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《廣州建筑雜志》2014年第二期

1數值模擬

1.1基本假定文獻表明，在管徑不大時，地下管線的運動軌跡與周圍土體的運動軌跡十分接近。當然，對于處在滑坡中的地下管線，由于土體位移較大，且地下管線的剛度相對土體大得多，有可能產生土體與管線分離現象。然而，在頂管工程中不允許產生像滑坡中土體那么大的位移，而且施工引起的土體變形有其控制標準，土體位移相對較小，因此可以認為假定管線與周圍土體始終緊密接觸不會對研究結果造成太大的影響。基于以上分析，對于地下管線的假定如下：（1）地下管線為均質，沿長度方向等直徑、等壁厚，且不考慮管線接頭的影響。（2）管線與周圍土體始終緊密接觸，即在變形過程中，管與土不發生相對滑動或發生脫離。

1.2計算模型計算模型頂管機盾殼長4.5m，管道斷面尺寸6m×4.3m，混凝土管壁厚度0.5m，每節長度1.5m，通道長43.5m，地下管線與頂管隧道中心距5.7m。根據有限差分試算結果，實際計算模型尺寸為25m×60m×32m，模型網格如圖2所示:

3.3計算參數的選取計算時，采用的計算參數和原則如下：（1）根據工程地質勘察報告，模擬計算采用的土層參數見表1。（2）該矩形頂管機為曲軸雙矩型刀面，為方便計算，取頂管機刀盤切削形成的管道外壁空隙等厚；不考慮注漿層漿液硬化的影響，注漿層彈性模量1.5×103kPa，泊松比0.49，密度1300kN/m3。（3）在頂管工作面上施加正面壓力以模擬開挖面推進力，近似采用矩形均布荷載；同時，假定土體與管壁間的摩擦阻力沿管道縱向均勻分布，采用liner結構單元來模擬矩形管節。（4）地下管線考慮混凝土排水管，管徑0.4m，管壁厚度分別為45mm；對應的密度、彈性模量和泊松比分別為2.5×103kg/m-3、2.5×l04MPa、0.17。考慮到管壁厚度與管徑相比很小，可將管道視為薄壁管，采用shell單元進行模擬。

2結果分析

2.1土體位移隨頂進的變化情況如圖3~4所示，隨著頂管的開挖，遠離開挖面的土體位移逐漸增加，且管道上部土體發生沉降，下部土體由于卸載有隆起現象。頂管開挖引起土體擾動，帶動鄰近管線產生移動。另外，由于管線剛度的存在，當頂管通過管線之后，在附加壓力作用下管線產生的沉降量要小于底部土體沉降量，同時，地下管線對土體還有錨固作用，限制其變形。

2.2管線周圍土體應力場與位移場圖5表明，頂管施工引起管線周圍土體應力發生變化，靠近開挖面土體應力明顯小于遠離端土體的應力，從而引起土體位移重新分布，如圖6所示，開挖面上方土體的位移較大。頂管施工時地層運動帶動鄰近管線產生不均勻沉降，容易引起管段的應力增加或接頭轉角增大，故應采取適當的措施，減小對土體的擾動。

2.3地下管線的應力分布如圖7~10所示，地下管線的受力情況為三維應力狀態，頂管通過后管線軸向應力遠大于其側向水平應力和豎向應力，且管段主應力、軸向應力最大值均出現在管道中心正上方處，其中最大拉壓應力分別出現在管底和管頂的位置，過大的拉伸或擠壓作用會造成管線接頭松動導致滲漏甚至脫開。

2.4管底軸向應力隨頂進的分布情況如圖11所示，頂管通過管線前后時，管底壓應力區逐漸增大，而且管底拉壓應力區分布越來越明顯。在頂管開挖前，管線受到上部土壓力和下部土體反力的作用，保持平衡；開挖后，由于產生土體損失，頂管周圍土體要向管道移動，此時管線底部土體開始產生沉降，提供的土體反力減小，導致管線受到上部附加壓力作用產生附加應力。由前分析可知，隨著開挖面位置的變化，管線的位移呈增大趨勢，而管線的變形越大，產生的附加應力也越大，圖中表明L從-4.5m到4.5m變化時，管底軸向最大拉應力分別為1.3MPa、7.38MPa、25.1MPa，而軸向最大壓應力的分布如下：當L=-4.5m時位于管端x=23.16m處，其取值為0.427MPa；L=0、4.5m時，位于x=6.02m處，其取值分別為2.3MPa、8.84MPa，以上數據表明，隨著頂管開挖的進行，離頂管軸線越近管段的應力變化越快，而且管底軸向最大拉應力的增加量遠大于軸向最大壓應力。

2.5地下管線的位移分布地下管線的位移具有“空間”性，呈三維態分布，如圖12~13所示，地下管線的最大位移出現在頂管軸心上方，因管線的水平位移和縱向位移相對較小，管線的總位移量與豎向位移量非常接近。地下管線變形的大小與土體和管線的相對剛度以及頂管開挖在管線平面處產生的土體變形有關。

2.6頂管施工地下管線的破壞模式分析頂管開挖導致周圍土體應力釋放，打破了原有的力學平衡，致使地層產生沉降與變形，從而對鄰近地下管線產生影響。當其應力和變形達到一定值時，管線就可能產生泄漏，甚至結構上的破壞。地下管線破壞一般有兩種情況：（1）管段在附加拉應力作用下出現裂縫，甚至發生破裂而喪失工作能力。（2）管段完好，但管段接頭轉角過大，接頭不能保持封閉狀態而發生滲漏。管線的破壞可能主要由其中一種模式控制也可能兩種破壞同時發生。以上分析表明，頂管開挖的卸載過程中，施加在管線上的荷載變化最大的是縱向彎曲荷載，地下管線的縱向應力較其它應力大，故縱向應力屈服是首先要考慮的破壞模式；另外，由于地下管線的變形直接影響管線接頭的構造，當變形過大時，管線就會發生破壞，因此構造破壞也是必須考慮的。

3關鍵技術措施

以上分析表明頂管施工引起的地下管線的位移和應力變化是三維動態變化的，而且受周圍土層的影響較大。因此，在開挖過程中如何有效地控制施工引起的土層擾動，保護工程沿線地下管線的安全，是保證工程順利進行的關鍵，結合本工程實際情況，主要采取了如下關鍵技術措施。

3.1全自動糾偏控制技術矩形管節在頂進時，可能會出現因左右側頂進速度不均勻造成的左右偏差，以及因開挖面不平衡頂推力作用和不均勻地層影響下產生的扭轉，引起地層擾動。為了克服左右偏差，掘進機配備了左右對稱的糾偏千斤頂，并在機頭前方位置安裝了兩組橫向伸出的側翼，發現扭轉時伸出側翼可以克服掘進機扭轉。另外本工程通過采用高性能PLC處理系統，實現了頂管機掘進過程中信息采集、反饋、指令、設定、顯示等快速傳遞和網狀連鎖控制，使頂管機及其掘進過程保持在可控狀態。

3.2注漿系統頂進施工中，運用觸變泥漿是為了減少掘進機、管節與土層的摩阻力，使機體外殼及管節外殼形成完整的減摩漿液薄膜，有效地減少頂進阻力，確保施工正常進行。（1）注漿孔布置在每節管的前端布置觸變泥漿注漿孔，如圖14所示，數量為10個，上下布置6個，左右布置4個。圖14標準管節注漿孔布置圖（2）注漿工藝在矩形頂管機前后段周邊設有觸變泥漿孔，頂進時能及時填充頂管機外殼與土體間的環形空隙，防止土體坍塌而裹住頂管機，邊頂邊壓，停頂補漿；在機尾后的3個管節設置觸變泥漿孔，頂進時不間斷壓漿；以后每隔2～4節管設置一道，頂進時間斷補漿。壓漿原則：“先注后頂、隨頂隨注、及時補漿”。通過采取以上措施，使得地表沉降得到有效控制。

3.3管縫密封控制措施對管密封是非常重要的施工環節，矩型管節對管時若沒有較好的定位措施，對接不好會損壞密封圈，造成管縫漏水、漏漿，嚴重時會造成泥砂噴涌，觸變泥漿流失，使地面坍塌，頂力增大，所以在對管時需有專人監控，等周邊密封圈進入鋼環時才能緩慢推進，同時要觀察密封圈的完整性，不能有損壞，如圖15，否則更換管節。

4結論

頂管施工引起的地下管線的位移和應力變化是三維動態變化的，地下管線的最大位移、軸向最大應力值都出現在管道中心正上方處，其變形的大小與管線和土體相對剛度以及土體變形有關。過大的拉伸或擠壓作用會造成管線接頭松動導致滲漏甚至脫開，首要考慮的情況是縱向應力屈服，其次是構造破壞。因受周圍土層的影響較大，本工程在開挖過程中通過有效地控制施工引起的土層擾動，進而保護了工程沿線地下管線的安全，為類似工程提供借鑒。

作者：林曉慶單位：廣州城建職業學院