顶管施工引起地面沉降的机理分析及数值模拟

高 坤 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230001）

1 引言

近年来，随着我国城市人口的不断增加，城市化进程不断加快，地下管道的数量也随之迅速增加。顶管法作为一种先进的铺管技术，以开挖量小、对周围环境影响小和施工快等特点而被越来越广泛的应用于城市市政工程的建设中，但顶管施工会对其周围土体产生扰动，引起地面沉降，严重者将导致地面建筑物的变形开裂破坏[1-2]。鉴于此，本文分析了顶管施工引起地面沉降的机理，并以合肥地区某具体工程为背景，建立三维模型分析顶管施工引起地面的沉降量及其范围，以期能为合肥地区的其它工程提供参考。

2 顶管施工对周围土体的扰动机理

顶管施工过程对周围土体的扰动是导致地层变形的根本原因，其引起周围土体扰动的因素是十分复杂的，但是可认为地层损失是引起地层位移的主要影响因素。顶管施工过程中的地层损失通常可以划分为正常地层损失和不正常地层损失两种[3]。正常的地层损失是指在正常的顶管施工过程中不能完全消除必然会产生的地层损失，但同时可以通过有效的技术措施来减小地层损失对顶管施工的影响。不正常地层损失则是指在正常顶管施工条件下不会发生的地层损失，例如洞口周围土体由于洞口止水装置的失效发生塌陷；或者因为管节接口处质量不合格导致周围土体流入管道内。这种不正常的地层损失在顶管施工过程中应当完全杜绝发生。

地层损失引起土体向管道周围土体薄弱面和管道开挖面扩散，从而引起地面的沉降变形。引起地层损失的各种因素如下。

2.1 开挖面引起的地层损失

顶管施工过程中进行断面开挖时，即使使用了泥水、土压或气压平衡等技术措施来抵消开挖面前方和上方的土压力，开挖面正面的土体也不会一直保持受力平衡状态。当正面顶推力较小时，开挖面的土体由于土体的侧向土压力会向顶管管道内移动，引起地层损失，从而导致地表下沉；当开挖面的正面顶推力比较大时，开挖面前方土体受到挤压，引起土体向开挖面前方移动，若顶管的埋深较浅，开挖面前方地表会表现出明显的隆起现象。合理控制顶管施工的正面顶推力，保持开挖面前方土体基本处于土压平衡状态，可以有效的减小地层损失。

2.2 管道与土体之间存在环形空隙引起的地层损失

管道与土体之间存在空隙的原因主要有4个：触变泥浆失水，若顶管管道与土体孔隙中的触变泥浆失水，会增大地层损失；相邻管片之间不平整，若相邻管片之间的接口不合格，没有达到设计要求，则会增大顶管管道与土体的空隙空间，从而导致更多的地层损失；通常情况下，顶管管道外径一般比工具管外径小2～4cm，因此在顶管施工过程中，开挖面后方管道外壁与土体之间会产生环形的空洞，若没有及时的采取注浆加固措施，管道周围的土体会受到挤压向环形空隙之中移动，从而导致地层损失；管道外径与中继环外径之间存在差异，中继间在顶进施工过程中会带走泥浆，甚至带走管道周围的土体。这些原因都会导致地层损失。

2.3 工具管上方粘土造成的地层损失

顶管施工过程中，因为从第一节管道开始注浆减小摩阻力，所以，顶管的工具管会与周围的土体之间产生直接的接触，土体在自重应力的作用下，不可避免的会粘在工具管上方一部分土，导致工具管断面面积比顶管管道断面面积大，若这个缝隙不能完全被注浆加固，会导致管道上方土体的下沉，从而引起地层损失。

2.4 顶管管道和工具管与周围土体发生剪切作用而引起的地层损失

顶管施工过程中工具管会对周围土体产生剪切扰动，从而导致地层的损失。顶管管道由于注浆减小了与土体间的摩阻力，对周围土体的剪切扰动相对较小，但在顶进管道过程中若发生轴线偏离，则会产生局部纵向剪切，管道对周围土体的剪切扰动会增大。所以，当顶管出井不当偏离轴线位移时，会产生较大的挠曲变形，在工作井附近会产生较大的地层损失。

2.5 纠偏引起的地层损失

顶管施工过程中，或多或少都会出现轴向的偏差，当轴向偏差过大需要进行纠偏措施时，工具管与轴线会形成一个夹角。因此在纠偏顶进时，工具管对偏转方向的土体会产生挤压力，导致土体的位移变化;同时，在另一侧工具管道与土体之间会产生间隙。这样，就导致了开挖的断面成为椭圆形，这种情况引起的地层损失即为椭圆形的面积与管道外壁圆形面积的差值。工具管的纠偏幅度和工具管自身的管径及长度决定了该种情况下的地层损失量。

在上述几种地层损失原因分析中，前三种是属于正常的地层损失，很难避免此种情况的发生；后面是属于不正常的地层损失，可以通过提高施工控制来避免地层损失的发生。

3 工程实例

3.1 工程概况

合肥市某市政工程某段顶管管线全长50m，埋深8m，顶管管径为1.5m，管道材质为钢筋混凝土管，管道穿越的地层为粘土层，表层土为软粘土。

3.2 计算模型

图1 计算模型网格图

根据工程的具体情况，并考虑顶管施工的影响范围及边界条件的影响，建立三维数值计算模型。模型X方向长度取50m，Y方向长度取40m，Z方向长度取40m。模型采用8节点六面体等参单元进行划分，按离管道的远近，网格从疏到密，共划分162300个单元，17238个节点，具体计算模型如图1所示。

3.3 材料的参数及本构模型

根据工程地质勘探报告及对应的室内土工试验，确定本次数值模拟计算的材料物理力学参数取值，具体见表2。

材料物理力学参数表 表1

在较低应力状态下岩土体（含注浆材料）的应力应变关系基本符合理想弹塑性模型，屈服规律符合摩尔库伦屈服准则。因此，在本次数值模拟计算过程中，土体及注浆材料的本构模型取弹塑性模型，相应的屈服准则选取摩尔库伦屈服准则。管节采用的是钢筋混凝土材料，在土压力及其他外荷载的作用下，其受力变形主要处于弹性阶段，故其本构模型采用线弹性本构模型。

3.4 顶管施工力学过程的数值实现

顶管施工是一个循序渐进的连续过程，但为了模拟方便，将顶管推进简化成一个非连续的分步顶进过程，并用空模型及改变单元材料模型和参数的方法来反映土体的开挖和管节的分步顶进。在模拟计算开始之前，先在模型里预设管内土体开挖单元、管节单元及注浆体单元；顶管推进时，假设管道每次向前推进5m，给开挖土体单元赋上空模型，同时改变该5m范围内管节及注浆体单元的材料模型以及参数来模拟管节和注浆体。用同样的步骤模拟下一步顶进工况，直至开挖完成。

3.5 模拟结果分析

图2 顶管顶进结束后土体z方向位移云图

图3 顶管顶进结束后地表沉降量

顶管施工结束后土体的竖向位移云图如图2所示，在地表面平行Y方向取一系列监测点，从FLAC 3D软件中将顶管施工模拟中监测点竖直方向位移记录下来并绘制成曲线图，如图3所示。

由图3可知，顶管施工对周围土体的影响是一个漏斗形区域，并且距离管道越近，土体的变形就越大，反之越小。土体最大沉降出现在管道正上方，地表面最大沉降量为5.8mm，沉降主要集中在距管道轴线10m的范围内。

4 结论

本文分析了顶管施工对周围土体的扰动机理，并以实际工程为背景，建立三维有限元模型对顶管施工引起的地表沉降进行数值模拟，结果表明地表最大沉降量出现在顶管轴线正上方，沉降主要集中在距管道轴线10m的范围内，该计算结果可供合肥地区同类工程参考。