顶管施工的环境影响有限元研究①

王 冬

(同济大学土木工程学院，上海200092)

0 引言

顶管法是一种非开挖的地下施工方法，其优势在于非开槽的暗挖方式，能够避免作业面对地上建筑物的直接影响，目前常用于自来水管、煤气管、供暖管道和通信电缆等管道的施工.

但是，作为一种地下施工方法，顶管法也不可避免地会对管道周围的土体产生扰动.如果对某些指标控制不好，会导致地面及地下构筑物的破坏.因此，地表变形是顶管法施工监控的重要内容.近年来，学者从三维数值仿真方面对顶管施工的环境影响进行了探讨［1－4］，但是对一些关键因素的研究还不够充分.

本文采用三维有限元方法对某顶管工程进行数值模拟，分析影响土体变形的重要因素，探讨了一些施工手段对周围环境保护的效果，以期为顶管法的应用提供指导作用.

1 有限元模型的建立

1.1 尺寸和边界条件

某工程地下通道埋深5.2m，顶管外径约2.6 m.计算模型的总宽度取约直径的6倍，即32m.深度取约埋深的4倍，即20m;纵向长取77米.模型侧面约束法向变形，底面固定，顶面自由.前后两面的土体位置添加法向土弹簧.在进出洞的位置，以基坑围护体系的钢板桩以及围檩、支撑等结构作为边界条件.在模型中，用SHELL单元模拟钢板桩，BEAM单元模拟围檩，忽略支撑的变形，用约束法向位移的方法来模拟支撑的作用.

1.2 参数选取

主要的土层包括:填土，厚1～2m;褐黄色粉质粘土，厚 1 ～1.5m，重度 18.6 kN/m3，粘聚力17kPa，内摩擦角22.8°;灰黄色淤泥质粘土，厚1m，重度 17.7 kN/m3，粘聚力 10kPa，内摩擦……