方和下方的应力明显高于管道周围的应力，在管道竖向界面一定范围内，顶管沿着设计轴线穿越土层进行管道铺设，因此沿着竖向出现长时应力集中，横向两条给水管道同时施工对中间土体产生挤压效应，因此两条管道沿净距中点往横向两侧的应力逐渐递减。

从图4发现，当两条管道同时施工时，距离管道中心越远，两侧位移逐渐减少，两条管道间产生了相向位移，但在两条管道净距中心位置处变形量仅为-0.48mm，几乎为0，说明当同向施工时，设置两条给水管道的间距为2.84D的变形带是安全的。从竖向位移云图发现，沿着管道埋深增加，同一点处地层竖向变形逐渐减少，与图2理论解析结果一致。

2.2 三维矩形多孔顶管施工地层沉降模拟

为进一步揭示多孔顶管在三维空间掘进过程对地层沉降变形扰动的规律，建立多孔顶管同方向施工模型，设置基本参数：土体断面尺寸设置宽为50m，长为50m，深度为95m，土体内摩擦角为20°，采用摩尔—库伦塑性模型，弹性模量为180GPa，地面承载力为110kPa，数值模拟后的结果如图5、图6所示。

由图5发现，在土体中，随着地表深度增加，主应力逐渐减少，至管道接触处出现应力集中；在顶管中，距离开挖面越远，管道尾部与活动衡量组合体与千斤顶接触，造成主应力逐渐增加，在末端产生压应力为86.84MPa，当顶管机头到达掌子面时，土地与顶管机头相互作用，导致应力骤增，接触面处作用应力为290.4MPa。

由图6发现，在模型深度范围内，顶管机在土体掘进过程中，地层竖向变形自地表往下依次减少，顶管机上部产生正值隆起位移，最大值为5.71cm；下部产生挤压负向位移，最大值为-5.058cm。在管道侧向，距离管道中心线距离越远，变形逐渐降低，验证了基于Peck公式正态曲线的合理性。

3 结论

通过对顶管施工地层沉降变形规律的理论计算、监测数据拟合与数值模拟研究，综合分析可得出以下结论：1）在顶管施工过程中，沿与管道中心横向距离越远，地层沉降变形逐渐减少，管道中心处变形最大。在影响地层变形因素中，管道直径、管道埋深和内摩擦角敏感性依次降低，因此当复杂地层进行顶管施工时，应优先结合工程地质条件进行顶管机型的适配性选择。2）满足基本参数条件下，同向施工两条管道间距为2.84D的变形带宽度符合安全距离范围且地层竖向变形自地表往下依次减少，但至管道开挖面处，管道上部隆起，下部沉降。因此，当双孔顶管同向、同时施工时应加强对对面沉降进行监测，当发现地面隆起或沉降值达到预警时，及时调整注浆压力与千斤顶顶力等影响地层变形安全的机械参数。3）在复杂地层掘进的过程中，为保障多孔顶管同向、同时施工安全，应及时采用管后注浆加固地层，减少支护滞后时机，同时随时对顶管机前进姿态进行纠偏，避免机头上下位置偏离轴线，导致地层变形超过设计允许值影响施工安全，当顶管入洞时，机头与土体接触产生应力集中现象，因此须提前对洞口进行土体加固，保障顶管机始发安全。

参考文献

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