矩形顶管施工诱发地表 沉降数值模拟分析

王非

矩形顶管技术作为一种地下隧道开挖方法，其施工过程不可避免地会对周围土体产生扰动，引发土体产生变形。本文依托合肥市黄河路横穿包河大道矩形顶管工程，建立位移控制的矩形顶管顶进的三维动态模型，研究了顶管工程穿越黏土地层时地表沉降变化规律，研究成果可为相关工程提供借鉴。

随着国内城市快速发展，地下结构的建设要求不断提升。相较于传统明挖法，顶管法作为机械化水平较高的非开挖施工技术，形成的地层扰动及环境影响较小，给城市建设带来了很大的便捷性。与圆形顶管截面比较，矩形结构有效使用面积通常增加20%左右，并且有更好的浅覆土适应能力，有效降低了顶管机下穿各类构筑物的坡度和深度。但随着施工难度的不断提升，矩形顶管施工期间也存在地表沉降过大，甚至引起塌陷等问题。因此，评估矩形顶管施工引起的地表沉降意义重大。

国内外学者针对矩形顶管施工引起的地表沉降开展了相关研究。吴列成依托上海轨道交通14 号线静安寺站矩形顶管工程，系统总结了矩形顶管隧道施工沉降控制技术，包括顶管机推进参数、管片的止退装置、注浆减租材料和压注工艺。李启旭设计了室内模型试验，研究了矩形顶管顶进过程中对周围土体扰动变形规律。吴波以宁波地铁某车站矩形顶管工程为依托，系统研究了矩形顶管顶进过程中切口前方地面所产生的变形。以截面矩形顶管综合管廊工程为背景，构建了矩形顶管顶进引起地表沉降的数学力学模型，结合Mindlin 解和随机介质理论，提出了顶管施工引起的地表竖向位移的计算公式。

综上所述，当前针对矩形顶管引起地表沉降的分析主要采用理论分析及现场实测分析。而采用数值分析手段模拟矩形顶管施工主要采用力控制，并未体现矩形顶管顶进期间的管土相互作用；其次，矩形顶管顶进期间，顶力大小是不断变化的，采用力控制模拟是不合理的。

基于此，本文以合肥市黄河路横穿包河大道矩形顶管工程为依托，采用ABAQUS 有限元软件，建立位移控制的矩形顶管顶进的三维动态模型，研究矩形顶管施工引起的地表沉降变化规律。研究成果可为后续类似矩形顶管工程提供参考及依据。

一、工程概况

1.工程简介

S1 线黄河路站主体标准段为地下两层岛式站，地下三层岛式车站，车站共有5 个风亭组，9 个出入口。该工程位于合肥市黄河路，通道横穿包河大道，6 号口主通道采用矩形顶管工艺施工，全长53.8 m，共36 节，单片管节长度为1.5 m，管节尺寸为6.9 m×4.9 m（外部净宽×净高），壁厚为0.45 m，管节混凝土强度等级为C50，顶管最小覆土为5.3 m。工程平面如图1 所示。

图1 顶管通道平面图

2.工程地质

顶管工程施工区域主要土层为杂填土，素填土，黏土，泥质砂岩，顶管机主要穿越黏土地层，主要土体参数如表1 所示。

表1 土层物理力学参数表

二、数值模型

1.模型建立

本模型一共分为4 个部件，分别为土体、管线、矩形顶管管片、顶管机头，均为弹性体，均采用实体单元。模型网格划分后得到81132 个单元，12598 个节点，模型如图2 所示。土体选用摩尔-库伦本构模型，土体模型宽度为60m，高度为40m，顶管顶进长度为54 m。地层简化为3 层，分别为杂填土层、黏土层和泥质砂岩层。

图2 数值模型图

2.模拟过程

将顶管顶进过程划分为多个步骤进行模拟，来实现顶管的动态顶进过程。全过程一共有72 个分析步，包含地应力平衡阶段36 个顶管施工阶段，顶管向前顶进过程中，土体开挖与管节顶进两个分析步作为一个施工阶段。土体开挖是瞬间完成的，顶管顶进是动态过程，通过对顶管模型施加位移来实现。具体模拟过程如下：

（1）地应力平衡阶段，取消激活顶管管片与顶管机头，激活全部的土体单元与管线，对土体施加重力及边界条件，完成地应力平衡。

（2）顶管机进入土体：取消激活顶管机进入土体时对应部分的土体，激活顶管机头，并施加掌子面压力，设置顶管机与土体之间的接触摩擦参数，法向摩擦系数设定为0.1。

（3）开挖阶段：取消激活顶管机前方1.5 米的土体，同时在掌子面施加压强来模拟注浆压力。

（4）顶进阶段：激活进入土体的对应管节，设置顶管与管节的位移，激活顶管机，顶管管片与土体的接触面，来模拟动态顶进过程。

（5）重复（3）（4）阶段，直至贯通。

三、结果分析

1.纵向位移

矩形顶管顶进施工引起地层纵向位移，见图3。由图可知，顶管前方的土体整体表现为先隆起后沉降的变化趋势，该现象主要是由于顶管机在靠近指定断面位置时，刀盘对前方土体挤压作用显著，加之“背土效应”的影响，最终造成开挖地层隆起，最大值接近10mm；待顶管机通过指定断面后，开挖形成的地层损失加上管节对周边地层的摩擦作用，地表开始出现沉降趋势，且随着顶管机顶进距离的增加，沉降量逐渐增大。在距离始发井10-30m 范围内，地表沉降整体趋于平稳，地层扰动较低。

图3 纵向位移

2.横向位移

选取距始发井30m 处展开横断面地表沉降分析，见图4。由图可知，当顶管机尚未到达30m 处时，地表隆起显著，呈现出凸起外形，且中间位置隆起值最大，为4.1mm。待顶管机通过30m 位置时，地层损失引起的地表沉降快速增加，最大值为14mm，土体位移变化量超过15mm。结合地表变形结果，建议在施工过程中需要格外注意控制顶管顶力，避免土体因过度挤压而出现隆起甚至“开裂”。待顶管机完成穿越的瞬间，需要及时补偿注浆，以降低地层损失所形成的较大沉降。

图4 横向位移

四、结语

本文依托合肥市黄河路横穿包河大道矩形顶管工程，研究了矩形顶管施工的地表沉降规律，主要结论如下：

（1）顶管机施工的顶进方向的地表沉降值最大为10mm左右，在距离始发井10-30m之间的地层扰动较小。

（2）通过分析距始发井30m 处的横断面地表沉降值可知，顶管机通过此位置时，地表沉降值最大为14mm，土体位移变化量超过15mm，相关人员施工时要及时采取相关措施减少地层扰动，控制地表沉降在合理的控制范围内。