钢管顶进顺序对地表沉降的影响分析

张效铭 夏云朋 卢彦军 匡代恩

(中铁四局集团第五工程有限公司，江西 九江 332000)

钢管顶进顺序对地表沉降的影响分析

张效铭 夏云朋 卢彦军 匡代恩

(中铁四局集团第五工程有限公司，江西 九江 332000)

新管幕结合洞桩法在国内首次应用修建地铁暗挖车站，缺少理论支撑和工程经验。以沈阳地铁某工程为工程背景，建立有限元模型，研究顶管顺序对地表沉降的影响，为后续施工提供工程经验。

钢管顶进顺序，地表沉降，数值模拟，FLAC3D

0 引言

随着城市拥堵现象的加剧，修建地铁是疏通城市交通的主要方法。但城市建筑物密集，地下管道、管线错综复杂。然而开挖地下空间不可避免会引起土体位移，严重的甚至会引起地表塌陷，造成工程事故。所以在一些地质复杂风险源较多的地段，需要采用更加安全的施工方法。

STS工法(Steel Tube Slab)是一种用于修建地铁暗挖车站的新型支护体系。该工法采用顶管施工方法，将单管顶入土体后连接形成管幕，管幕形成支护结构，在管幕的支护下开挖土体，形成主体结构[1]。

本文以沈阳地铁某工程为工程背景，并且在国内首次应用新管幕结合洞桩法施工，缺少理论支撑和工程经验，加之顶管施工是此工法的关键一步。本文建立有限元模型，研究顶管顺序对地表沉降的影响，为后续施工提供工程经验。

1 有限元数值模型

本节建立的模型中，结合奥体中心站现场实际情况，初步将顶管的覆土厚度设为2.5 m。顶管设为壳体单元，管径设定为900 mm，长度为12 m，厚度为22 mm。模型土体选取摩尔库仑本构模型，土体和钢管计算参数见表1，表2。

表1 土体计算参数

表2 管体计算参数

2 钢管顶进顺序分析

管幕的施工中，顶管的顶进可以有不同的顺序，可以从一侧顶进，也可以从中间向两侧顶进，同时也可以跳顶。本节顶管的顶进顺序模拟，结合实际情况，选择了两种不同的方式，一是从左往右顶，另一种是从中间往两侧顶。工况一为顶管从一侧顶，工况二为顶管从中间往两侧顶进。钢管顶进顺序土体尺寸采用10 m×8 m×12 m，钢管间净距10 cm，其余土体参数和钢管参数均和核心土模型保持一致。

2.1工况一：从一侧顶

由图1可知，六根顶管已经全部顶入土体之中，此时在第二根到第五根顶管上方沉降较为明显。顶管下部有隆起现象，说明顶管下部土体在顶管的顶进过程中出现了土体卸载回弹，导致了土体在一定程度上的隆起，但是从总体上来看，地表发生了沉降，见图1。

顶管从一侧结束后，顶管下部土体在顶管顶进的作用下卸载，土体回弹，发生隆起，隆起值在0.5 mm～1 mm之间。且距离顶管顶进位置越远，土体回弹值越小，这同时也说明了顶管的顶进过程中对土体的扰动有一定的范围。对于地表变形而言，从图2可以看出，地表最大隆起值在2.2 mm左右，不同断面随着顶距的不断增大，最终都趋于统一的沉降值，见图2。

由图3可知，在距始发位置2d断面的整体沉降中，随着顶进根数的增大，扰动区范围不断沿着顶进的方向向前有序缓慢推进。顶进第一根顶管时，沉降槽的最低端位置在X轴原点位置，沉降最大值约为0.4 mm；顶进第二根时沉降槽向顶进方向偏移，最低端在X=-1 m～0 m之间，最大沉降值约为0.7 mm；顶进第三根顶管时，最大沉降为1.3 mm，沉降槽最低端出现在X=-1 m左右，此时沉降的差值比第二根顶管顶进时差别要大50%；当第四根顶管顶进时，沉降槽的最低端出现在X=-2 m～-1 m处，此时沉降值在1.5 mm，沉降差值较小；当第五根顶管顶进结束后，沉降值达到1.8 mm；当顶管全部顶进结束后，沉降槽位置出现在X=-2.25 m处，此时最大沉降为2.2 mm。从以上分析中可以看出，在顶进第四根顶管之后，每顶进一次的沉降差值较为稳定，均在0.3 mm左右，说明在顶管顶进到第三根之后，一侧的土体已经被扰动，再顶进后续管节后，因土体扰动引起的地表沉降已经较为稳定。沉降槽位置的变化见表3。

2.2工况二：从中间往两侧顶

表3 沉降槽位置变化表

顶进管节地表沉降值/mm沉降槽位置/m10．4X=020．7X=-0．831．3X=-141．5X=-1．851．8X=-2．162．2X=-2．45

从中间往两侧顶入顶管可以减少工期，该工况有利于导向管精度的控制，也有利于锁扣之间的连接。从工况二整体顶进结束后的位移云图来看，地表沉降同样是在第二根和第五根之间出现最大值，顶管下部土体出现了一定程度上的回弹。单从整体的沉降来看，并不能够区分出工况一和工况二之间哪种工况更适合顶管的顶进，见图4。

工况二情况下，顶管从一侧顶进，土体整体Z轴唯一云图与工况一相比，明显不同，从一侧顶进对于土体的扰动范围更大，Z轴产生的沉降值亦相对较大。但是从管幕施工结束后，2d,6d,10d断面的沉降图基本和工况一类似，最大沉降在2.2 mm左右，见图5。

工况二情况下，顶管的顶进从中间顶管分别往两侧顶管进行顶进。2d断面和6d断面均能够反映出沉降槽的变化特点，对比2d断面和6d断面的沉降槽曲线，可以发现6d断面的沉降槽曲线变化更为明显，因此在接下来的分析中以6d断面为例。第一根顶进后，地面出现了微小的沉降，大约在0.3 mm，沉降槽位于X=-2 m；第二根顶管顶进时，沉降槽往第二根顶进的方向移动，但是沉降槽的最低端并没有在第二根顶管的正下方，而是在第一根顶管和第二根顶管轴线的中间位置；同样，后续顶管顶进都出现了这种趋势，见图6。

在6根顶管顶进后，两种施工工况所产生的地表最终沉降均为2 mm～3 mm。从图6来看，沉降槽形状类似，沉降最大的位置位于管幕的中心地带。单纯对地表产生的影响来看，两种工况差别不大。沉降值基本维持在2 mm～2.2 mm，从沉降槽曲线来看，从一侧顶进和从两侧往中间顶进来看各种工况相类似，未出现明显异同。但是，地铁建设是一个耗时长、投资大的过程，管幕施工所耗的时间越少越好。因此，在考虑到工期和成本的情况下，优先选用从中间往两侧顶进的施工方法。

3 结语

本文依托沈阳地铁某工程，利用数值模拟软件对顶管顺序进行模拟分析，得到以下结论：

1)通过对两种工况的模拟对比分析发现，工况一和工况二顶进后的地表总体沉降基本一致，在2.3 mm左右，且从工期、成本等角度考虑，工况二方案较优。

2)从工况一和工况二沉降曲线看出，不同顶进顺序的最大沉降基本在管幕结构的中心处，顶进顺序对沉降最大值影响不大，可以忽略不计。

[1] 赵 文.地铁车站STS新管幕构件抗弯承载力试验研究[J].工程力学，2016，33(8):167.

[2] 关永平.地铁暗挖车站STS管幕支护结构的力学性能研究[D].沈阳：东北大学，2015.

[3] 刘春玲,祁生文.FLAC3D分析某边坡地震稳定性[J].岩石力学与工程学报,2004,23(16)：123-124.

[4] 皇甫明,孔 恒.核心土留设对隧道工作面稳定性的影响[J].岩石力学与工程学报,2005,24(3)：81-83.

[5] 乔世范,孙 晓,刘宝琛.圆拱形断面隧道开挖对周围岩土环境安全评价[J].土木建筑与环境工程，2009,31(5)：12-14.

[6] 方从启，孙 钧.浅层顶管施工引起的土体移动[J].岩土力学,2000,21(3)：130-131.

Analysisofeffectjackingsequenceofsteelpipeongroundsettlement

ZhangXiaomingXiaYunpengLuYanjunKuangDaien

(TheFiveEngineeringCo.,Ltd.ofCTCEGroup,Jiujiang332000,China)

Combining steel tube slab with pile beam arch is applied to construct the buried excavation subway station, and lack of theoretical support and engineering experience. Based on the subway station in Shenyang, the model is established to study the effect jacking sequence of steel pipe on ground settlement, which provides the engineering experience for subsequent engineering projects.

jacking sequence of steel pipe, ground settlement, numerical simulation, FLAC3D

1009-6825(2017)28-0191-02

2017-07-23

张效铭(1989- )，男，助理工程师

TU921

A