平行顶管不同顶进方式对地表变形的影响分析

平行顶管不同顶进方式对地表变形的影响分析

李聪，王青波，刘裕裕，侯恒兴，安晓琛，骆洪伟

中建四局第一建设有限公司，广东，广州，510800

摘要： 为了分析平行顶管的施工过程中不同的顶进方式对地表变形产生的影响。以潮州某顶管工程作为工程实例，通过有限元软件对4种施工工况进行数值模拟。结果表明，平行顶管同时顶进时的地面沉降和隆起都是最大的，开挖面相距12m时顶管间的相互作用对地表变形影响很小，模拟得到的结果和依次顶进一致。

关键字：顶管，数值模拟，地面沉降

1 引言

顶管作为一种非开挖的施工技术相对于明挖技术，对周围环境破坏小，不干扰顶管路径上构筑物的正常使用，被广泛地运用于市政工程。但顶管施工技术在工程的实际应用不是很成熟，施工过程的决策和操作不当易对周围环境造成较大的影响。随着模拟仿真技术的发展，采用数值模拟技术分析顶管施工工程对周围土体的影响，成为主要的分析方法1-3。

当建筑功能的要求采用平行顶管时，数值模拟技术在这些项目中起到了指导施工的作用。刘明友4等人以南宁市平花河干渠顶管工程作为工程实例，分析了不同掘进参数对地表变形的影响。顾威5等人以东部沿海某达标尾水排海工程为例，模拟结果和经验公式计算结果在土体变形规律上基本一致。吴至帆6等人以南昌市某新建道路排水工程作为工程实例，分析了平行顶管施工对上方既有电力方函结构的影响。

平行顶管中不同的顶进方式会对土体变形产生影响，徐洪强7等人通过分析了矩形双顶管顶进过程中周围土体的变形和应力状态，认为同时顶进会比先完成左线顶进的下沉线峰值向左边偏移。本文以潮州水厂取水工程的平行顶管项目为工程实例，分析了平行顶管的不同顶进方式对地表变形值的影响。

2 工程概况

以潮州市某项目的顶管工程作为工程实例如图1，该项目取水工程拟建两根DN1600原水管从盾构井取水至水厂内。顶管施工工艺采用泥水平衡法，顶管管道采用离心浇筑的玻璃钢夹砂管进行铺设，管埋深深度在3m-12m之间，地下水位深度在2m附近，顶管顶进长度在30m-400m之间，顶管底标高一致，管道中心距离4m，顶管穿越土层为粗砂，上层土为粉质粘土、素填土，地质勘探报告如图2。

图 1 工作井顶管

图 2 地质勘探报告

3 顶管施工的数值模拟

3.1 模型的建立

顶管施工的数值模技术是通过有限元软件对顶管施工过程中引起的土体变形进行研究，进行数值模时进行了如下假设。1、模型范围高20m，宽度为40m，长度为60m。顶管埋深为10m，管道直径为1.6m，每节管道长度为3m，一共6节，注浆形成的喷润土厚度为6cm，模型上表面没有约束，下表面采用固定约束，另外4个面受法向位移约束。2、根据地质勘探报告，土层分为3层，从上到下分别为厚2.3m 的素填土，厚4.2m的粉质黏土，厚13.5m的粗砂，地下水深度为2m。3、各土层使用摩尔库伦模型，物理参数如表1所示，有限元计算网格划分如图3。顶管施工过程中不考虑顶进速率，只考虑顶进长度，顶管的掘进力和管片所受摩擦力，分别为180kn/m2，7kn/m2。

表 1 土层基本物理力学指标

图 3 有限元计算网格

为了分析平行顶管不同开挖面的距离对地表变形的影响，分为4个施工工况进行模拟。第1种工况，左右顶管同时顶进。第2种工况，左边顶管先顶进完成，右边顶管开始顶进，两根顶管开挖面相距18m。第3种工况，左边顶管一直保持比右边多2节顶进长度的顶进方式顶进，两根顶管开挖面相距6m。第4种工况，坐标顶管一直保持比右边多4节顶进长度的顶进方式顶进，两根顶管开挖面相距12m。

3.2 模拟结果

4个工况下土的变形规律都基本一致，横向地面沉降出现在顶管的施工路径上，横向地面沉降曲线形状类似正态分布的曲线，越靠近中线沉降值越大。地表横向沉降值沿着两根顶管之间的中线即模型纵向对称轴大致对称，顶管下方土体表现隆起状态，沿着顶进方向地表变形值逐渐减小。从纵向来看顶管机头的压力会造成前方土体隆起，随着顶管的顶进造成机头压力的移动地面隆起值将小于因顶管造成土体损失的沉降值从而出现地面沉降。

第1种工况即当两节顶管同时顶进，地面沉降最大值为9.21mm出现在两根顶管中间。地表最大隆起值为0.517mm出现在距模型边界沿纵向中线方向30m处，如图4。

图4 第1种工况土层变形云图

第2种工况即当两节顶管依次顶进，地面沉降最大值为9.17mm出现在两根顶管种间。地表最大隆起值为0.517mm出现在距模型边界沿纵向中线方向30m处，如图5。

图5 第2种工况土层变形云图

第3种工况即当左边顶管领先右边顶管2节，地面沉降最大值为9.18mm出现在两根顶管间。地表最大隆起值为0.516mm出现在距模型边界沿纵向中线方向30m处，如图6。

图 6 第3种工况变形云图

第4种工况即当左边顶管领先右边顶管4节，地面沉降最大值为9.17mm出现在两根顶管间。模型地表最大隆起值为0.517mm出现在距模型边界沿纵向中线方向30m处，如图7。

图 7 第4种工况土层变形云图

4 模拟结果分析

虽然平行顶管开挖对地面造成的变形曲线和单顶管开挖类似，但平行顶管依次开挖对地面造成的结果和左右单顶管开挖造成的地面沉降值的线性叠加的结果不同，依次开挖地表最大沉降值为9.21mm，叠加结果的最大值为9.02mm。依次开挖造成的结果大于分别开挖的叠加如图8，说明平行顶管开挖的两根顶管有相互作用，顶管开挖对地面变形的结果是非线性的。

图 8 依次开挖和左右两次开挖叠加的对比

因为平行顶管的开挖，两根顶管对地面造成的影响有相互作用，因此不同的顶进方式对地面变形会产生不同的结果。将4种工况放在一起对比，如图9、10，4种工况对地面造成的变形曲线基本一致，观察局部图可以看出，4种工况种横向最大沉降值为9.21mm，纵向最大隆起值为0.517mm。最大的横向和纵向沉降值以及隆起值都发生在第1种工况，最小的横向和纵向沉降值发生在第2种工况，在局部图中可知第3种工况的地表沉降值大于第4种工况，第4种工况和第2种工况造成的地表变形值接近。

结合4种工况和地表的变形曲线可以推出3条结论，第1，平行顶管的不同的顶进方式对地面造成的地表变形值不同，平行顶管的开挖面越靠近顶管间的相互作用越大。第2，地表的变形值和平行顶管开挖面的距离成正相关关系。第3，平行顶管开挖面距离对地表变形产生的影响是非线性的，在开挖面差值距离相等情况下，第1种工况和第3种工况变形值的差值大于第2种和第4种工况的变形值的差值。

图 9 不同工况地表横向变形值对比

图 10 不同工况地表纵向变形值对比

5 结论

  结合潮州某顶管工程实例，通过平行顶管4种施工工况的数值模拟，证明了在顶管施工过程中，不同的顶进方式会地表变形产生不同的影响，开挖面越近地表变形越大。在平行顶管施工过程中，依次顶进对地表变形影响最小，对顶管施工速度有要求时，平行顶管开挖面保持12m及以上的距离能有效的减小顶管间的相互作用从而减小地表变形值。

参考文献

[1]喻军, 龚晓南. 考虑顶管施工过程的地面沉降控制数值分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2014.

[2]冯海宁, 龚晓南, 徐日庆. 顶管施工环境影响的有限元计算分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 23(7):5.

[3]胡聪,郝英奇.双线平行顶管在不同间距下施工的模型试验与数值模拟分析[J].建筑结构,2021,51(S2):1854-1860.

[4]刘明友, 韦宏业, 么晓辉, et al. 软硬地层下双顶管掘进参数对管片及地层的影响[J]. 科学技术与工程, 2022(011):022.

[5]顾威, 曹坤, 邹恒,等. 深层平行双顶管对海堤沉降的影响分析[J]. 城市道桥与防洪, 2021.

[6]吴至帆.双顶管施工下穿既有电力方涵的安全影响分析[J].城市道桥与防洪,2021.

[7]徐洪强. 双通道矩形顶管下穿城市道路施工技术研究[D].合肥工业大学,2020.000181.