張 峰, 羅 利, 陳 奇

(中國五冶集團有限公司, 成都 610063)

由于城區(qū)建、構筑物密集,市政污水干管施工往往會穿越一些城市的復雜敏感區(qū)域,為避免敏感區(qū)域施工給城市正常運行帶來諸多不便,甚至對環(huán)境造成破壞,污水干管工程常常采用頂管等非開挖技術。頂管施工時,在管道軸線兩側一定范圍內(nèi)會發(fā)生地面沉降或隆起,使管道周邊建構筑物、地下基礎設施及河湖等受到施工影響,甚至危及正常使用和安全。為此,眾多工程人員對頂管下穿建、構筑物等敏感區(qū)域進行了相關研究[1-12]。其中,程保民等人[13]、王劍峰等[14]、戢鴻鑫等[15]針對頂管下穿河湖區(qū)域過程中施工變形影響、三維數(shù)值及頂管頂進過程中的關鍵技術展開了研究,而針對下穿河湖頂進過程中土體變形特征的研究較少。為此,本文以成都錦江再生水工程實例,運用三維數(shù)值模擬分析泥水平衡機械頂管下穿河流時的施工變形特征,為機械安全頂進提供科學依據(jù)。

1 依托載體概況

成都錦江再生水工程,從第九再生水廠對再生水進行加壓并輸配至錦江區(qū)紅廟子排洪渠、何家沖排洪渠、秀水河、南支三渠進行生態(tài)補水。輸水管線主要沿環(huán)城生態(tài)區(qū)內(nèi)外生態(tài)綠化空間、何家沖排洪渠沿線綠帶、銀杏大道西北側綠帶、市政公園綠帶、紅豆樹街、三環(huán)路綠帶、驛都大道西南側綠帶敷設,串聯(lián)起何家沖排洪渠、紅廟子排洪渠、南支三渠、秀水河等4個主要生態(tài)補水點,此外輸水管線沿途典型節(jié)點位置預留再生水出水點。

選取管道穿越陡溝河段(圖1)進行研究,影響管線的樁號范圍為ZS0+920～ZS0+940,穿越方式為河床下方穿過。陡溝河寬度約為20 m,河溝深約為2.3 m,穿越段地質(zhì)主要為黏土層,管道距離河底凈距約為4.7 m。

圖1 輸水管道線路下穿陡溝河平面

2 模型建立

2.1 基本假設

三維數(shù)值模擬分析建立在以下基本假定:假定土層為各向同性的連續(xù)的均一彈塑性材料,并服從Mohr-Coulomb屈服準則;忽略管節(jié)間接頭、工具管和后續(xù)管節(jié)剛度差異的影響,假定管節(jié)為表面平整的各向同性線彈性體;不考慮頂管施工引起的土體次固結沉降蠕動變形,假定工作面壓力為定值的圓形均布荷載;頂管為直線頂進,不考慮偏轉問題;假定管土摩擦力和地層損失沿軸線方向均勻分布。

2.2 計算模型及參數(shù)

研究采用Hypermesh建立三維網(wǎng)格模型,采用FLAC 3D軟件掘進模擬,河道段頂管埋深為4.7 m。模型除了上表面其余各面均施加法向位移約束。為減小邊界效應的影響,三維網(wǎng)格模型的上下、左右邊界均取頂管隧道開挖寬度的5倍,整個模型尺寸為36 m×30 m×27 m,如圖2所示。

圖2 三維網(wǎng)格計算模型

計算模型中管道和注漿層單元類型采用實體單元,頂管機單元類型采用Shell單元。管道及注漿層結構均采用彈性本構,土體采用摩爾庫倫本構,并假定土體與注漿層、注漿層與管道之間均緊密接觸。

土層類型自上而下依次為雜填土、黏土、強風化泥巖,根據(jù)現(xiàn)場地勘報告,相關材料的物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 材料的物理力學參數(shù)

2.3 模擬工況

為探明施工參數(shù)對周圍環(huán)境的影響,從泥水倉壓力和注漿壓力兩個角度出發(fā),研究不同泥水倉壓力和不同注漿壓力下頂管施工對土體變形的影響,共計10種工況,如表2所示。

表2 不同施工工況參數(shù)

2.4 模型監(jiān)測點布置

為清晰探明頂進對土體變形的影響,模型共設置4處監(jiān)測點,具體設置方式與部位如表3及圖3所示。

表3 監(jiān)測點設置詳情

圖3 監(jiān)測部位示意圖

3 泥水倉壓力對土體變形影響分析

3.1 頂管上方土體變形

圖4揭示了不同泥水倉壓力比情況下的土體豎向位移云圖。由圖4可知,各個工況下土體變形大致相同,即管道上方土體發(fā)生沉降,下方土體向上發(fā)生位移,下方土體位移明顯大于上方位移;土體沉降呈周期性變化,沉降量最大值發(fā)生在管道間的接口處,這是因為頂管施工時具有周期性,以一節(jié)管道施工時間為周期,在更換管道時土體有較多的時間產(chǎn)生位移;隨著監(jiān)測點上移,土體沉降量明顯減小,地表沉降量明顯小于管道頂部土體變形量。

圖4 不同泥水倉壓力下頂管上方土體變形對比

3.2 監(jiān)測點1地表沉降

圖5揭示了不同泥水倉壓力比情況下河道底部地表位移變化趨勢。由圖5可知,河道處地表變形量以管道中線對稱分布,管道上方地表沉降量最大。隨著監(jiān)測點向管道中線移動,地表沉降變化速率明顯增大,在中線附近變化速率顯著減小。隨著泥水倉壓力增大,河道處地表沉降量顯著減小。泥水倉壓力比為0.5P0時,管道中線上方地表沉降量為17.4 mm,當泥水倉壓力比增大到1.0P0和1.5P0時,沉降量分別減小28.9%、64.7%。

圖5 監(jiān)測點1地表沉降變形曲線

從河道地表沉降變化結果看出,隨著泥水倉壓力增大,地表沉降量顯著減小。在一定泥水倉壓力范圍內(nèi)(不發(fā)生土體主動破壞和被動破壞),增大泥水倉壓力可顯著降低地表沉降。

3.3 監(jiān)測點2地表沉降

圖6揭示了不同泥水倉壓力比情況下頂進率先通過的河岸地表位移變化趨勢。由圖6可知,河岸處地表變形量以管道中線呈對稱分布,管道上方地表沉降量最大。隨著監(jiān)測點向管道中線移動,地表沉降變化速率明顯增大,且在中線附近變化速率顯著減小;隨著泥水倉壓力增大,河岸處地表沉降量顯著減小,泥水倉壓力比為0.5P0時,管道中線上方地表沉降量為9.9 mm,當泥水倉壓力比增大到1.0P0和1.5P0時,沉降量分別減小49.9%、91.1%,河岸地表沉降量變化幅度明顯大于河道底沉降量變化幅度。

圖6 監(jiān)測點2地表沉降變形曲線

從河岸地表沉降變化結果可知,隨著泥水倉壓力增大,地表沉降量顯著減小。在一定泥水倉壓力范圍內(nèi)(不發(fā)生土體主動破壞和被動破壞),增大泥水倉泥壓力可顯著降低河岸地表沉降。

3.4 監(jiān)測點3地表沉降

圖7揭示了不同泥水倉壓力比情況下頂進后的河岸地表位移變化趨勢。由圖7可知,河岸處地表變形量以管道中線呈對稱分布,管道上方地表沉降量最大。隨著監(jiān)測點向管道中線移動,地表沉降變化速率明顯增大,且在中線附近變化速率顯著減小;隨著泥水倉壓力增大,河岸處地表沉降量顯著減小,泥水倉壓力比為0.5P0時,管道中線上方地表沉降量為12.6 mm,當泥水倉壓力比增大到1.0P0和1.5P0時,沉降量分別減小31.4%、73.1%,沉降量變化幅度大致與河道底沉降量變化幅度相同。

圖7 監(jiān)測點3地表沉降變形曲線

從河岸地表沉降變化結果可知,隨著泥水倉壓力增大,地表沉降量顯著減小;在一定泥水倉壓力范圍內(nèi)(不發(fā)生土體主動破壞和被動破壞),增大泥水倉壓力可顯著降低河岸地表沉降。

3.5 監(jiān)測點4土體變形

圖8揭示了不同泥水倉壓力比情況下管道中線上方土體豎向位移變化趨勢。由圖8可知,土體豎向變形量與監(jiān)測點距管道頂端的距離呈拋物線形減小,并且變化速率逐漸減小,在距管道頂端4 m左右時,土體變形達到穩(wěn)定狀態(tài);隨著泥水倉壓力增大,管道中線上方土體變形明顯減小,減小幅度與距管道頂端的距離無關。

圖8 監(jiān)測點4土體沉降曲線

從管道中線上方土體豎向位移變化結果可知,隨著泥水倉壓力及距管道頂端的距離增大,管道中線上方土體變形明顯減小;在一定泥水倉壓力范圍內(nèi),增大泥水倉壓力可有效抑制管道中線上方土體變形。

4 注漿壓力對土體變形影響分析

4.1 頂管上方土體變形

圖9揭示了不同注漿壓力比情況下的土體豎向位移云圖。由圖9可知,與不同泥水倉壓力類似,各個工況下土體變形大致相同,即管道上方土體發(fā)生沉降,下方土體向上發(fā)生位移,且下方土體位移明顯大于上方位移;土體沉降呈周期性變化,沉降量最大值發(fā)生在管道間的接口處,這是因為頂管施工時具有周期性,以一節(jié)管道施工時間為周期,在更換管道時,土體有較多的時間產(chǎn)生位移;隨著監(jiān)測點上移,土體沉降量明顯減小,地表沉降量明顯小于管道頂部土體變形量。

圖9 不同注漿壓力下頂管上方土體變形對比

4.2 監(jiān)測點1地表沉降

圖10揭示了不同注漿壓力比情況下河道底部地表位移變化規(guī)律。由圖10可知,與不同泥水倉壓力比工況類似,河道處地表變形量以管道中線呈對稱分布,并且管道上方地表沉降量最大;隨著監(jiān)測點向管道中線移動,地表沉降變化速率明顯增大,且在中線附近變化速率顯著減小。隨著注漿壓力增大,與泥水倉壓力工況不同,河道處地表沉降量變化幅度較小,注漿壓力比為0.5時,管道中線上方地表沉降量為12.5 mm,當注漿壓力比增大到1.0和1.5時,沉降量分別減小1.0%、5.1%。

圖10 監(jiān)測點1地表沉降變形曲線

從河道地表沉降變化結果可知,隨著注漿壓力的增大,河道處地表沉降量幅度減小;在保證注漿層充盈且減阻效果良好的情況下,通過改變注漿壓力以達到控制河道地表沉降的效果不明顯。

4.3 監(jiān)測點2地表沉降

圖11揭示了不同注漿壓力比情況下頂進率先通過的河岸地表位移變化趨勢。由圖11可知,與不同泥水倉壓力比工況類似,河岸處地表變形量以管道中線呈對稱分布,并且管道上方地表沉降量最大。隨著監(jiān)測點向管道中線移動,地表沉降變化速率明顯增大,且在中線附近變化速率顯著減小;隨著注漿壓力增大,與泥水倉壓力工況不同,河岸處地表沉降量變化幅度較小,注漿壓力比為0.5Q0時,地表沉降量為5.0 mm,當注漿壓力比增大到1.0Q0和1.5Q0時,沉降量分別減小0.6%、8.0%,沉降量變化幅度大致與河道地表沉降量變化幅度相同。

圖11 監(jiān)測點2地表沉降變形曲線

從河岸地表沉降變化結果可知,隨著注漿壓力增大,河道處地表沉降量幅度減小;在保證注漿層充盈且減阻效果良好的情況下,通過改變注漿壓力以達到控制河岸地表沉降的效果不明顯。

4.4 監(jiān)測點3地表沉降

圖12揭示了不同注漿壓力比情況下頂進后的河岸地表位移變化趨勢。從圖12可知,與不同泥水倉壓力比工況類似,河岸處地表變形量以管道中線呈對稱分布,并且管道上方地表沉降量最大;隨著監(jiān)測點向管道中線移動,地表沉降變化速率明顯增大,且在中線附近變化速率顯著減小;隨著注漿壓力增大,與泥水倉壓力工況不同,河岸處地表沉降量變化幅度較小,注漿壓力比為0.5Q0時,地表沉降量為8.8 mm,當注漿壓力比增大到1.0Q0和1.5Q0時,沉降量分別減小2.2%、9.1%,沉降量變化幅度大致與河道地表沉降量變化幅度相同。

圖12 監(jiān)測點3地表沉降變形曲線

從河岸地表沉降變化結果可知,隨著注漿壓力增大,河岸處地表沉降量幅度減小;在保證注漿層充盈且減阻效果良好的情況下,通過改變注漿壓力以達到控制河岸地表沉降的效果不明顯。

4.5 監(jiān)測點4土體變形

圖13揭示了不同注漿壓力比情況下管道中線上方土體豎向位移變化趨勢。從圖13可知,與不同泥水倉壓力比工況類似,土體豎向變形量與監(jiān)測點距管道頂端的距離呈拋物線形減小,變化速率也逐漸減小,在距管道頂端4 m左右時,土體變形達到穩(wěn)定狀態(tài);隨著注漿壓力的增大,與泥水倉壓力比工況不同,管道中線上方土體變形量較小,幾乎無變化。

圖13 監(jiān)測點4土體沉降曲線

從管道中線上方土體豎向位移變化結果可知,隨著管道頂端的距離增大,管道中線上方土體變形明顯減小。隨著注漿壓力的增大,管道中線上方土體變形量幾乎無變化;在保證注漿層充盈且減阻效果良好的情況下,通過改變注漿壓力以達到控制土體變形的效果不明顯。

5 結論

依托成都錦江再生水項目頂管施工,采用了三維數(shù)值模擬與計算,深入分析頂管下穿河流時泥水倉壓力和注漿壓力對地表沉降的影響,數(shù)值計算結果與現(xiàn)場實際相吻合,具體結論如下。

(1)頂管施工時,土體沉降沿頂進方向呈周期性變化,土體沉降量最大值發(fā)生在管道間接口處。

(2)不同泥水倉壓力工況和注漿壓力工況下,河道及兩側河岸地表沉降量以管道中線呈對稱分布,管道上方地表沉降量最大,隨著監(jiān)測點向管道中線移動,地表沉降變化速率明顯增大,且在中線附近變化速率顯著減小。

(3)不同泥水倉壓力工況和注漿壓力工況下,各監(jiān)測點地表沉降量大小關系為河道>后通過河岸>先通過河岸;管道中線上方土體豎向變形量,隨監(jiān)測點距管道頂端的距離,呈拋物線形減小,距管道頂端4 m左右時,土體變形達到穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)隨著泥水倉壓力增大,各監(jiān)測點土層變形量顯著減小。隨著注漿壓力增大,各監(jiān)測點土層變形量變化幅度較小,建議在保證注漿層充盈且減阻效果良好的情況下,優(yōu)先采用控制泥水倉壓力、加固土層等措施降低頂管上方土體變形。