蘇 妮,曹廣勇

(安徽建筑大學(xué)a.土木工程學(xué)院,b.建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的逐漸提高與深入，地下城市建設(shè)規(guī)模的也不斷擴(kuò)大。對(duì)于雙排平行頂管的施工應(yīng)用也是相當(dāng)廣泛。而平行頂管施工互相之間有干擾作用對(duì)其附近的土體會(huì)產(chǎn)生更大的擾動(dòng)，導(dǎo)致管道周圍土體的沉降變形超過(guò)一定限度。最終危害到地下建筑的安全。李博[1]運(yùn)用室內(nèi)頂管模型試驗(yàn)研究了平行頂管在不同注漿條件下的土體變形及對(duì)管道產(chǎn)生的影響。魏綱[2]研究了雙排平行頂管管道施工過(guò)程中管徑、管道間距、埋深等因素對(duì)附加荷載分布的影響。魏新江[3]研究了雙排平行頂管施工之間的相互作用得到了橫向擾動(dòng)區(qū)范圍的計(jì)算公式。余劍鋒[4]采用數(shù)值模擬方法研究分析了4條平行頂管引起的地表沉降變形規(guī)律等。目前，對(duì)于平行頂管施工的相互作用引起的地表沉降分析及預(yù)測(cè)方法可以大致分為5類，包括經(jīng)驗(yàn)法、解析法、理論法、試驗(yàn)?zāi)Ｐ头ê蛿?shù)值分析法。在此將利用試驗(yàn)?zāi)Ｐ头ㄅc數(shù)值分析法共同研究雙排平行頂管錯(cuò)位施工的干擾作用下橫向間距對(duì)地表沉降變形的影響。

1 工程背景

背景工程是位于徐州駱馬湖的某項(xiàng)目，項(xiàng)目穿越徐洪河段全長(zhǎng)592m，管道埋4m～17m，頂管外徑D1=2.02m，管道位于含砂姜黏土層，設(shè)計(jì)采用雙排D2020鋼管。施工土層為含砂姜黏土層,具有比之黏土層的黏性更大,強(qiáng)度更高,摩阻系數(shù)更大的特點(diǎn)，使用雙排土壓平衡頂管錯(cuò)位施工。該區(qū)域地層自上而下劃分為五層，厚度分別為1.06m、4.64m、1.7m、4m以及為揭穿含砂姜黏土。

2 室內(nèi)模型試驗(yàn)

2.1 雙排頂管橫向間距

雙排頂管的橫向間距與管頂擾動(dòng)寬度之間的關(guān)系決定了頂管施工的安全性。當(dāng)機(jī)頭擾動(dòng)寬度不大于管道的橫向間距時(shí)是安全的，計(jì)算公式為式(1),(2)：

Be≤L

(1)

(2)

式(1)中：Be為管道頂部土體擾動(dòng)寬度(m)；D0為頂管機(jī)的外徑(m)；φ為土的內(nèi)摩擦角(°)；式(2)中L為平行頂管中心距離(m)。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

(1)實(shí)驗(yàn)裝置

該室內(nèi)試驗(yàn)裝置由箱體、管模、頂進(jìn)與測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置中箱體為鋼框架鋼化玻璃16mm，尺寸1.5m×0.8m×0.7m。頂進(jìn)管的進(jìn)洞口直徑100mm設(shè)置在箱體中部，鋼管管模外徑95mm，壁厚4mm，先行管為預(yù)埋管，后行管為頂進(jìn)管，長(zhǎng)同為0.6m，且有15cm的覆土厚度。頂進(jìn)系統(tǒng)以螺旋鉆桿與切削刀盤結(jié)合來(lái)模擬頂進(jìn)設(shè)備。測(cè)試系統(tǒng)在土體表面縱橫向都設(shè)激光位移傳感器,其橫向?qū)ΨQ布置于箱體監(jiān)測(cè)斷面，縱向沿頂進(jìn)管軸線正上方以相同間隔布置。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(2)試驗(yàn)操作

首先，配置砂姜黏土。其次，配置配比為膨脹土：NaOH：CMC =17.5:0.15:0.025的減阻泥漿。然后，預(yù)埋管水平放置在設(shè)計(jì)好的橫向間距位置處在預(yù)埋管靠近后行管一側(cè)布置土壓力傳感器，將激光位移傳感器在規(guī)定位置安裝好。最后，頂進(jìn)裝置進(jìn)行水平加載，將刀盤的轉(zhuǎn)速控制為4rad/min。3mm/min的加載速率，管道持續(xù)頂進(jìn)至550mm時(shí)停止加載。

(3)試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)橫向間距0.5D頂進(jìn)距離對(duì)地表沉降的數(shù)據(jù)來(lái)分析總結(jié)沉降規(guī)律。以下圖2為橫向間距0.5D時(shí)室內(nèi)模型試驗(yàn)橫向、縱向沉降變形量。

圖2 頂管頂進(jìn)引起橫(縱)向位移變化趨勢(shì)

從圖2可知，在頂管頂進(jìn)5cm時(shí)，頂管軸線正上方發(fā)生地表隆起，最大隆起量為0.01mm。然后地表沉降隨著頂進(jìn)距離的增大逐漸變大，管道軸線處沉降最大，逐漸向兩邊銳減，呈現(xiàn)倒三角型，在頂進(jìn)30cm時(shí)，地表豎向沉降最大值為0.09mm。縱向在頂進(jìn)10cm時(shí)，最大隆起量為0.02mm；隨著管節(jié)頂進(jìn)沉降變大。且隨著頂進(jìn)距離增大，位移變化曲線逐漸趨于平緩，當(dāng)頂進(jìn)30cm時(shí)，沉降值為0.14mm。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

數(shù)值模擬計(jì)算采用的有限元軟件為Midas/GTS對(duì)雙排平行頂管不同橫向間距(0.5D,1D,2D,3D,5D)的土體沉降變形進(jìn)行分析，得出規(guī)律。

3.1 模型參數(shù)

模型土體材料采用莫爾-庫(kù)倫模型，材料屬性為3D單元實(shí)體，通過(guò)2D網(wǎng)格擴(kuò)展復(fù)制進(jìn)行網(wǎng)格劃分；頂管管片與注漿等代層采用彈性模型，材料屬性為3D單元實(shí)體，通過(guò)2D網(wǎng)格擴(kuò)展復(fù)制進(jìn)行網(wǎng)格劃分；頂管盾殼采用彈性模型，材料屬性為2D板單元，通過(guò)注漿層外表面網(wǎng)格析取進(jìn)行網(wǎng)格劃分。主要材料屬性及力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性及力學(xué)參數(shù)

模型錯(cuò)位施工的順序進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，具體網(wǎng)格模型參見圖3。

圖3 土體(平行管片)-網(wǎng)格

3.2 模型結(jié)果

(1)橫向間距為0.5D時(shí)土體的沉降變形

由圖4可得，左線頂管施工結(jié)束后上方地表位移變化值為3.1mm，土體位移變化較明顯。右管上方土體位移變化值大約為2.7mm，土體沉降稍小。管道軸線上地層表面處位移變化最大，然后向兩邊逐漸減小，呈現(xiàn)類似倒三角形型。隨著右線頂管的推進(jìn)，左線上方的土體豎向位移變化在增大，沉降曲線凹陷也在增大。右線頂管施工之后，右線頂管上方土體橫向位移變形加快，且對(duì)靠近左線頂管一側(cè)的土體產(chǎn)生進(jìn)一步干擾，位移變化趨勢(shì)的軸線不斷向右線頂管平移，S32時(shí)軸線基本位于兩管中心。最終，S44施工步時(shí)位移變化趨勢(shì)的軸線基本位于兩管中心位置，但更靠近左管。

圖4 左右管道施工地表橫向位移變化趨勢(shì)

圖5可以看出，左線頂管施工到S5時(shí)Y=0處節(jié)點(diǎn)位移變化值約為1.6mm,左線施工結(jié)束后(S22)位移變化曲線趨于平緩，位移變化值大約為3mm。右線管頂進(jìn)過(guò)程中左線管上方地面縱向位移變化趨勢(shì)，對(duì)比左線管可以得出，隨著右線管的推進(jìn)，左線管上方地面位移變化還在變大，S44之后位移變化曲線慢慢趨于平緩，位移變化值大約為6.5mm。

圖5 左右管地表縱向位移變化趨勢(shì)

(2)不同橫向間距土體的沉降變形

如對(duì)0.5D橫向間距土體的位移分析，依次對(duì)1D,2D,3D,5D的縱橫向位移變化進(jìn)行分析，最終數(shù)據(jù)如圖6。當(dāng)兩管橫向間距較小為0.5D,1D時(shí)，由于他們之間的相互擾動(dòng)作用比較大，從而兩管的中心區(qū)域先后受到兩管的擾動(dòng)，這就使得地表沉降相對(duì)較大，沉降曲線距離軸線中心附近呈現(xiàn)出尖銳的凹陷型，而最大沉降點(diǎn)位于兩管中心并更加靠近左線管道；隨著兩管橫向間距逐漸變大為2D,3D時(shí)，由于他們間的相互擾動(dòng)變小了，這使得沉降曲線距離軸線中心附近呈現(xiàn)出尖銳的凹陷型向著平緩的凹陷型變化了。而當(dāng)兩管為5D橫向間距時(shí)，他們之間的相互作用就變得非常的微小，沉降曲線最終呈現(xiàn)出有兩個(gè)較大沉降點(diǎn)的平緩凹陷型，沉降曲線出現(xiàn)了兩個(gè)最低點(diǎn)。

圖6 不同橫向管間距地表豎向位移變化趨勢(shì)

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)含砂姜黏土地層雙排平行頂管進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)與數(shù)值分析對(duì)比，以及對(duì)不同橫向間距雙管施工相互干擾對(duì)地層沉降變形影響后的沉降曲線分析，得到以下結(jié)論：

(1)通過(guò)0.5D橫向間距的室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算的沉降數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證了沉降規(guī)律的正確性與適用性。橫向間距較小時(shí)，地表沉降曲線呈現(xiàn)接近V型，最大沉降量位于軸線上方較靠近左線管道；隨著橫向間距的增加，沉降曲線呈現(xiàn)類U型，最大沉降量依然位于軸線上方較靠近左線管道，沉降值減少；當(dāng)橫向間距大到一定程度時(shí)，沉降曲線呈現(xiàn)類W型，位于軸線附近的沉降量依然最大沉降曲線出現(xiàn)兩個(gè)最低點(diǎn)，最大沉降量更小了。

(2)對(duì)于雙排頂管施工，在含砂姜黏土地質(zhì)的特點(diǎn)下，由于干擾作用的影響，鄰近管道的軸線將難以按設(shè)計(jì)控制，所以需要總結(jié)此類型橫向間距影響下的沉降規(guī)律，得到土層干擾影響可控的最小間距與重要監(jiān)控點(diǎn)。此分析結(jié)果可以在其他含砂姜黏土地質(zhì)工程中參考借鑒。