顶管隧道施工环境影响研究
刘航军 曹振生 刘宗志 车建国
中电建路桥集团有限公司
采用有限差分法并考虑流固耦合的作用,分析研究了顶管顶进施工对周边地表变形、土体内部位移、孔隙水压力及土体主应力的影响规律。结果表明,顶管顶进过程中沿顶管纵向地表位移在机头前方约1D(D为顶管直径3.8m)处隆起值最大且距离机头越远隆起变形越小;横向地表受顶管施工扰动影响较大的区域为其轴线两侧3D范围内;孔隙水压力先增大后减小,且在顶管机头通过计算断面2D时土体孔隙水压力达到最大;同一水平面上顶管轴线处主应力受到的影响最大,且影响范围约为2D。最后将数值模拟结果与理论值进行对比,得到的结果基本一致。
作者简介： 刘航军,福建分公司副总经理,高级工程师,国家一级注册建造师,E-mail:157836581@qq.com;
收稿日期：2015-12-11
Study of Influence of Pipe-jacking Construction on Environment
Liu Hangjun Cao Zhensheng Liu Zongzhi Che Jianguo
Power China Roadbridge Group Co.,Ltd.
Surface deformation,soil displacement,pore water pressure and soil stress in consideration of fluid-structure interaction are studied during pipe-jacking construction by finite difference method. The results show that in pipe-jacking construction surface displacement along the axis of pipe-jacking reached the maximum when the pipe is ahead about 1D(D is pipe diameter,3. 8m) and became small when the pipe is away. The surface along the vertical axis of pipe-jacking is greatly influenced on both sides of the3 D of the axis. Soil pore water pressure increased at first and then decreased,and reached the maximum when the pipe is 2D away from the calculated section. Influence of principal stress at pipe-jacking axis is largest in the same horizontal plane and the scope of influence is about 2D. Finally,the numerical results is compared with the theoretical value,the results are basically identical.
Received： 2015-12-11
0 引言
随着城市现代化建设的迅速发展,地下管线的铺设越来越多。顶管施工以其不需开挖、对周围环境影响较小等优点而在城市管线的建设和改造中得到推广和应用。然而,在顶管施工期间如果某些指标控制不好,会对周围环境产生较大影响。对此,国内外一些学者从理论及实测方面展开了研究
华能福州电厂至凤坂220k V线开断进排尾变线路工程,土建部分起自风坂变附近已建12号工作井(G0工井),止于拟建排尾变围墙内G19工井,线路途经福光路、福光南路、鳌峰路、排尾路,线路总长6.143km,全线采用非开挖顶管方案进行设计,主线路顶管内径为3.2m,分支线路顶管内径为2.2m。本文通过有限元差分法计算顶管顶进过程中的变形、孔隙水压力及土体应力,分析研究顶管施工环境影响规律,为后续制订周边建筑物监测提供依据。
1 计算模型
1.1 模型建立
计算区域取华能福州电厂至凤坂220k V线开断进排尾变线路工程G14→G16区间进行研究。G14→G16区间采用了NSD3200型泥水平衡顶管掘进机,相关技术参数如表1所示。
表1 顶管掘进机技术参数Table 1 Technical parameters of pipe jacking machine
顶管隧道埋深为12m,地质剖面如图1所示,土层物理力学参数如表2所示。计算模型中隧道两侧边界及下部边界与隧道的间距均取3D(D为顶管隧道外径,3.8m)。模型大小为27.8m×80m×27.8m的有限差分网格模型,x轴为水平面上垂直于顶管轴线的方向,以向右为正方向;y轴为顶管顶进方向,以顶管顶进方向为正方向;z轴为竖直方向,以竖直向上为正方向。整体计算模型如图2所示。顶管管节长度为2.5m,管节内径为3.2m,外径3.8m,数值模拟时建立内径为3.2m、外径3.8m的实体管节模型,管节模型如图3所示。
考虑地下水渗流影响,地下水位埋深为地面下2m处。顶管管节间的接触采用interface接触面模拟,顶管管节及接触面模型如图4所示。
图1 地质剖面(单位:cm)Fig.1 Geological profile(unit:cm)
表2 土层物理力学参数Table 2 The physical and mechanical parameters of soil
图2 数值模拟整体计算模型Fig.2 Numerical simulation of the whole calculation model
图3 顶管隧道管节计算模型Fig.3 Calculation model of pipe joint
图4 顶管管节及接触面模型Fig.4 Interface model of pipe joint
1.2 参数选取
数值模拟中土体材料采用莫尔-库仑(MohrCoulomb)弹塑性本构模型进行模拟;由于考虑顶管顶进时管节外围泥浆套的作用,模拟中在管节外围20cm范围内设置等代层(弱化土体材料参数)来模拟注浆层的参数;顶管管节采用弹性本构单元模拟。
数值计算时材料参数参照G14~G16区间设计施工资料及经验值,管节及工具管的物理力学参数如表3所示。顶管施工中机头的推进力考虑机头的推进作用以及平衡前方土压力,故取正面附加推力为20k Pa
表3 管节物理力学参数Table 3 The physical and mechanical parameters of pipe joint
表4 接触面的物理力学参数Table 4 The physical and mechanical parameters of interface
1.3 顶进模拟
模拟中考虑在不同的顶进距离情况下,顶管施工引起的变形及其影响规律。数值模拟中首先进行地应力平衡计算,然后进行顶管顶进施工计算。福州顶管现场施工时管节长度为2.5m,每2.5m作为1个循环,而在数值模拟中由于模型长度较长,故取5m作为1个循环计算。顶管第1步顶进时包含顶管机头共顶进7.5m,随后14步以5m作为1个循环步,最后一步以7.5m作为1个循环步,因此在顶管顶进模拟分析中共取17步进行计算。
2 计算结果分析
为消除数值计算中模型边界对计算结果的影响,数值模拟分析中取模型中间断面(沿顶管纵向y>37.5m处),分析研究顶管施工时对周围环境的影响。
2.1 顶管施工对轴线方向竖向位移的影响分析
在顶管机头顶进到达37.5m处,沿顶管中心轴线切面上的地层竖向位移云图如图5所示。从地层竖向位移云图中可以看出,受顶管施工推进力和管节外侧注浆效果影响,机头前方上侧一定范围内的土体均发生隆起变形;位于机头前方下侧的土体受顶推力等施工扰动影响发生一定沉降变形;在顶管通过后,位于顶管上部的土体在施工扰动后逐渐发生沉降变形;位于顶管下部的土体由于地层卸荷作用而发生隆起回弹变形。
图5 顶管纵向竖向位移云图Fig.5 The contours of vertical displacement along the pipe axis
从图6中可以看出,顶管机头前方地表在顶管机头推进力和注浆压力作用下发生隆起变形,其中机头前方约1D处地表隆起值达到最大(最大地表隆起值约为2.66mm),距离机头越远,地表隆起变形逐渐减小;在顶管通过后,即机头后方的地表土体在施工扰动后逐渐发生固结沉降,约在机头后方20m的位置处地表出现回弹现象,这主要是因为顶管施工导致土体发生卸荷回弹。
图6 顶管纵向地表竖向位移曲线Fig.6 The curve of vertical displacement along the pipe axis
2.2 顶管施工对横向断面位移的影响分析
从图7中可以看出,距离顶管隧道越近的土层受顶管施工扰动影响越大,故在顶管施工完成后埋深越大(距离顶管越近)的土层沉降变形越大;在垂直于顶管轴线上距离顶管轴线越远的土层沉降变形越小并逐渐趋于稳定。由图中可以得出,受顶管施工扰动影响较大的区域为其轴线两侧3D(D为顶管直径3.8m)范围内。如图中9.84m处距顶管顶部最近,顶管施工影响最大,其轴线上土体沉降变形最大(最大沉降值约为-8.25mm),而两侧沉降较小。
2.3 顶管施工对土体位移的影响分析
从图8中看出,顶管顶进施工过程中,在顶管机头距计算断面30m左右时,土体出现隆起变形,距地表越近的土体隆起值越大;随着顶管不断顶进,由于土体受到机头推进力和注浆压力的扰动作用,土体发生沉降变形;在机头进入计算断面后,沉降速率加快,随后在机头通过计算断面18m时,受顶管施工推进力和注浆压力减小,土体沉降达到最大值,并且埋深越大的土层受到顶管扰动影响越强烈,土体产生的沉降变形越大,图中7.86m埋深处土体最大沉降值约为-4.14mm;在机头通过计算断面18m后,由于隧道开挖,土体发生回弹;在顶管通过约40m后,土体变形逐渐趋于稳定。由于埋深7.86m处的土层距离顶管越近,故该位置土体沉降值最大,最大沉降值约为-3.17mm。
图7 顶管施工完成时37.5m断面不同深度竖向位移曲线Fig.7 The curves of vertical displacement on the section when pipe jacking construction is over
图8 机头不同顶进位置时37.5m断面土体位移变化曲线Fig.8 The curves of soil displacement on the section of 37.5m when the nose into different position
2.4 顶管施工对土体孔隙水压力的影响分析
图9中共绘制3种不同深度处孔隙水压力变化曲线。由图中可以看出,随着机头向前推进,孔隙水压力先增大然后逐渐减小且不同深度处的孔隙水压力变化幅度基本一致。当机头通过计算断面约2D(D为顶管直径3.8m)时土体孔隙水压力达到最大值,埋深为6.04m处的孔隙水压力增大约18.1k Pa,埋深为4.52m处的孔隙水压力增大约18.03k Pa,埋深为3.76m处的孔隙水压力增大约18.01k Pa。
2.5 顶管施工对土体主应力分布的影响分析
图9 机头不同顶进位置时37.5m断面处孔压变化曲线Fig.9 The curves of pore water pressure on the section of 37.5m when the nose into different position
1)土体最大主应力分布
顶管机头顶进到y=37.5m时该断面的最大主应力云图如图10所示。从云图中可以看出,由于受顶管顶进推力和注浆压力等因素影响,顶管隧道上部周围土体最大主应力明显减小(绝对值增大),距离顶管越近的土体最大主应力减小量越大;位于顶管底部的土体受顶进施工的影响较小。模型底部土体应力最大,其最大主应力值约为-0.46MPa。
图1 0 机头顶进到37.5m时该断面最大主应力云图Fig.10 The contours of maximum principal stress on the section when the nose into the 37.5m
图1 1 机头顶进到37.5m时该断面最大主应力曲线Fig.11 The curves of maximum principal stress on the section when the nose into the 37.5m
从图11中可以看出,埋深越大的土层(即距离顶管隧道越近),其最大主应力受顶管施工影响越明显,在同一水平面上顶管轴线处的最大主应力受顶管施工影响最大。顶管施工引起周围土体最大主应力减小,在埋深9.84m处最大主应力减小最明显,减小了约11.0k Pa;在埋深9.84m处,顶管施工对最大主应力影响范围约为2D(D为顶管管道外径3.8m)。
2)土体最小主应力分布
顶管机头顶进到y=37.5m时该断面的最小主应力云图如图12所示。从图中可以看出,由于受顶管顶进推力和注浆压力等因素影响,顶管隧道上部周围土体最小主应力明显减小(绝对值增大),距离顶管越近的土体最小主应力减小量越大;位于顶管底部的土体受顶进施工的影响较小。模型底部土体应力最大,其最小主应力值约为-0.52MPa。
图1 2 机头顶进到37.5m时该断面最小主应力云图Fig.12 The contours of minimum principal stress on the section when the nose into the 37.5m
图1 3 机头顶进到37.5m时该断面最小主应力曲线Fig.13 The curves of minimum principal stress on the section when the nose into the 37.5m
从图13中可以看出,埋深越大的土层(即距离顶管隧道越近),其最小主应力受顶管施工影响越明显,在同一水平面上顶管轴线处的最小主应力受顶管施工影响最大。顶管施工引起周围土体最小主应力减小,在埋深9.84m处最小主应力减小最明显,在顶管轴线上最小主应力减小了约11.6k Pa;在埋深9.84m处,顶管施工对最小主应力影响范围约为2D(D为顶管管道外径3.8m)。
2.6 顶管施工引起的地表竖向位移的理论计算分析
顶管施工时的地表变形主要是由土体损失、正面附加推力以及顶进过程中顶管机和后续管道与土体产生的摩擦力引起的。为了将得到的数值计算结果与理论值进行对比,利用魏纲等人研究的理论计算公式
顶管施工引起的纵向地表位移如图14所示。可以看出,纵向地表竖向位移的数值计算结果与理论计算结果曲线规律基本一致。在顶管机头前方约5m处隆起值达到最大,顶管通过后均出现了卸荷回弹现象。数值结果得到的地表沉降明显小于理论值,这主要是数值计算中考虑了顶管施工时的注浆压力。
图1 4 顶管施工引起的纵向地面变形曲线Fig.14 Curves of longitudinal surface deformation induced by pipe jacking
顶管施工引起的横向地表位移如图15所示。由对比可以看出,地表变形规律是一致的,数值计算与理论计算得到的横向地表位移均呈两边沉降小、中间沉降大的沉降槽曲线。理论计算得到的地表最大位移为4.8mm,略大于数值计算得到的结果,这主要是理论计算中未考虑顶管施工时的注浆压力,导致理论计算得到的地表沉降值偏大。
图1 5 顶管施工引起的横向地面变形曲线Fig.15 Curves of transverse surface deformation induced by pipe jacking
3 结语
本文利用有限差分法,考虑流固耦合,分析研究了顶管顶进施工对周边地表变形、土体内部位移、孔隙水压力及土体主应力的影响规律,得到的结论如下。
1)沿顶管轴线方向竖向位移,机头前方上侧一定范围内的土体均发生隆起变形且机头前方约1D(D为顶管直径3.8m)处地表隆起值达到最大;位于机头前方下侧的土体发生沉降变形;在顶管通过后,顶管上部的土体发生沉降变形;顶管下部的土体发生隆起变形。
2)在垂直于顶管轴线上距离顶管轴线越远的土层沉降变形越小;受顶管施工扰动影响较大的区域为其轴线两侧3D范围内。数值计算结果与理论值变形规律一致,但最大位移值略小于理论值。
3)土体在机头到达断面时隆起值达到最大,通过断面约18m时沉降达到最大,后由于隧道开挖发生回弹现象。
4)孔隙水压力随着机头向前推进先增大后逐渐减小,当机头通过断面约2D时土体孔隙水压力达到最大值。
5)顶管隧道上部周围土体最大(小)主应力明显减小(绝对值增大),且越靠近顶管土体最大(小)主应力减小量越大;同一水平面上顶管轴线处的最大(小)主应力受到的影响最大,且影响范围约为2D。
6)基于计算结果,建议对顶管周边3D范围内的建筑物加强监控量测。
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