下穿城市快速路顶管施工与路面沉降变形分析_邓海纯.pdf

施工技术DOI:10 13719/j cnki 1009 6825 202315024下穿城市快速路顶管施工与路面沉降变形分析收稿日期:2023 01 30作者简介:邓海纯(1984 )，女，高级工程师，从事工程技术管理、招投标、合同和预算工作邓海纯，廖小平，陈敏(武汉光谷建设投资有限公司，湖北 武汉430205)摘要:电力隧道下穿城市快速路施工会造成路基沉降变形，严重时影响快速路的正常运营安全。结合实际工程，对下穿城市快速路顶管设计施工、监测等技术要求进行阐述，采用有限元分析软件模拟不同的顶管掘进工况，对各种工况下的快速路路基的沉降变形进行数值计算与分析，结果表明，最大沉降变形为 4 77 m，在可控范围内。关键词:快速路;电力隧道;顶管施工;施工监测;变形分析中图分类号:TU433文献标识码:A文章编号:1009 6825(2023)15 0094 050引言随着城市建设的发展，地下空间的开发程度日益增高，城市基础设施中电力电缆地下化已成为现代城市公用设备的发展趋势。近年来，结合实际工程，顶管技术具有施工周期短、土方作业量少和不影响正常生活等特点，被广泛应用于国内外电力隧道施工中1。大量的工程实践表明，顶管施工不可避免地造成隧道周围土体及邻近建构筑物的扰动，引起地层及建构筑物变形，影响稳定性，甚至造成地表塌陷及建构筑物破坏等事故2 5。顶管施工过程中的地面沉降预测和安全性分析对工程建设十分重要。目前，国内外对顶管施工过程中引起地面沉降预测分析的方法主要有理论解析法、室内实验法、数值模拟法，在工程应用中，多采用数值模拟法6。张振7 以郑州市某矩形顶管隧道工程为背景，采用 MIDAS GTS 有限元分析软件，总结了顶管隧道施工引起的地表沉降机理。孙宇赫8 通过现场监测数据和ABAQUS 有限元分析软件，对顶管施工过程进行模拟，发现相邻土体竖向差异变形，出现明显“脱空”现象，同时，超挖量和地面荷载对地面沉降影响较大;林晓庆9 利用FLAC 3D 软件分析矩形顶管施工引起的土体以及管线变形特点，并提出了对地下管线的保护措施建议;刘营10 采用 ANSYS 有限元软件，研究顶管施工引起的土体扰动范围，对比不同地层损失、不同埋深、不同管径下的施 工 工 况，得 到 了 沉 降 影 响 规 律;尚 亮11 采 用MIDAS GTS NX有限元软件，对比实测数据，得到了顶管注浆压力、支护应力、土体材料、管线和顶管相交夹角对地表变形和地下管线的影响。为了避免顶管施工对正在运营的建(构)筑物造成扰动和安全影响，需提前对其进行安全性分析。本文基于顶管法施工下城市快速路电力隧道项目，介绍该项目的顶管掘进施工技术，并采用有限元分析软件对路面变形进行安全性评价分析，可为类似工程提供参考。1工程概况11工程概述工程位于武汉东湖高新区高新企业开发区，将原220 kV 凤花、凤冶线迁改入地，同时打通区域规划电网。其中电力隧道在中华大道东侧采用双仓顶管下穿武汉绕城高速路基段，顶管为内径 3 m 的钢筋混凝土管，线路走向如图 1 所示，电力隧道下穿高速段剖面图如图 2 所示。武汉绕城高速中华大道DS1+540DS1+560DS1+580DS1+600DS1+620DS1+640DS1+660DS4#DGJDS3#接头区图 1电力隧道下穿绕城高速及线路走向示意图10.227武汉绕城高速路面，约 27 m1710素填土 Qml3 号接头区6.6-1黏土 Q3粉质黏土 Qel+dl粉质黏土夹碎石 Qel+dlal+pl中风化灰岩 P9.95工作井8.905.018.85现状地面 20.6515.6510.225.85路基填土接收井d3 000 mm 钢筋混凝土管，L=215 m，顶管施工11图 2电力隧道下穿高速段横剖面图单位：m12工程地质及水文地质该建筑场区位于长江三级阶地垄岗地带，为剥蚀堆积平原。依据现场勘察钻探取样、试验和原位测试结果，结合地区经验综合分析，本场地土层分布和抗剪强度指标建议值如表 1 所示。建筑场地地下水按其埋藏条件，主要分为三类:上层49第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑SHANXIACHITECTUEVol 49 No 15Aug2023滞水、岩溶水和基岩裂隙水。上层滞水分布于素填土中，主要受大气降水及地表水体的补给，水量较小，为地表下050 m 2 70 m。上层滞水与潜水水位年变化幅度为1 m 2 m。岩溶水和基岩裂隙水在场地工程勘察中未发现。表 1场地土层分布及抗剪强度指标建议值地层厚度/m重度/(kNm3)抗剪强度建议值c/kPa/()承载力特征值及压缩模量fak/kPaEs(E0)/kPa素填土05 6180108黏土1 125194401418056粉质黏土0 61953013230108(210)粉质黏土夹碎石 83 1932024018250(220)中风化灰岩47 20724100364 0002电力隧道下穿城市快速路顶管施工方案根据场地工程地质条件，设计选用泥水平衡顶管机施工，选定的顶管机类型为 DH 型泥水平衡顶管掘进机，其额定顶力大于本项工程任何主顶站顶力。采用泥水平衡机头正常顶管时，顶管机及管道内的操作均由地面操作者完成，所有的操作元件均由电缆、油管集中至地面操作室进行控制，所有运行数据由电缆传输信号至地面操作室以便操作者监控并发出操作指令。顶管机能持续自动地记录其各种状态及管道线路的位置等数据。自动记录系统包括泥土和地下水压力，机头倾斜、旋转，纠偏状态，前进速度，顶进长度，泥水压力、刀盘扭矩，顶进负荷，及中继间运作等。此系统在自动系统出现故障时能手动监测，以保证管道在系统修复过程中能继续前进。21施工工艺流程该工程具体施工工艺流程如图 3 所示。图 3顶管施工工艺流程图基坑回填验收机头出洞泥浆置换PVC-UH 管穿套及功能性试验设备拆除注浆减阻测量纠编测量复核测量放线降水井施工工作井、接收井制作泥浆池制作设备安装机头进洞下管接口管道顶进22工作井施工1)施工重点:本工程沉井施工采取分节制作、分次下沉和排水挖干、干封底的施工方案。由于沉井配筋比例高，自重单位混凝土体积重量取 25 kN/m3，按施工程序安排，沉井分 3 次 4 次制作，3 次 4 次下沉，且施工缝处设置钢板止水带。2)基坑开挖:开挖前人工挖探沟，确定地下管线位置，并对地下管线采取经产权单位同意的保护措施。为保证沉井制作均匀下沉，先将井区范围的障碍物与表层土挖出。根据设计要求及考虑沉井整体制作的方便可行。为保证制作沉井的地基具有足够的承载力，基坑底部若为松软的土质，必须予以清除，以砂或砂土回填、整平、夯实，防止在沉井制作过程中发生不均匀沉降，造成井壁开裂。基坑开挖用反铲挖土机进行，并辅助人工整平。基坑应先明开至地面以下 3 m 处(根据地下水适当调整)，然后制作混凝土垫层 0 1 m，再垫木砌砖胎浇筑混凝土。3)沉井下沉:下沉准备工作设置垂直运输机械设备挖土下沉(井周添加泥浆润滑)边下沉边观测纠偏措施沉至设计标高核对标高、观测沉降稳定情况井底设盲沟、集水井铺设井内封底垫层底板防水处理底板钢筋施工与隐蔽工程验收底板混凝土浇筑井内结构施工上部建筑及辅助设施。23顶管施工管道顶进施工分为进洞门、初始顶进、正常顶进、测量纠偏、注浆减阻和出洞门。管道开始顶进前，作一次全面的检查，确保各部位及设备正常后开始进行管道顶进。1)管材选用、运输及下管方式:管材采用“F”型钢承口钢筋混凝土管(C50 混凝土)，管材外径3 600 mm，内径3 000 mm，2 5 m/节。管节由 50 t 吊车卸到工作坑附近指定位置处，再由吊车将地面管节吊运至顶管工作坑内。管材入井前，提前在管道上制作注浆孔。每根管设 4 个DN25 的压浆孔，沿圆周上 90布置;穿透孔内插 10 cm 长1 寸镀锌钢管(外露 3 cm)，并采用高强度防水结构胶黏合，镀锌钢管外露段刻丝以备同注浆管路连接，并提前试验耐压和有无泄漏情况。2)顶管顶进:初始顶进时，每顶进 300 mm 进行一次测量复核，测量其中心线和高程，是否满足要求(偏差控制在 5 mm 之内)，如有超过时立即采取纠偏措施;测量复核时如实记录原始数据，并留存备案报审监理。正常顶进时，除非遇到特殊情况，否则顶进作业一直连续进行，每顶进 1 000 mm 测量一次，测量其中心线和高程，是否满足要求，如有超限时，立即采取纠偏措施。3)注浆减阻措施:顶力控制的关键是最大限度地降低顶进阻力，而降低顶进阻力最有效方法是注射触变泥浆减阻，在管外壁与土层之间注射润滑浆，形成一条完整的环状的泥浆润滑套，从而大大地减少顶进阻力。4)泥浆处置措施:顶管机刀盘切削的泥土和注入的水搅和成泥水并通过22 kW 渣浆泵排到地表分仓式储水59第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月邓海纯，等:下穿城市快速路顶管施工与路面沉降变形分析池的沉淀池中进行自然沉淀，沉淀池上部的泥浆通过预留洞口流入泥浆池中或者采用泥浆泵抽入泥浆池中，重新由 18 5 kW 高杆送泥泵泵入顶管机泥水仓内，从而达到泥水分离、反复循环使用泥浆的目的。5)泥浆置换:顶进施工完成后，随即利用注浆系统对已形成的泥浆套的浆液进行置换。置换浆液由水泥粉煤灰拌制(浆液质量比为:水泥 石灰粉煤灰 水=1 3 15)。压浆通过高压螺杆泵向混凝土管外注入置换浆液，将触变泥浆置换出来的同时填灌顶管超挖空隙，避免地面沉降。压浆体凝结后(一般为 24 h)拆除管路换上封盖，将孔口用环氧水泥封堵抹平。24施工监测由于项目下穿绕城高速路，需对其进行变形监测，根据监测情况实时掌握道路的变形情况，并指导施工。监测方案的要点如下:1)监测内容:影响范围内绕城高速路面结构的沉降监测。2)测点布置:绕城高速路堤坡脚、边坡腰部、坡顶、道路路肩、中央分隔带等处均布置垂直于顶管轴线的监测断面，每个断面的测点不少于 5 个。3)监测频率:沉井结构地面浇筑施工期间，监测频率为1 次/周。沉井下沉施工期间，监测频率为 3 次/周。顶管掘进施工期间，监测频率为 1 次/d。施工完成后的稳定观察期，监测频率为 1 次/周。监测数据异常时应加密监测。4)变形限值:路基沉降不大于 20 mm，预警值、警戒值为上述控制值的 70%，80%;路基变形速率控制值为 3 mm/d。5)监测周期:从工作井基坑施工前完成初始值采集，开始监测。待完成顶管掘进且基坑回筑完成后，至少 1 个月且监测数据趋于稳定后方可结束。3安全性分析评价31路基变形限值根据 公路路基设计规范12，高速公路的路堤总工后沉降量应不大于 100 mm。参考 城市轨道交通工程监测技术规范13，本工程顶管下穿导致的武汉绕城高速路基结构的沉降控制值为:累计沉降控制值 10 mm 30 mm、变化速率为 3 mm/d。综合考虑以上规范及本工程实际情况，确定由该工程顶管施工导致的绕城高速路基沉降控制值为 20 mm，变形速率为 3 mm/d。为确保路面行车的平顺性，项目顶管施工导致的高速公路路面附加纵、横坡度不得大于 5。32路面变形计算分析321几何模型采用有限元分析软件建立三维有限元计算分析模型。模型尺寸为:长240 m(高速公路纵向)、宽160 m(高速公路横向)、高 50 m。根据地勘报告，模型从地面往下可分为 5 层土:填土层(含路基压实填土)、黏土、粉质黏土、粉质黏土夹碎石、中风化灰岩，如图 4 所示。顶管下穿绕城高速路堤计算模型如图 5 所示。图 4整体数值计算模型YZX图 5顶管下穿绕城高速路堤计算模型YZX322顶管顶进反力根据 顶管法管道穿越工程技术规程(湖北省地方标准)14，本工程为混凝土管穿越黏性土层且采用触变泥浆减阻技术，管道外壁与土体之间的平均摩阻力(kPa)，可取值5 kPa。顶管机头的迎面阻力按式(1)计算 14:F=4D2H=AH(1)其中，A 为顶管机截面积，本工程取 10 2 m2;为土层重度，kN/m3;H 为覆盖层厚度，m。323顶管掘进施工模拟顶管施工过程模拟方法为:先将顶管掘进范围分为若干个小区段，各区段顶管的施工过程模拟如下:1)第 1 区段机械掘进:将第 1 区段掘进范围内的土体单元地应力释放 50%，同时在第 1 区段终点施加掌子面平衡反力。2)第 1 区段管片顶进:激活第 1 区段的管节结构单元，并在管壁施加沿顶进方向的侧摩阻力 5 kPa。3)第 1 区，2 区段转换:将第 1 区段管节范围内土体单元地应力释放至 100%。同时将第 2 区段管节范围土压力释放 50%，将开挖掌子面的平衡反力转移至第 2 区段终点。4)其余区段施工模拟:重复以上步骤 2)3)，逐段完成整条顶管通道的掘进模拟。324参数设置在计算模型中，土体采用修正摩尔 库仑本构，有限元分析软件的修正摩尔 库仑本构中 3 个基本刚度参数取值经验如下:标准排水三轴试验中的割线刚度 Eret50=3Es，弹性卸载/再加载时的弹性模量 Eretur=3Eret50。地层参数根据地质勘察报告选取(见表 2)。325荷载和边界条件设置根据 公路桥涵设计通用规范，汽车荷载引起的土压力采用车辆荷载加载。计算涵洞顶上汽车荷载引起的69第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑竖向土压力时，车轮按其着地面积的边缘向下作 30角分布。当几个车轮的压力扩散线重叠时，扩散面积以最外边的扩散线为准。本工程下穿绕城高速段的管道覆土厚为10 m，因此，轮压荷载的扩散半径 =10 tan30=57 m。表 2场地土层的基本参数地层三轴试验割线刚度/MPa卸载弹性模量/MPa泊松比 素填土12360 38黏土16 850 40 35粉质黏土32 497 20 35粉质黏土夹碎石401200 30中风化灰岩不可压缩层，取值如下:E=2 1 104MPa，泊松比 =0 25根据 公路桥涵设计通用规范15，绕城高速的汽车荷载为公路级，车辆荷载取值为:整车重 550 kN，后轴重 140 kN。本工程管线下穿处道路左、右幅宽均为 12 m，道路左右幅横向最多按六车道考虑车辆荷载。故横向单排车辆的荷载扩散面积为:(24+5 7 2)15=531 m2。单排车总荷载为 550 6=3 300 kN，得到管顶由车辆荷载引起的涵洞顶附加土压力为3 300 531=6 2 kPa。按保守考虑，本工程计算模型高速公路路面车道荷载取值10 kPa。本模型计算过程中，考虑工作井周边地面超载20 kPa、重力加速度 9 8 m/s2。顶管管节侧壁施加摩阻力 5 kPa，高速公路路面车道荷载为 10 kPa。326变形计算结果根据上述计算模型，各关键工况下(顶管 1 掘进至道路下方、顶管 1 掘进完成、顶管 2 掘进至道路下方、顶管 2 掘进完成)绕城高速的路面沉降分布云图，如图 6 所示。DISPLACEMENTTZ，mm-9.450 7e-004-3.536 2e-001-7.062 9e-001-1.059 0e+000-1.411 6e+000-1.764 3e+000-2.117 0e+000-2.469 7e+000-2.822 3e+000-3.175 0e+000-3.527 7e+000-3.880 4e+000-4.233 0e+00077.0%5.0%2.8%2.2%2.6%0.7%1.9%1.9%2.1%1.5%1.3%1.0%Min:-4.23e+000Max:-2.79e+000YZXDISPLACEMENTTZ，mm+6.685 0e-004-1.960 8e-001-3.928 2e-001-5.895 6e-001-7.863 1e-001-9.830 5e-001-1.179 8e+000-1.376 5e+000-1.573 3e+000-1.770 0e+000-1.966 8e+000-2.163 5e+000-2.360 3e+00081.7%5.4%3.7%2.4%1.7%0.9%1.2%0.6%0.8%0.7%0.5%0.4%Min:-2.36e+000Max:-2.74e-001YZXDISPLACEMENTTZ，mm-6.842 6e-004-2.490 9e-001-4.975 0e-001-7.459 1e-001-9.943 2e-001-1.242 7e+000-1.491 1e+000-1.739 5e+000-1.988 0e+000-2.236 4e+000-2.484 8e+000-2.733 2e+000-2.981 6e+00076.9%4.9%3.4%2.3%1.3%1.9%0.9%1.8%1.2%1.6%1.7%2.1%Min:-2.81e+000Max:-4.53e-002YZXDISPLACEMENTTZ，mm-1.358 0e-003-3.990 5e-001-7.967 5e-001-1.194 4e+000-1.592 1e+000-1.989 8e+000-2.387 5e+000-2.785 2e+000-3.182 9e+000-3.580 6e+000-3.978 3e+000-4.376 0e+000-4.773 7e+00075.8%5.0%3.0%2.5%1.4%1.3%1.4%2.0%1.0%1.5%2.2%2.8%Min:-4.64e+000Max:-8.06e-002YZX（a）顶管 1 掘进至道路下方（b）顶管 1 掘进完成（c）顶管 2 掘进至道路下方（d）顶管 2 掘进完成图 6道路竖向位移云图根据计算结果，顶管 1 掘进至高速公路中央分割带位置时，路面最大沉降为 2 36 mm，掘进完成工况下，路面最大沉降增大至 2 98 mm。顶管 2 掘进至高速公路中央分割带位置时，路面最大沉降为 4 23 mm，掘进完成工况下，路面最大沉降增大至 4 77 mm。路面沉降变形满足相应的变形控制标准。各工况下高速公路路面的沉降分布曲线图，如图 7 所示。根据图 7 可知:各工况下绕城高速路面最大附加纵坡均不大于 1 0。由于顶管埋深较大，顶管施工导致路面附加坡度很小，施工对道路行车平顺性的影响基本可忽略。0-1-2-3-4-5-6路基沉降/mm左幅道路右幅道路顶管 1 掘进至道路中下方；顶管 2 掘进至道路中下方51015202530距离/m（a）横向顶管 1 掘进完成；顶管 2 掘进完成0-1-2-3-4-51020304050607080距离/m路基沉降/mm（b）纵向图 7路面沉降分布曲线4结论本文介绍了下穿城市快速路电力隧道泥水平衡顶管施工的设计和控制参数，并分析了路基沉降变形情况，为相关工程施工提供借鉴，主要结论如下:1)对于顶管下穿城市快速路，首先需要综合考虑各种因素，选择顶管机类型、顶管施工方法、顶管参数和工作井施工方法。2)按照相关规程进行工作井施工和顶管施工。施工监测要贯穿施工全过程，监测点布置及监测频率严格按照相关规程执行，时刻掌握路基监测数据和变形趋势，确保道路运营安全。3)通过有限元分析软件79第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月邓海纯，等:下穿城市快速路顶管施工与路面沉降变形分析对路基沉降变形进行模拟，计算模型参数严格按照相关规程和工程勘察报告获取。结果表明:电力隧道顶管施工导致绕城高速路基结构的变形量均小于相应的变形控制标准。拟建项目施工对绕城高速的安全影响可控，在施工阶段技术参数合规的情况下，可确保绕城高速的安全运营。参考文献:1 郭水，张良，刘淼，等 粉砂土地层浅埋顶管下穿高速公路路面变形分析 J 市政技术，2023，41(2):59 72 2 周云超 顶管下穿铁路路基设计分析J 长春工程学院学报，2022，23(4):29 35 3 喻军，龚晓南 考虑顶管施工过程的地面沉降控制数值分析 J 岩石力学与工程学报，2014(33):2605 2610 4 郝晓光 顶管下穿铁路路基变形影响规律及顶进参数分析J 铁路节能环保与安全卫生，2018(3):168 172 5 周晓明 大直径顶管下穿重载铁路路基的变形控制评估研究 J 工作探索，2017(18):15 17 6 吴颖怡 电力浅埋顶管施工引起的地表变形研究 D 广州:广东工业大学，2022 7 张振 超大矩形断面顶管隧洞开挖引起的地表沉降研究 D 郑州:华北水利水电大学，2016 8 孙宇赫 顶管施工岩土环境效应监测与控制技术研究 D 郑州:郑州大学，2016 9 林晓庆 矩形顶管施工对邻近地下管线的影响分析 D 广州:广州大学，2012 10刘营 顶管施工对周围土体扰动范围影响研究 D 郑州:郑州大学，2016 11尚亮 大断面矩形顶管对周围土体及地下管线的影响研究 D 广州:广东工业大学，2020 12 中交第二公路勘察设计研究院有限公司 公路路基设计规范:JTG D302019 S 北京:人民交通出版社，2019 13 中华人民共和国住房和城乡建设部 城市轨道交通工程监测技术规范:GB 509112013S 北京:中国建筑工业出版社，2013 14 湖北省住房和城乡建设部 顶管法管道穿越工程技术规程(湖北省地方标准):DB42/T 13432018 S 北京:中国标准出版社，2018 15 中交公路规划设计院 公路桥涵设计通用规范:JTG D602015 S 北京:人民交通出版社，2015Analysis on pipe jacking construction and pavementdeformation of an electric power tunnel passing through the urban expresswayDeng Haichun，Liao Xiaoping，Chen Min(Wuhan Optical Valley Construction Investment Co，Ltd，Wuhan Hubei 430205，China)Abstract:In order to prevent the subgrade settlement and deformation caused by the pipe jacking construction of power tunnelthrough urban expressway，and seriously affect the operation safety of expressway Combined with the actual project，the tech-nical requirements of design，construction and monitoring of pipe jacking under urban expressway are comprehensively expoun-ded In addition，software of finite element analysis is used to simulate different pipe jacking driving conditions，and the settle-ment deformation of expressway roadbed under various working conditions is comprehensively calculated and analyzed Themaximum settlement deformation is 477 m，which is within the controllable rangeKey words:expressway;power tunnel;pipe jacking;construction monitor;deformation analysis(上接第 77 页)Structure design and finite element analysis of flexible gate frame columnMeng Jixiang(China Shipbuilding NDI Engineering Co，Ltd，Shanghai 200063，China)Abstract:The calculation of the reinforced concrete box-shaped gate frame column for the flexible gate is usually carried out byapplying mass and load equivalence of upper steel truss door girder to the top of the column However，such simplified calcula-tions require a manual review and do not reflect the actual stress condition of the mixed structure By establishing the structuralmechanics model of the integral gate frame，the deformation and cross section of the gate frame column were checked by combi-ning with the relevant specifications，and the calculated area of longitudinal steel bar for gate frame column was presented Thecalculated area roughly matched the reinforced area calculated according to stress in the finite element analysis model This paperprovided a reference for the structural design of flexible gate frame columns in painting workshops and large-span workshopsKey words:gate frame column;structural mechanics model;deformation;cross section checking;finite element analysis89第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑