顶管施工地表沉降数值模拟分析.docx

? ? 顶管施工地表沉降数值模拟分析 ? ? 刘春波 （烟台市莱山区综合行政执法局，山东 烟台 264000） 0 引 言 顶管法施工是一种通过借助顶升力推动混凝土管段或钢管管段前进，从而实现不开挖或少量开挖的施工技术[1-2]。在顶管施工过程中，推动千斤顶的轴承板需要由工作井的侧壁和墙后的土体所提供的巨大的支撑力。 顶管按工作埋深可分为两种，一种是深顶管，一种是浅顶管。深顶管由于埋深较深，土层压力较大，工作井周围的土体能够抵抗这些顶升力。但对于浅顶管，由于浅顶管敷设深度很浅，工作井周围的土体很浅，阻力作用有限，因此而成为浅顶管工作井设计和施工的难点，也是决定施工质量与整个工程成败的关键[3]。按顶管的工作机理分，顶管可分为气压平衡、泥浆平衡和土压力平衡三种。不同类型的顶管对于不同地层的适应也各不相同，其设计方法也各不相同。因此，对于不同地层建设排水管道时宜根据地层特性选取不同顶管进行施工。 正确选择顶管施工工艺和设备，对保证工程质量、控制地表沉降、降低成本、组织文明施工至关重要。在进行顶管施工工艺和设备的选择时，人们主要根据地质和地下水条件、对地表和周围环境的影响，以及现场条件进行选择。在工程设计中，数值分析通常应用于工程行为的模拟。通过数值模拟，可以快速确定土层与顶管相互作用的工程力学行为，以此可以快速分析确定顶管施工对顶管路线附近的建筑物和管道的影响，并作为更好的工程设计的依据[5]。基于此，现通过对比现场实测结果及数值模拟分析结果，研究了不同顶管施工技术的适用性。 1 顶管技术施工特点 1.1 设备独一性 每项顶管工程都需要根据管径、壁厚、地质、水文条件分别设计专用设备。在管径相同的情况下，顶管掘进机由于地质条件的不同，在工艺流程、截土方式、防水结构等方面也会有所不同。顶管隧道工程如果没有合适的设备将很难实施，因此该工程在很大程度上依赖于设备。 1.2 高风险性 顶管隧道是一种地下工程，由于地质的非均质性，在地质错配、顶管机故障、漏水等情况下，顶管隧道比地面工程在时间和资源上更难处理，需要更多的投资，有时会导致工程失败。因此，顶管隧道施工的风险比一般土木工程项目要高，要求施工技术人员具有善于总结、掌握先进技术、预测可能出现的故障等优点，以避免事故和风险的发生。 2 工程概述 2.1 工程背景 为满足城市防洪排水需求，需要建设一条连接该市区的防洪管道连接系统。该防洪管道南接城内地下管道系统，北通城外某河流，施工时由南向北进行开挖，项目示意图如图1 所示。顶管管道总长400 m，由160 段组成，钢筋混凝土段外径4.16 m，内径3.5 m，每段长2.5 m。由于城市建设初期规划城内地势高于城外，故该项顶管布置为斜坡型布置，各部位管道标高不一，相差十余米。离港和到达井均为开放式沉箱结构，底部标高-21.0 m。根据现场调查结果，图1 给出了主要地层土层性质和基本物理力学参数。 图1 管道位置及土层情况示意图 2.2 工程技术难点 在顶管施工过程中，由于顶管距地表土层距离不一，且地上建筑物复杂，出口处含有某建筑物基础，管头出口处最小覆土深度为3.0 m，远远低于同类顶管施工土层厚度。因此，在顶管施工过程中，极易导致管道周围的土壤受到干扰，当土壤变形超过一定范围，更会严重危及邻近建筑物、基础、路面和地下管道的安全，造成一系列的环境和岩土工程问题。为此，现通过对不同顶管技术惊醒数值模拟研究，分析采用不同顶管施工时顶管周围土力学分布和沉降变形规律。同时，对现场施工环境进行土层地表沉降监控，确保顶管施工的顺利完成，并为今后类似工程的施工提供参考。 3 数值模拟分析 3.1 数值建模及相关假设 3.1.1 数值模型建立 为了分析顶管施工的力学特性，研究施工过程中的表面沉降和变形特性，采用有限元分析软件MIDAS GTS NX，通过建立模型和设置参数，对顶管施工引起的土壤变形规律进行分析和总结。模型尺寸为150 m×40 m×60 m（长×宽×高），模型节点数为65 241，模型单元个数为49 876，顶管顶起平面为Y-Z 平面，顶管方向为X 轴正方向，Z 轴负方向为深度方向，顶管方向如图2 所示。管体采用弹性壳体单元进行模拟，不同开挖方式效果的模拟采用空单元法实现。其余参数及土层参数由地勘测得如表1所列。 表1 有限元力学计算参数 图2 顶管施工示意图 3.1.2 模型假设 在计算和分析之前，为使模型计算尽可能贴近真实情况及简化计算，该模型对此做出如下假设：（1）在顶管的顶进过程中，超浅埋顶管的前推力设置为矩形均布载荷。（2）计算时仅考虑土层的附加变形应力，由土体自重引起的变形不予考虑。（3）顶管施工过程中只考虑顶管间距的变化，不考虑土体的时间效应。（4）假设模型的上表面是地球表面，这是一个自由界面；对于模型的侧面和底部设置为