方形群管施工關鍵頂推步序對地層變形影響的研究

楊 融 ,俞蔡城 ,王 康 ,王亞崢 ,王嘉琛

(1.南京市公共工程建設中心,南京 210019;2.蘇交科集團股份有限公司,南京 210019;3.北京交通大學隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京 100044)

隨著城市建設的快速推進,城市地面空間變得越來越擁擠,以往常用的明挖法逐漸難以滿足城市地下工程的施工需求,且會危及周邊既有建構筑物的安全[1-3]。頂管法以其施工速度快、無須明挖、對周邊環境影響小等優點,逐漸被廣泛應用于城市地下工程的建設[4-5]中。

管幕結構法是在頂管法的基礎上衍生出來的城市地下工程施工方法,在國內也被稱作新管幕法[6-7]或管幕預筑法[8-9]。施作管幕結構法時,需在工作井內將鋼管頂進管幕圈相應位置,切割管壁并挖除管間土體,在管幕圈內綁扎鋼筋澆筑混凝土以形成隧道結構,最后再開挖結構內部土體。頂管頂進施工的過程勢必對土體產生擾動,繼而引起地層及周圍既有建構筑物的變形,若控制不當,可能造成地下及地上建筑結構的破壞。管幕結構法的施工過程中存在群管對地層的多次擾動,因此,地層變形是設計以及施工中的重點研究內容。目前已有學者從理論[10-12]、數值[13-14]以及實測[15-16]等方面對頂管施工引起的地層變形進行探討,并取得了豐碩的成果,但針對方形群管頂進施工引起地層變形的研究相對較少。

施作管幕結構法時,方形群管頂進會對地層產生多次擾動,引起地表沉降變化。本文采用FLAC 3D 數值模擬軟件,針對南京市建寧西路過江通道江南連接線管幕結構法下穿工程方形群管頂推施工順序進行研究,分析了順序施工、跳作施工、從上到下、從下到上幾種施工順序對地層變形的影響,研究結果可為相關工程實施提供參考。

1 工程概況

南京市建寧西路過江通道江南連接線下穿儀鳳門工程主線隧道寬21.48 m,高17.38 m,長約37 m,覆土厚度約為5.6 m,斷面采用“田”字形,開挖面積約為373.32 m2。隧道采用管幕結構法施工,結構主體下穿框架結構城樓,空間位置上側穿既有明代古城墻,工程變形控制標準高、施工風險大。

1.1 管幕結構法隧道設計

管幕結構法施工示意如圖1 所示。隧道結構主體采用管幕結構法暗挖下穿施工,共采用50 根尺寸為1.2～2.3 m 的矩形頂管,施工步驟包括鋼管頂進、鋼管切割、管間連接、鋼筋綁扎、結構澆筑、土方開挖等,管間可設置T 形和C 形鎖扣連接以進行管間止水。

1.2 地層特征

根據現場勘測資料可知,工程現場的地層從上到下分別為:填土層(層厚1.4～3.6 m)、粉質黏土(層厚13～18 m)、粉質黏土混碎石(層厚0～3.7 m)、全風化凝灰巖(層厚4.2～9.7 m);下部為強風化凝灰巖。隧道穿越的地層主要為粉質黏土、粉質黏土混碎石和強風化泥巖層。主要地層物理力學參數如表1 所示。

表1 主要地層物理力學參數

2 地層沉降影響分析

方形頂管施工引起的地層沉降影響因素眾多,其中主要包括頂管機的正面附加推力、管節與土體之間的摩阻力、地層損失等[17-18]。采用頂管機頂進施工時,機頭支護壓力與土壓力往往不能完全保持平衡,過大或過小的支護壓力都會對地層產生擾動,繼而引起地層變形。頂管機和后續管節在向前頂進的過程中會與土體產生摩擦力,使頂管周圍的土體隨頂管向頂進方向移動,導致地層變形。摩擦力過大時,頂管周圍的土體會受到劇烈擾動,對變形控制不利,因此頂管施工中往往采取注漿減阻措施,以減小周圍地層因受頂管施工擾動引起的變形。引起土體損失的原因是在頂管施工過程中,頂管機與后續管節的尺寸并不完全相同,因此在管節環向存在一定的空隙,即使采用補償注漿的措施也難以避免地會產生地層損失,導致地層沉降。

頂管施工引起的地層擾動區域主要可以分為:擠壓擾動區、剪切擾動區、卸荷擾動區、固結區等[19-20],頂管施工擾動分區如圖2 所示。各分區可通過地質條件及施工參數等進行判定。

圖2 頂管施工擾動分區

Peck 公式[21]以其普遍適用性,被廣泛應用于隧道施工引起的地表沉降預測中;其理念為地表沉降由地層損失引起,地表橫向沉降槽呈正態分布,沉降預測公式為

式中,Smax為地表最大沉降值,m;x為距頂管軸線距離,m;S(x)為地表沉降值,m;D為頂管斷面面積,m2;Vi為單位長度地層損失,m2;η為土體損失率,%,與地層及施工因素等相關,黏性土的土體損失率通常為0.5%～2.5%;i為地表沉降槽寬度系數,m,可由公式4 確定[22-23]:

式中,φ為地層內摩擦角;h為頂管軸線埋深,m。

3 方形頂管施工過程數值模擬

采用FLAC 3D 數值模擬軟件模擬分析方形頂管頂進過程。頂管機在施工過程中引起附加荷載的主要因素有:頂管機的正面附加推力、地層擾動、地層損失、注漿等。模型土體采用各向同性彈塑性體,模擬過程中不考慮土體變形的時間效應以及初始自重應力場下的變形速率。實際施工過程中采用焊接的鋼管節,因此數值模擬中采用殼單元對其進行模擬,鋼管作為整體逐步頂進。

3.1 數值模型尺寸

數值計算模型寬為50 m,高為30 m,開挖縱向為36 m。頂管橫豎向距模型邊界均大于5 倍頂管尺寸,以減弱模型邊界對計算結果的影響[24-25]。對于模型邊界,上邊界取z=0 m 處為自由邊界,下邊界z=-30 m 處約束z方向位移;左側邊界x=-27 m處和右側邊界x=23 m 處分別約束x方向位移;前側邊界y=0 m 處和后側邊界y=36 m 處分別約束y方向位移。

3.2 數值模型參數

模型土體采用各向同性彈塑性模型,屈服準則為摩爾-庫倫屈服準則,假設模型各層土體均勻分布。實際施工中采用的矩形頂管管壁厚度為2 cm,相較于頂管尺寸較小,因此在模型計算中將其視作薄壁管。管節長度為3.6 m,各管節之間采用的焊接方法為剛性連接,數值模型中擬采用殼單元對鋼管節進行模擬。頂管斷面尺寸取2 m×2 m,頂管機長度取2 m,上層頂管軸心距地表高度h=6 m,頂管之間的軸線間距L=3 m,正面附加推力取20 kPa,摩擦力取5 kPa,注漿壓力為20 kPa。

3.3 數值模擬頂管頂進施工過程

頂管頂進施工數值模擬主要考慮的影響因素有:維持掌子面穩定的土艙壓力、管節與土體之間的摩阻力、地層損失等。首先,數值模型在自重應力場作用下進行初始應力平衡,隨后將模型整體位移清零,得到開始施工前的地層應力場;開挖第一段管節單元位置處的土體并進行一次計算,得到開挖單元外側節點的不平衡力,將節點不平衡力乘以一個小于1 的系數并反向施加到對應位置來模擬頂進施工過程中的應力釋放;在頂管機前方掌子面處施加均布的荷載來模擬頂管機機頭維持掌子面穩定的附加推力;實際施工中前后管節通過焊接剛性連接,前后管節作為整體可以傳遞彎矩,因此用殼結構單元模擬該單元管節整體逐步頂進,隨后計算平衡;以3.6 m 為一個開挖步,依次循環開挖至頂管施工完成。

3.4 單頂管施工引起地表沉降

選取頂管軸線埋深6 m 處的單頂管頂進施工為例,采用FLAC 3D 數值模擬軟件進行仿真。頂管施工完成后,地表橫向沉降曲線如圖3 所示。為驗證數值計算結果的準確性,同時利用Peck 公式對地表橫向沉降進行計算,依據工程現場施工條件及地層情況,土體損失率(η)取1.0%。

圖3 地表橫向沉降曲線

由圖3 可知,數值模擬與Peck 公式計算得到的橫向地表沉降曲線整體趨勢一致,隨著監測點遠離頂管軸線,地表沉降逐漸減小并趨于穩定。最大沉降值位于頂管軸線上方,分別為-2.47 mm 和-2.67 mm,兩者相差約8.1%。

4 關鍵頂推步序分析

為分析群管施工順序對地表沉降的影響,選取管幕結構法方形群管施工斷面典型頂推施工步序建立模型,頂管排布形式如圖4 所示。

圖4 頂管排布形式

針對頂管施工引起的地層變形進行研究,分析不同頂推施工順序引起的地表變形規律,從變形控制的角度對比不同施工順序的優劣,優化施工方案。

4.1 頂管平行排布

頂管平行排布工況分析如表2 所示。頂管平行排布時,不同工況下的地表橫向沉降曲線如圖5 所示。

表2 頂管平行排布工況分析

圖5 不同工況下的地表橫向沉降曲線(頂管平行排布)

由圖5 可知,對于平行排布的頂管施工,工況一和工況二頂管施工完成后,地表最大沉降值分別為-8.76 mm 和-8.74 mm,跳作施工產生的最大沉降值小于順序施工的最大沉降值,但兩者相差較小;工況一和工況二的橫向地表沉降最大值點分別位于x=-1 m 和x=-2 m 處;工況一和工況二的不同頂管施工順序引起的最終地表沉降影響范圍大體相似。

4.2 頂管疊落排布

頂管疊落排布工況分析如表3 所示。

表3 頂管疊落排布工況分析

頂管疊落排布時,不同工況下的地表橫向沉降曲線如圖6 所示。由圖6 可知,疊落排布的頂管施工中,工況一和工況二頂管施工完成后,地表最大沉降值分別為-7.94 mm 和-7.57 mm,最大沉降值相差0.37 mm。工況一和工況二的橫向地表沉降最大值點均位于頂管軸線上方位置處;對比工況一和工況二的橫向地表沉降曲線可以看出,由上向下順序施工的工況二引起的地表沉降曲線在頂管軸線位置處要明顯小于由下向上順序施工的工況一,但兩者的沉降影響范圍大致相近。

圖6 不同工況下的地表橫向沉降曲線(頂管疊落排布)

4.3 頂管L 形排布

頂管L 形排布工況分析如表4 所示。

表4 頂管L 形排布工況分析

頂管L 形排布時,不同工況下的地表橫向沉降曲線如圖7 所示。

圖7 不同工況下的地表橫向沉降曲線(頂管L 形排布)

由圖7 可知,L 形排布的頂管施工時,工況一、工況二和工況三頂管施工完成后的地表最大沉降值分別為-8.65 mm、-8.63 mm 和-8.24 mm,工況三的最大沉降值比工況一和工況二分別小0.41 mm和0.39 mm;最大沉降值點均位于頂管軸線上方的中間位置處;先上后下的施工順序引起的地表沉降值相對更小,順序施工與跳作施工對最終的地表沉降曲線影響較小。

4.4 頂管T 形排布

頂管T 形排布工況分析如表5 所示。

表5 頂管T 形排布工況分析

頂管T 形排布時,不同工況下的地表橫向沉降曲線如圖8 所示。

圖8 不同工況下的地表橫向沉降曲線(頂管T 形排布)

由圖8 可知,T 形排布頂管施工中,工況一、工況二、工況三和工況四頂管施工完成后的地表最大沉降值分別為-12.69 mm、-12.78 mm、-12.83 mm和-12.37 mm,最大沉降值點均位于x=-1.5 m 位置;先上后下的施工順序引起的地表沉降相對較小;對比工況一、工況二、工況三可以看出,順序施工和跳作施工對地表沉降曲線影響較小。

5 結語

本文以南京市建寧西路過江通道江南連接線下穿儀鳳門工程為背景,采用數值模擬軟件針對管幕結構法隧道關鍵施工點位的方形群管頂推施工順序進行了研究,通過對地表變形規律的分析,對比了不同的頂管施工順序,主要結論與建議如下:

(1) 在不同的頂管施工順序下,頂管施工完成后的地表沉降曲線變形趨勢近似,沉降影響范圍基本相同。

(2) 水平方向上,跳作施工相較于順序施工最終引起的地表沉降值更小,但兩者絕對差值較小。因此,在考慮頂管施工便利性的情況下,更推薦采用順序施工。

(3) 豎直方向上,由上而下的施工順序相較于由下而上的施工順序,頂管施工完成后的地表最終沉降值更小,從沉降控制的角度考慮,更推薦采用由上而下的頂管頂進施工順序。

(4) 根據數值模擬結果可知,方形群管密布區域的地層在頂管施工過程中會反復受到擾動,地表沉降值普遍偏大。施工中應主動調整頂管頂進速率,采取觸變泥漿減阻、姿態糾偏等控制措施,以保證地層變形在安全控制范圍內。重點區域可以采用注漿進行地層加固,同時提高施工過程中的監測頻率。