基于变形控制的密排管幕顶管施工顺序优化分析.pdf

收稿日期:20221221基金项目:中铁二十四局集团安徽工程有限公司科技研发项目重点课题(2020-56)。作者简介:陈 凯(1991),男,2014 年毕业于安徽理工大学城市地下空间工程专业,工学学士,工程师,E-mail:ck526282460 。文章编号:16727479(2023)05014909基于变形控制的密排管幕顶管施工顺序优化分析陈 凯(中铁二十四局集团安徽工程有限公司,合肥 230011)摘 要:管幕可以为隧道施工提供强度较大的超前支护。为择优选择管幕施工顺序,减少管幕施工对地表沉降影响,以合肥大连路隧道工程为例,采用三维数值分析方法,考虑“先下排后上排连续顶入/先上排后下排连续顶入、先上排后下排间隔顶入”3 种顶入顺序,研究不同管幕施工顺序对地表沉降的影响规律。研究结果表明:(1)上排顶管形成的土拱效应对下排起到保护作用,故最佳施工顺序为:先施工管幕上排顶管,再施工两侧及下排顶管;(2)由于顶管端头的高压旋喷加固和端部结构约束,管幕顶进引起的地表变形呈现端部小,中间大的特征;(3)侧排顶管不影响沉降叠加区最大沉降值,横向地表沉降曲线类似于 S 形,地表沉降最大值为 12.7 mm,最终影响范围为 24 m。关键词:隧道工程;管幕;顶管;变形控制;施工优化;数值分析中图分类号:TU94;U455 文献标识码:ADOI:10.19630/ki.tdkc.202212210001开放科学(资源服务)标识码(OSID):Optimization Analysis of Pipe Jacking Construction Sequence with Dense Tube Curtain Based on Deformation ControlCHEN Kai(China Railway 24th Construction Bureau Group Anhui Engineering Co.,Ltd.,Hefei 230011,China)Abstract:The pipe curtain could provide advanced support with high strength for the tunnel.In order to select the optimal construction sequence of pipe curtain and reduce the impact of pipe curtain construction on surface settlement,taking the Hefei Dalian Road Tunnel project as an example,the three-dimensional numerical analysis method was used to study the impact of different pipe curtain construction sequences on surface settlement by considering the three jacking sequences,inlcuding upper and lower row sequence,continuous jacking and interval jacking.The research results show that:(1)The soil arch effect formed by the top row of pipe jacking plays a protective role on the bottom row,and the best construction sequence is:construct the top row of pipe jacking on the pipe curtain firstly,then construct the two sides of the pipe curtain and the bottom row of pipe jacking;(2)The high pressure rotary jet grouting at the end of pipe jacking strengthens the soil and the end structure constraints,and the surface deformation caused by pipe curtain jacking shows the characteristics of small end settlement and large middle settlement;(3)Side row pipe jacking does not affect the maximum settlement value in the settlement superposition area;The horizontal surface settlement curve is similar to the S-shape,with the maximum surface settlement of 12.7 mm and the final impact range of 24 m.Key words:tunnel;tube curtain;pipe jacking;deformation control;construction optimization;numerical analysis941基于变形控制的密排管幕顶管施工顺序优化分析:陈 凯引言在城市中修建下穿隧道,为保护周边环境,可以采用在管幕支护下的暗挖或预制隧道顶进施工方法。管幕施工法是在管棚法的基础上发展起来的,利用微型顶管技术将钢管或其他材料制成的管道顶推到拟建地下建筑周围。管幕可视为水平铺设的钢管桩,这些排列紧密的钢管桩通过嵌槽封层或冻结等辅助施工方法,形成挡土、挡水的超前支护,使大断面隧道得以在软土地层中通过。然而,管幕施工也会对附近地层产生一定的扰动,部分学者对管幕顶进引起的地表沉降进行研究。谈力昕等以拱北隧道管幕施工段为例,采用 2 种不同的计算方式对顶进力进行了估算,并与实际顶进力进行对比验证1;熊昊翔等从经验参数选取是否合理的角度,对顶力的计算进行研究2;何超等基于土体的极限平衡条件对拱顶和拱脚进行稳定性验算,得出顶管间距的控制式3;刘杨等研究管幕施工参数以及对地表变形的影响4-6;潘伟强依托上海14 号线桂桥路站管幕段实例工程,对软土地区管幕群顶管施工地面沉降监测与分析7。刘方等采用数值模拟对 3 种预加固方案(水平旋喷桩、管幕和小导管注浆)进行结构变形和受力分析8。闫振虎等以重庆铁路枢纽东环线新白杨湾下穿高速公路隧道工程为依托,采用有限元分析软件 MIDAS-GTS NX,研究浅埋隧道大管幕支护力学特性及施工控制技术9。韩现民等以迎泽大街下穿太原市火车站通道工程暗挖段管幕-结构法施工为例,采用数值计算对钢管不同顶进次序对地表沉降影响进行分析10。何君佐采用实时监测手段对管幕群顶进过程中各钢管的姿态与变形进行记录,研究各类钢管在顶进过程中的相互作用以及管幕群贯通闭合后的姿态与变形规律11。程盼盼等以上海轨道交通 14 号线桂桥路车站渡线段为依托,对管幕顶进和开挖阶段进行模拟分析,并优化相关施工参数12。雷升祥等依托太原市迎泽大街下穿火车站通道工程,应用离散元仿真软件对新管幕通道施工方法进行模拟,研究施工过程中火车轨道沉降及雨棚柱基础的位移变化13。江勇涛等结合文林山隧道工程,采用螺旋出土套管顶进工艺进行管幕施工,提出单管顶进施工地表沉降计算方法,并引入群管施工地表沉降修正函数建立管幕群管施工地表沉降计算方法14。张宇以北京平安里地铁车站工程及其实测数据为基础,对密排横向管幕进行解析分析15。李登等采用“无缝”连接的矩形曲线顶管,在土体中形成弧形底部托盘对内部空间进行保护16。李洋等给出曲线管幕施工过程中顶推力的计算公式,得到曲线管幕施工地铁车站对周围地层的影响规律17。于源龙结合福州工业北路延伸线工程,采用数值软件 Midas 对多根管幕顶进过程地层应力分布情况及地表最大沉降位移情况进行分析18。宋大勇等以北京轨道交通新机场线一期工程 1#区间风井兼盾构接收井为例,介绍了区间风井施工过程中采用管幕法工艺19。牛野采用ABAQUS 有限元分析软件对复合地层下的群管顶进顺序及地层沉降展开研究20;唐正等依托上海田林路下穿中环隧道工程,对地表位移实测数据进行了详细分析21;王子君针对沈阳地铁市府大路站,研究采用小直径管幕工法施工的地铁暗挖车站引起的地层及主体结构的位移变形规律22。上述研究主要针对某一工程研究管幕施工对地层的扰动,对管幕的施工顺序对地层扰动的影响并未深入分析。基于此,采用三维数值分析方法,考虑“上排和下排的先后、连续顶入和间隔顶入”顶入顺序,研究不同管幕施工顺序对地表沉降的影响规律;揭示顶管间距对土拱效应的影响机理,定量评价密排顶管群施工过程中的管间土拱效应减少顶管施工过程引起的地表沉降量。1 工程概况合肥滨湖科学城大连路为城市主干道,其中某段隧道工程在桩号 5+87.456+81.15 处下穿合肥市骆岗机场跑道,平面交角 69,隧道与综合管廊工作井围护桩间水平最小净距 4.87 m,顶部覆土 5.36.13 m。管幕顶进施工过程易引起机场跑道变形,甚至是局部塌陷。为保护既有机场主跑道,采用在管幕保护下的预制隧道顶进法施工,顶进长度约 93.7 m。管幕采用44 根壁厚 16 mm1.6 m 长钢管,顶进长度为 92.7 m。采用 2 台 1.6 m 泥水平衡顶管机,由东工作井往西接收井进行掘进施工,钢管单节长不小于 6 m,分节间采用鸳鸯坡口焊连接。管幕暗挖段与机场主跑道平面位置关系见图 1。2 数值模型概况2.1 有限元模型设计管幕顶管区间主要穿越杂填土和膨胀黏土的复合地层。管幕密集顶管分布和顶进顺序均为对称,为了提高计算效率,取 1/2 对称边界建模,沿隧道轴线方向(y 轴)长93 m,沿隧道横向(x 轴)宽50 m,沿地表向下(z 轴)深 32 m。模型四周侧边界设置水平约束,底部边界设置固定约束。现场钻孔桩揭露,地下水位埋深051铁 道 勘 察2023 年第 5 期图 1 管幕暗挖段与机场主跑道平面位置关系16 m,高压旋喷桩加固区域为端头区加固。数值模型共划分 368 298 个单元,产生 507 919 个节点,网格数值仿真模型见图 2。图 2 密排管幕几何与网格模型图 3 管幕密集顶管施工顺序示意(单位:cm)2.2 材料参数软件采用 Plaxis3D。围岩采用 10 节点高阶四面体实体单元进行模拟,围岩力学行为采用小应变土体硬化模型(HSS)进行描述。管道钢管采用板单元模拟,假定为线弹性材料。模型中围岩参数根据项目工程地质资料概化而来,结构单元参数根据结构设计资料及单元特性选取,模型基本输入参数见表 1、表 2。表 1 围岩材料计算参数项目杂填土黏土 4-1黏土 4-2加固土/(kN/m3)19202022Eref50/(kN/m2)5 0001310315103摩尔库伦模型Erefoed/(kN/m2)5 00013103151031.0106 Erefur/(kN/m2)25 0003910345103v=0.2m0.70.50.5c/(kN/m2)575.482.5250/()2024.325.0360.70.210-30.1510-30.1510-3Gref0/(kN/m2)50103117103135103 注:()为经过数值仿真分析反算。表 2 板单元材料参数参数名称重度/(kN/m3)直径d/m弹性模量E/(kN/m2)泊松比v数值78.50.0162101060.103.3 计算工况根据设计与实际施工情况,管幕顶进施工中,设计151基于变形控制的密排管幕顶管施工顺序优化分析:陈 凯3 种方案进行对比研究。方案 1:始发井基坑开挖支护至下排管幕钢管处,先施工下排管幕,再自下而上施工侧排管幕,最后施工上排管幕。该方案施工上排及侧排管幕时需要搭设钢管支撑架顶进作业平台,下排及上排钢管顶进均自中间向两边依次顶进,采用 2 台泥水平衡顶管机,见图3(a)。方案 2:先施工上排管幕,其次自上而下依次施工侧排管幕,最后施工下排管幕,该方案无需搭设钢管支撑架顶进作业平台,基坑开挖自上而下根据管幕施工分层分次开挖,下排及上排钢管顶进均自中间向两边依次顶进,采用 2 台泥水平衡顶管机,见图 3(b)。方案 3:施工顺序基本同方案 2,不同之处在于下排及上排钢管顶进均自中间向两边间隔 1 根桩顶进,见图 3(b)。3 管幕顶进顺序对地表变形影响分析3.1 不同方案横向沉降对比对于不同管幕顶管顺序,地层变形的程度不同。共设置 3 种顶管施工顺序。输出同一个位置(y=47)的横剖面地表沉降曲线,见图 4(x=0 m 为模型对称边界)。图 4 不同顶管施工顺序下横截面地表沉降曲线由图 4 可知,3 种方案地表变形差异并不显著。沉降极值与变形规律都比较接近。方案 3 的沉降极值最大,方案 2 沉降极值最小,方案 1 居中,分别为-13.34 mm、-12.27 mm 和-12.83 mm。沉降影响范围基本相同(34 m 左右)。3.2 不同方案最大沉降曲线对比管幕顶管过程中,管幕中间地表位置(x=0 m,y=47 m,z=0 m)始终为最大沉降位置,该位置沉降曲线见图 5。由图 5 可知,方案 1 先施工下排顶管,第 1、2 根顶管引起地表沉降增量较大,随后引起的沉降增幅逐渐减少,主要原因是后续顶管距离中心沉降最大位置越来越远;当上排顶管(第 14 根)开始顶进,最大沉降值图 5 不同顶管施工顺序下最大沉降迅速增加。方案 2 和方案 3 中,上排和侧排施工顺序相同,沉降曲线也基本相同,施工下排(第 14 根)顶管时,方案 3 引起的沉降较方案 2 大,说明方案 3 间隔顶进难以发挥相邻顶管的遮挡限位作用。4 土拱效应分析4.1 单管沉降增量分析管幕顶管顶进过程中,先施工的顶管可以形成一定的土拱效应。为了对比分析下排顶管与上排顶管在不同顺序工况下地层的响应特征。分别输出方案 1 和方案 2 数值模型的施工下排第 4 根顶管引起的阶段位移(见图 6、图 7)。图 6 方案 1 下排第 4 根钢管引起的变形由图 6 可知,下排第 4 根顶管顶入引起的沉降等值线直接平滑延伸到地表,等值线无明显折皱和弯曲。沉降影响范围边界呈现上大下小的形态。由图 7 可知,先施工完成上排顶管的方案 2 中,施工下排第 4 根顶管引起的沉降被上排顶管干扰发生弯曲。在上排每两根顶管之间位置,形成“拱形”的位移等值线,在所251铁 道 勘 察2023 年第 5 期图 7 方案 2 下排第 4 根钢管引起的变形考虑的施工阶段,上排顶管上方的沉降明显小于其下方沉降,表明上排顶管形成土拱效应,可起到保护下排顶管的作用。图 9 整体模型沉降云图4.2 整体沉降分析方案 1 和方案 2 管幕施工完成后的地层沉降云图见图 8。对比发现,管幕顶管完成后,在上排先施工的情况下,侧排顶管顶入后周边地层沉降更小,管幕围成的隧道主体区域内的沉降也更小。由此可见,先施工上排顶管可以更好控制下排顶管施工的扰动。密排管幕顶图 8 模型剖面最终地层沉降云图管群最佳的顺序为先施工管幕上排顶管,再施工管幕两侧及下排顶管。因此,选择方案 2 作为工程的施工方案。5 密排管幕施工过程地表变形特征分析5.1 地表沉降影响范围随顶管变化规律为了进一步分析管幕顶管进度对地表的变形影响,对方案 2 分别取顶管完成根数为 1 根、8 根、13 根、22 根时的地表沉降,对比不同进度的地表沉降情况,沉降云图见图 9、图 10。由于 22 根顶管全部完成,整351基于变形控制的密排管幕顶管施工顺序优化分析:陈 凯个地层获得的最大沉降值为 13 mm,为了对比不同施工阶段地层扰动范围,借鉴其他专题经验(如地基沉降分层总和法计算深度 Zn取附加应力等于自重应力的 10%的标高作为压缩层的下限),将 10%的最大沉降值(1.3 mm)定义为影响区域的边界临界值。图 10 地表沉降云图 由图 9 可知,当管幕顶进顶管根数分别为 1 根、8 根、13 根、22 根时,对应的顶管周边土体最大沉降值分别为 4.57,7.22,7.33 mm 和 12.85 mm,土体最大沉降出现在顶管中间(y=47 m)附近位置,顶管引起的地表变形轴向基本对称。随着不断推进,地表变形持续增加。由图 10 可知,当第一根顶管顶入时,影响范围很小,随着顶进顶管根数的增加,地表沉降的影响范围持续增大。整体来看,由于顶管端头的高压旋喷加固和端部结构约束,呈现出端部沉降小,中间沉降大的变形特征,地表变形轴向基本对称;地表沉降影响区域在管幕边界(x=16.5 m)开始快速衰减。5.2 横向变形随顶管变化规律在地表最大沉降位置(y=47 m)处输出地表沉降的横剖线。分别输出第 1 根、第 8 根(上排 16 根顶管完成)、第 13 根(侧排 8 根顶管完成)和第 22 根(44 根顶管全部完成)4 个计算阶段的地表沉降曲线,见图 11。由图 11 可知,在顶入管幕上排中间第 1 根顶管时,地表沉降最大值位于模型对称边界(x=0 m)位置,最大值为 3.8 mm,影响范围约 6.1 m;在顶入管幕上排图 11 地表最大沉降位置横向沉降曲线(y=47 m)中间第 8 根顶管(上排完成)时,地表沉降最大值增加到 7.1 mm,影响范围扩大到 17.4 m,值得注意的是,x=5 m 至 y=13 m 区间沉降值大小相近,形成沉降“平台”。其原因为,第 1 根与第 2 根与对称的顶管(对称边界)之间有沉降叠加作用。从第 3 根顶管起,与对称的顶管之间沉降叠加基本消失;在侧排管幕顶入(第 9 到 13 根顶管)期间,对 x=0 m 至 x=5 m 的区域地表沉降基本无影响,沉降最大值无变化,此时沉降影响范围边界扩大到 x=21 m。因此,侧排顶管影响范围在 x=5 m 至 x=21 m 范围。在下排顶管完成时,地表沉降最大值增加到 12.7 mm,影响范围增加到 24 m。综上所述,前两根顶管引起 x=0 m 至 x=5 m 的区域范围地表沉降叠加区,该区域沉降最大;第 3 根到第451铁 道 勘 察2023 年第 5 期8 根顶管顶进形成沉降平台区,各顶管上方沉降值相近;侧排顶管地表沉降影响范围 x=5 m 至 x=21 m 区域,侧排顶管不影响沉降叠加区最大沉降值;横向地表沉降曲线类似于 S 形,最终影响范围 x=24 m。5.3 轴向变形随顶管变化规律在 x=0 m 处,输出轴向地表沉降曲线,分别输出第 1 根、第 8 根、第 13 根和第 22 根 4 个计算阶段的地表沉降曲线,见图 12。图 12 地表沉降轴向沉降曲线(x=0 m)由图 12 可知,轴向沉降曲线形态为两端小,中间大。沉降从 y=6 m 位置(加固土边界)开始迅速增加,在 y=20 m 位置开始趋于稳定,整体轴向形成盆状沉降稳定区域,沉降稳定区域差异沉降较小。从顶管施工进度来看,不同进度引起的地表轴向沉降形态基本一致,随着进度沉降整体逐渐增大。值得注意的是,侧排 4 根顶管的顶进未引起 x=0 m 处轴向地表沉降曲线发生变化。5.4 地层损失综合分析根据 Peck 公式,最大沉降和土体损失量公式为Smax=Vlose/i2(1)Vlose=R2(2)式中,Vlose为顶管单位长度的土体体积损失量;i为顶管中轴线到地面沉降曲线反弯点的水平距离,即地面沉降槽宽度系数;为土体损失百分率;R 为顶管半径。Peck 公式沉降曲线见图 13,其形态与图 12 中N=1 的曲线基本一致。图 13 Peck 公式计算图示将第一根顶管的最大地表沉降量代入 Peck 公式,有=i2SmaxR2(3)根据数值模拟分析输入条件和计算结果,计算第1 根桩顶入引起的地层实际损失率。Smax取 3.8 mm,i取 3.0 m,R 取 0.8 m,计算获得实际地层损失为1.42%,数值模型中输入的 0.5%为钢管收缩率,获得地层实际损失率为 1.42%的原因有以下两点:数值模型采用的对称边界,获得沉降实际为 2 根顶管的沉降,因而,Peck 公式获得的收缩率实际为 0.71%;数值模拟输入的收缩率为顶管结构的收缩体积,用于模拟周边土体的应力释放,在土体发生一定变形之后,剩余的土压力作用到顶管上引起二次变形。同理,可计算获得 44 根管幕顶管全部完成时的平均地层损失率。根据管幕完全施工完成后的结果,最大沉降取 12.8 mm,影响范围反弯点 i 取 17 m,R 仍然取 0.8 m,地层损失计算结果为 0.60%。可见平均顶管施工引起的地层损失率低于单根顶管,分析认为,管幕上排管土拱效应对下排顶管起到了保护作用。综上所述,采用数值仿真方法获得的沉降曲线形态与 Peck 公式沉降曲线基本一致。数值模拟中采用钢管收缩的方式获得的沉降和影响范围可以代入Peck 公式换算出地层损失率,数值模拟中输入的收缩率(0.5%)较最终地层损失率(0.71%)小。对比单顶管的地层损失率和密排管幕的地层损失率,发现后续顶管的施工引起的地层损失低于前期顶管的。分析认为,管幕上排顶管土拱效应对下排顶管起到保护作用。6 结论(1)先施工完成上排顶管,施工下排顶管引起的沉降等值线被上排顶管干扰发生弯曲,在上排每两根顶管的间隔位置形成“拱形”的沉降等值线,且上排顶管上方的阶段位移明显小于其下方的阶段位移。上排顶管形成的土拱效应对下排起到保护作用。因此,密排管幕顶管群最佳的顺序为:先施工管幕上排顶管,再施工管幕两侧及下排顶管。(2)采用数值仿真方法获得的沉降曲线形态与Peck 公式沉降曲线基本一致。数值模拟中采用钢管收缩的方式获得的沉降和影响范围可以代入 Peck 公式换算出地层损失率,数值模拟中输入的收缩率(0.5%)较最终地层损失率(0.71%)小。对比单顶管的地层损失率和密排管幕的地层损失率,发现后续顶管的施工引起的地层损失低于前期。551基于变形控制的密排管幕顶管施工顺序优化分析:陈 凯参考文献1 谈力昕,张鹏,谢红明,等.拱北隧道工程中曲线顶管顶进力实测分析J.隧道建设,2016,36(8):947-952.TAN Lixin,ZHANG Peng,XIE Hongming,et al.Analysis of Jacking Force of Curved Pipe Jacking in Gongbei Tunnel J.Tunnel Construction,2016,36(8):947-952.2 熊昊翔,许晴爽,任辉.拱北隧道曲线管幕顶管顶力参数取值研究J.隧道建设(中英文),2019,39(S1):146-151.XIONG Haoxiang,XU Qingshuang,REN Hui.Investigation on Jacking Force Parameters of Curved Pipe-roofing Construction in Gongbei TunnelJ.Tunnel Construction,2019,39(S1):146-151.3 何超,张鹏,马保松.拱北隧道管幕工程顶管间距计算分析J.隧道建设(中英文),2019,39(1):94-101.HE Chao,ZHANG Peng,MA 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