基于土体损失模型软弱地层超...直径钢顶管施工土体变形分析_康兰方.pdf

第 卷第 期 河 南 城 建 学 院 学 报 年 月 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；中交第二公路工程局有限公司重点科技研发项目（）；河南省科技厅产学研合作项目（）作者简介：康兰方（），男，四川达州人，高级工程师，研究方向为隧道与地下工程。通信作者：梁 斌（），男，河南洛阳人，博士，教授，博士生导师，研究方向为隧道与桥梁工程。文章编号：（）：基于土体损失模型软弱地层超大直径钢顶管施工土体变形分析康兰方，房鹏帅，王 琳，耿 弈，梁 斌（中交二公局第四工程有限公司，河南 洛阳；河南科技大学 土木工程学院，河南 洛阳）摘 要：针对顶管施工引起的土体变形问题，结合深圳市超大直径钢顶管施工项目，基于非等量径向土体损失模型，对 公式进行修正，计算得到该地区土体损失率为 ，并依托工程实例分析了软弱地层钢顶管施工土体变形规律。分析结果表明：土体损失是引起土体变形的主要因素，顶管顶推力次之，摩阻力对土体变形不敏感；从纵向分析，土体变形具有衰减性，受扰动区域在掌子面前方 范围内；从横向分析，土体变形具有扩散性，受扰动区域主要集中在顶管左右两侧 及软弱地层内；数值模拟结果与修正 曲线、现场实测拟合曲线吻合性良好。通过以上分析认为对软弱地层超大直径钢顶管施工土体易产生变形的区域，应采取一定措施减少其扰动程度。关键词：软弱地层；顶管施工；公式；土体变形；土体损失中图分类号：开放科学（资源服务）标识码（）：文献标识码：，（，；，）：，：；顶管施工技术是一种非地面开挖技术，其优点在于可以避免地面作业对地上建筑物、构筑物的影响。但是顶管施工会对周围土体产生扰动，导致附加应力增加，土体发生变形。特别对于超大直径钢顶管施工，土体变形问题较为突出，若不及时采取变形控制措施，则会影响周围建筑物的稳定，产生裂缝甚至造成坍塌等重大事故，极大地增加了施工安全风险，严重影响了施工效率。因此通过研究超大直径钢顶管施工引起的土体变形规律，建立一种简便快捷、适用性强的预测方法用以指导施工。针对顶管施工引起的土体变形问题多采用理论分析、数值模拟和现场实测的方法进行研究。其中理论分析以 沉降槽公式应用最广，国内外学者结合土体变形机理对 经验公式进行了修正和完善。徐新等采用随机介质理论推导得到矩形顶管施工引起的地表沉降理论解；王梅等通过模型试验研究密排大直径顶管施工地表沉降特性，采用反算法改进的 公式与模型试验沉降结果吻合性良好；贺雷等采用理论分析总结了砂砾地层土体沉降规律，通过规划求解得到适合砂砾地层土体沉降槽宽度系数计算公式。由于顶管施工引起的土体变形是一个复杂的动态三维过程，因此仅开展单纯的理论研究难以解决具体的工程问题，而采用数值模拟分析土体变形，更有助于理解顶管施工对周围土体扰动的机理，用以指导施工。张文瀚等通过数值模拟钢顶管施工过程中不同因素对路基的影响，提出了减小路基变形的施工措施；喻军等运用三维有限元软件分析了顶管施工过程地面沉降控制的影响因素，对提高顶管施工技术水平具有实践价值；赖金星等采用三维弹塑性有限元计算模型，分析不同因素对土体变形的影响，确定了顶管施工引起砂土地层变形的规律和范围。同时也有一些学者采用工程实例与数值模拟相结合的方法探讨了地表变形特性，为顶管施工引发的疑难问题提供了合理的解决方案。上述学者从不同角度对顶管施工引起的地表变形特征和土体沉降控制进行了研究，但是本工程所采用的顶管为超大直径钢顶管，其断面高度远大于中小型钢顶管，在施工过程中土体扰动范围广，变形机理复杂，且顶管持力层为软弱地层，其结构强度低，灵敏度高，地表沉降难以控制。此外，工程界对软弱地层这一典型地质条件下超大直径钢顶管施工引起的土体变形问题的研究成果相对较少，现有 经验公式适用性还有待验证。为分析软弱地层超大直径钢顶管施工引起的土体变形规律，提高设计施工水平，满足工程需要，本文在深圳市石岩北清污分流工程项目背景下，针对软弱地层超大直径钢顶管施工引起的土体变形问题，基于非等量地层损失模型对 计算公式进行修正，计算得到地表沉降槽宽度系数；在此基础上借助有限元计算模型，对顶管顶推力、摩阻力和地层损失等影响因素进行分析研究，旨在确定超大直径钢顶管施工引起软弱地层变形的规律和影响范围，并与现场实测数据、修正 公式进行对比验证。研究成果可为类似工程提供一定的借鉴和参考。工程概况深圳市清污分流系统共 段，总长约 ，包含沉砂池、跌水、集水井；顶管工程采用钢管顶进，总长度 ；该工程总体上由东向西布设，地面高程一般为 。顶管管径，壁厚，机头总功率 。顶管施工过程中，穿越线路地层众多，自土层、软岩到硬岩，围岩软硬不均；并且该地区邻近水库，地下水位较高、水压较大；其中 顶管段（）顶管持力层为淤泥质土，属软弱地层，其抗剪强度较低、压缩性较高、强度低，因此在施工过程中会产生较大地表沉降；除此之外还经常遇到缩孔、塌孔等问题，必须引起足够重视。本文通过对土体变形不同因素进行分析研究，以确定顶管施 第 卷第 期 康兰方，等：基于土体损失模型软弱地层超大直径钢顶管施工土体变形分析工引起软弱地层的土体变形规律和影响范围，用以指导施工。超大直径钢顶管施工现场如图 所示。图 超大直径钢顶管施工图图 沉降槽曲线 土体变形模型分析 沉降槽计算模型通过对隧道施工地面沉降数据及相关工程资料进行分析研究，结合相关理论认为地层损失是导致土体变形的主要因素，地层损失体积和沉降槽体积近似相等，在此基础上，提出了 沉降槽计算模型，如图 所示。横向地表沉降量预估公式及最大沉降量计算公式为：（）（）（）（）（）（）（）式中：（）为 位置处对应的地表沉降量，；为超大直径钢顶管最大地表沉降量，；为距超大直径钢顶管水平距离，；为地表沉降槽宽度系数；为土体损失量，；为土体损失率；为钢顶管埋深，；为土体摩擦角，（）。超大直径钢顶管施工时，顶管管道与机头存在开挖空隙引起地层损失，其量值等于开挖土体与收敛后土体断面的体积差。若压力舱的压力控制不当也会造成开挖面地层损失，当压力保持自然土压状态时，则无地层损失，在理论上地面沉降值为零；当压力舱的压力过大时产生地层负损失，地面隆起；反之，产生正的地层损失，地面发生沉降；地层损失模型目前，对于地层损失的研究主要存在两种模型，如图 所示。（）等量径向地层损失模型 （）非等量径向地层损失模型图 地层损失模型假定土体是无限介质，计算出地表地层损失条件下某点处的应力应变值弹性解。河南城建学院学报 年 月和 在 理论基础上，假定土体是线弹性材料，将土体移动模式看作是均匀径向的，提出等量径向地层损失模型，见图（）。而实际上，由于顶管管片和土体自重作用，隧道周围等效二维间隙并不是环形，和 在前人研究基础上认为土体移动是非均匀径向的，提出非等量径向地层损失模型，见图（），并利用等效土体参数 表示总体地表变形，其中 为超大直径钢顶管土体与管道之间的几何间隙，为掌子面土体移动值，为由施工应力产生的间隙值。其计算公式为：（）顶管开挖半径为，土体损失体积等于开挖断面体积减去收敛后断面体积，其计算公式为：（）（）（）与 之间换算关系为：（）（）本文基于 的土体非等量径向地层损失模型，依靠中交二公局第四工程有限公司承担的深圳市宝安区石岩北清污分流工程项目的实际土质情况，并参考文献的研究方法，结合公式（），得出深圳市超大直径钢顶管工程项目土体损失率为 。超大直径钢顶管数值计算模型 基本假定超大直径钢顶管的顶推力等效为圆形均布荷载作用于开挖面；在施工过程中主要考虑土体变形空间效应，忽略时间效应的影响；土体与管道间的摩阻力沿顶进方向均匀分布；超大直径钢顶管顶进时对周围土体产生的剪切力等效为正面压力，作用于开挖面前方土体上。计算参数本工程顶管单节管片长 ，采用 钢材，考虑到顶管壁厚较小，属于薄壁结构，可采用板单元进行模拟。土体单元采用 实体单元，修正摩尔库仑本构，模型中对土体分层进行简化，依次为素填土、软土和砂质黏土，厚度分别为 、和。根据石岩北地质勘察报告本工程土层及顶管物理力学参数如表 所示。表 石岩北土层及超大直径钢顶管物理力学参数类型 （）（）素填土 软土 砂质黏土 顶管 图 钢顶管施工模型 网格划分石岩北清污分流项目 超大直径钢顶管模型计算尺寸为：水平方向长度 ，竖直方向长度，纵向长度，每次顶进一节管片，分 次顶进，由于模型结构对称，约束条件设置为自动约束，共 个节点，个单元，如图 所示。土体沉降分析 机头顶推力的影响超大直径钢顶管施工时，位于掌子面正前方土体受到顶管顶推力挤压作用，土体附加应力增加，应力状 第 卷第 期 康兰方，等：基于土体损失模型软弱地层超大直径钢顶管施工土体变形分析态复杂。该区一方面由于掌子面土体松动，应力释放，水平应力减小；另一方面又由于顶推作用，水平应力增加，当两者共同作用维持水平应力基本不变时，施工对土体扰动最小。纵断面土层变化超大直径钢顶管顶进 时，顶推力引起的纵断面土体竖向位移云图见图。在 断面处，在顶推力作用下，土体应力释放，密实度降低，当土体应变达到其极限压应变时，产生挤压变形，在管道顶部土体产生隆起，隆起值为 ；由于顶管自重应力大于土体抗力，在管道底部产生沉降，沉降值为。在 断面处，土体应力释放效应减弱，土体沉降位移相差较小，表明顶推力引起的土体变形具有衰减性，影响范围主要集中在横向 之内。（）断面位移平面图 （）断面位移平面图图 顶推力引起的土体变形（纵断面）横断面土层变化选取 和 的位移平面图进行对比分析，整体沉降趋势基本一致，如图 所示。土体变形以顶管开挖面为起点向上和向前扩展，影响范围自顶管位置起从下到上逐渐增大，表明土体变形具有扩散性。顶管上方土体发生隆起，形成一个以管顶为中心从管侧沿直线延伸至地面的沉降滑移区域，且整个软弱土层土体较其他土层沉降幅度大。由此可知，超大直径钢顶管顶推力在一定程度上影响每个土层的土体变形，但对软弱土层的扰动程度明显高于其他土层。（）断面位移平面图 （）断面位移平面图图 顶推力引起的土体变形（横断面）顶管摩阻力的影响顶管顶进时，工具管与管周土体之间产生摩擦力导致土体变形，可以采用同步注浆措施，将顶进管道与土体之间的干摩擦变为湿摩擦，减小摩擦阻力。为简化顶管施工过程中的管土作用，采用注浆减阻 河南城建学院学报 年 月措施后，管壁摩擦力受浆液配比、注浆压力等因素影响，一般为 ，结合工程实际，顶管与土体之间的摩擦力为 。纵断面土层变化摩阻力引起的不同顶进距离纵向地表变形曲线见图。掌子面后方土体在摩擦力作用下被拖拽向前移动，产生拖拽效应，土体变形速率较快，经过一段距离后，由于土体自稳作用，土体沉降趋于平缓约 。在开挖面前方 左右地面产生隆起变形，究其原因在于，在管土摩擦阻力作用下土体被扰动，初始应力平衡状态被打破，土体抗压强度降低，剪切应力增加，土体颗粒逐渐向上移动产生隆起。当依次顶进 、和 时，最大隆起量分别为 、和 ，表明随着超大直径钢顶管顶进，后续管节比前期顶进管节隆起值略大，当远离掌子面时，土体受扰动程度减弱，隆起值逐渐下降，最终趋于稳定。图 摩阻力引起的地表变形（纵向）图 摩阻力引起的地表变形（横向）横断面土层变化顶管顶进 时，摩阻力引起的横向地表变形曲线见图。在管道上方地表变形较大，随着距管道轴线距离的增加，地表沉降逐渐变小并趋于稳定，整体呈“凹”型沉降槽，影响范围约 。管周土体在摩擦剪切作用下发生朝向扰动区的位移，并不断延伸发展至地表，最终引起地表沉降，在 断面处沉降达到最大值 ；而在开挖面前方（断面）处，地面隆起 ，随着远离开挖面（断面），隆起值有所下降，为 ，表明摩阻力对开挖面前方 范围内的土体影响显著，导致地表发生隆起。地层损失的影响超大直径钢顶管施工过程中，实际开挖的土层体积除管周土体实际体积外，还包括管道外周与土体之间的空隙，这是由于顶管机头与后续管节所产生的管径差造成的。若超大直径钢顶管顶进速度控制不当，纠偏措施不及时等也会产生地层损失。管周土体在弥补地层损失时，土体物理性能发生改变，引起地层移动从而导致地表沉降。纵断面土层变化顶管在顶进时，土体原有的平衡状态被破坏形成地层损失，在地下水作用下，地层损失发展至地表使得推进