MJS不同加固方式对降低顶管施工影响的效果分析.pdf

第40 卷第5期2023年9 月引用本文：张双苗，高桂庆，赖金星，等.MJS不同加固方式对降低顶管施工影响的效果分析LJ.建筑科学与工程学报，2 0 2 3，40（5）：18 3-19 1.ZHANG Shuangzhuo,GAO Guiqing,LAI Jinxing,et al.Analysis of effect of different reinforcement methods of MJS on reducing impact ofpipe jacking constructionLJJ.Journal of Architecture and Civil Engineering,2023,40(5):183-191.D0I:10.19815/j.jace.2021.12101MJS不同加固方式对降低顶管施工影响的效果分析张双茁1，高桂庆.3，赖金星，张健伟，邱军领（1中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430 0 6 3；2 长安大学公路学院，陕西西安7 10 0 6 4；3.广西交科集团有限公司，广西南宁530 0 0 7)摘要：基于西安市某下穿箱涵的管廊工程，建立管廊-土-箱涵有限元模型，探究在该工程中采用的水平旋喷桩（MJS)水平竖向组合加固工法对降低顶管施工过程的影响效果；建立不同桩距的2 种水平桩工况，通过对不同工况下顶管在顶进过程中既有箱涵受力、变形以及相应地表沉降的不同变化进行分析，研究桩密度增加后对加固效果的影响；将数值模拟中采用组合加固后4个断面的地表沉降与在施工过程中对地表实际监测得到的地表沉况降规律进行了比较。结果表明：采用MJS水平竖向桩组合加固方式能有效降低顶管施工过程中既有箱涵因顶管施工而产生的变形、内力以及相应的地表沉降；增加水平桩的数量并把桩间距减小50%时对加固效果的提升并不明显，故在实际工程中要合理设计桩的数量与间距并对桩的位置进行合理搭配；地表沉降数值模拟结果和实际监测结果的大小与趋势都十分相似，验证了数值模拟的准确性。关键词：地下工程；矩形顶管；数值分析；水平旋喷桩；加固中图分类号：TU311Analysis of effect of different reinforcement methods of MJS onreducing impact of pipe jacking constructionZHANG Shuangzhuo,GAO Guiqing3,LAI Jinxing”,ZHANG Jianwei?,QIU Junling(1.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,Hubei,China;2.School ofHighway,Changan University,Xian 710064,Shaanxi,China;3.Guangxi Transportation Science andAbstract:Based on a pipe gallery project that passed through a box culvert in Xian city,a finiteelement model of pipe gallery-soil-box culvert was established to explore the effect of thehorizontal and vertical combination reinforcement method of horizontal rotary jet grouting pile(MJS)used in the project on reducing the impact of pipe jacking construction process.Twohorizontal pile conditions with different pile spacing were established,and the different changes inthe force,deformation,and corresponding surface subsidence of the existing box culvert duringthe jacking process of the pipe under different conditions were analyzed to study the impact ofincreasing pile density on the reinforcement effect.A comparison was made between the surfacesubsidence patterns of four sections after combined reinforcement in numerical simulation and the收稿日期：2 0 2 1-12-30基金项目：国家重点研发计划项目（2 0 18 YFB2100905）；陕西省重点研发计划项目（2 0 2 0 SF383）；铁四院科学技术研究项目（2 0 2 0 K117-1）作者简介：张双苗（19 8 1-），男，工学博士，高级工程师，E-mail：2 8 2 8 56 7 12 1q q.c o m。通信作者：邱军领（19 8 9-），男，工学博士，讲师，硕士生导师，E-mail：8 7 0 13359 7 q q.c o m。建筑科学与工程学报Journal of Architecture and Civil Engineering文献标志码：ATechnology Group Co.,Ltd.,Nanning 530007,Guangxi,China)Vol.40No.5Sept.2023文章编号：16 7 3-2 0 49（2 0 2 3)0 5-0 18 3-0 9184actual monitoring of the surface during construction.The results show that the scheme of usingMJS horizontal and vertical pile combination reinforcement can effectively reduce thedeformation,internal force,and corresponding surface subsidence of existing box culverts causedby pipe jacking construction during the pipe jacking construction process.Increasing the numberof horizontal piles and reducing the pile spacing by 50%does not significantly improve thereinforcement effect.Therefore,in practical engineering,it is necessary to design the numberand spacing of piles reasonably and match their positions reasonably.The numerical simulationresults of surface subsidence and the actual monitoring results are very similar in value and trend,verifying the accuracy of the numerical simulation.Key words:underground engineering;rectangular pipe jacking;numerical analysis;MJS;rein-forcement建筑科学与工程学报2023年0 引 言矩形顶管技术所需劳动力少，施工速度快且空间利用率高，对周围环境影响小，在城市地下空间施工中可被广泛运用 1-6 。然而实际运用中与其他工程一样，还面临着不少问题，例如如何减少施工过程对周围地层、上覆路面、周围构筑物的扰动等 7-10 。目前的研究手段主要包括理论分析、模型试验和数值模拟3种。易丹等 11 通过数值模拟得到了矩形顶管上跨地铁隧道时地铁的变形规律。许有俊等 12-14 研究了受顶管施工扰动后的固结沉降并给出超孔隙水消散后固结沉降计算公式。高毅等 151得出整体背土效应与顶程、管节宽度、管土摩阻力以及埋深的相互关系。对既有构筑物采取适当的加固措施，可减轻矩形顶管施工的影响，在多种加固措施中，水平旋喷桩(MJS)工法便是其中一种 16 。张志勇等 17 阐述了超深MJS地基加固施工过程中的技术管理要点。邵晶晶等 18 介绍了MJS工法在上海地区某邻近地铁车站超深基坑工程中的应用情况 14。叶琪等 19-2 0 阐述了MJS施工原理，并介绍了其运用于宁波地区的实例。张品等 2 1监测MJS的施工过程，获得了对周围地层、既有隧道的影响规律 16 。陈仁朋等 2 2 研究了MJS加固盾构下穿既有隧道的案例。可见目前关于矩形顶管施工与MJS工法都已经有了一定的研究 18-2，但其发展仍不够完善。在矩形顶管施工中采用MJS工法进行加固的相关研究依然不足。本文以西安市某管廊顶管施工下穿既有皂河箱涵为背景，建立了管廊-土-箱涵三维有限元模型，研究矩形顶管下穿既有箱涵时采用MJS水平竖向桩组合加固工法加固后既有箱涵的内力、位移以及地表沉降的变化规律。1工程概况西安市某管廊项目下穿既有箱涵（图1)，顶管全长7 3.5m，为双通道四舱矩形结构，矩形顶管设计管节尺寸为7.2 5mX4.2m，每节长度1.5m；顶板、两侧墙厚度为0.6 m，底板厚度为0.6 5m。局部下穿段最深12.5m。箱涵为双孔箱涵，结构总宽17.0m，总高7.1m，顶部覆土约2.5m。既有箱涵既有849箱涵顶管管廊施工区域图1既有箱涵与管廊项目相对位置Fig.1 Relative position of existing box culvert andpipe gallery project由于既有箱涵为暗涵结构，截面大、埋深深，综合管廊布置方案及施工方法对其影响较大。为保证上覆既有箱涵的安全运行，同时满足综合管廊建筑需要，采用顶管法进行施工较为合适。水平桩加固区如图 2 所示。2模型建立2.1计算模型应用MIDAS/GTS建立三维模型，如图3所示，由此得到了施工过程中既有箱涵的内力、位移响应与地表位移特征。模型宽度为54m，为了满足顶管覆土要求，确定模型高度为30 m，同时取顶管顶进贯通距离长度39 m，即模型几何尺寸为54mX设计地面既有箱涵综合管廊顶管段17.00m第5期张双茁，等：MJS不同加固方式对降低顶管施工影响的效果分析185既有箱涵既有皂河箱涵3管廊矩形顶管MJS水平桩矩形顶管(a)模型平面图既有皂河箱涵水平桩弱加固区水平桩加固区(b)水平桩面图水平桩皂河箱涵皂河箱涵u80弱加固区水平加固区综合管廊顶管段始发井始发井(c)加固区平面图(d)加固区纵面图图2水平桩加固区Fig.2Horizontal pile reinforcement area竖向桩既有箱涵(b)水平相对位置地表又水平桩顶管施工方向52管廊3+39m54m(c）纵断面相对位置(a)有限元模型Fig.3Three-dimensional finite element analysis model图3三维有限元分析模型18639m（顶进距离）30 m。本模型中采用位移边界条件，模型除了地表面为自由面外，其余5个面均施加法向位移约束。有限数值分析时需要将实际工程材料进行合理简化，从而使模拟能够顺利进行且结果与实测结果吻合。本文将顶管掘进机机壳、排水材料厚度/m填土1.20黄土状黏土7.30古土壤2.50黄土7.00粉质黏土12.00管节0.60MJS加固桩顶管机壳箱涵注浆层2.2顶管施工模拟模型建立主要包括材料属性定义、几何模型建立、网格划分、荷载及边界条件设置、施工阶段及分析工况确定，后3个步骤较为关键，说明如下：(1)初始应力场模拟。本文中土体初始应力只考虑自重，不考虑初始状态下的位移状态。(2)顶推力模拟。顶管施工主要依靠千斤顶提供顶推力，为简化计算，取开挖面前方中心点处的静止水土侧压力值，视为均匀分布在开挖面土体上的面荷载。(3)摩阻力模拟。顶管顶进过程中会产生摩阻力，掘进机机壳和管节都会对周围土体造成剪切扰动。将其视为均匀分布在顶管管壁和掘进机机壳侧面的剪切力，管节摩阻力为3kPa，机头摩阻力为15kPa(图 4)。（4)掘进机机壳和管节模拟。以实体单元模拟管节，尺寸为0.6 m。掘进机机壳与周围土体单元相连接，通过MIDAS/GTS的单元析取功能实现，采用板单元进行模拟。(5)顶管施工阶段模拟。顶管开挖和管节顶进同步进行，是一个连续过程，本文将其简化为每一开挖长度为1.5m，通过激活或钝化相关网格组、荷载组和边界组来模拟整个顶进过程，具体过程（图5)如下：初始地应力场平衡，设置排水箱涵和加固土施工，然后进行位移清零；开挖面施加均布力作为支护压力，钝化开挖土单元，激活掘进机机壳单元、机壳摩阻力，重复以上步骤，直至开挖结束；开挖建筑科学与工程学报箱涵和注浆层简化为二维板单元，土体和顶管管节简化为三维实体单元，水平桩和竖向桩均采用植人式梁单元模拟，土采用修正摩尔-库仑本构，其余采用弹性本构，不考虑地下水的影响。结合工程实测，将模型中各参数列出，如表1所示。表1地层及结构参数Table 1SStratigraphic and structural parameters重度/(kNm-3)内摩擦角/()18.518.018.320.218.525.019.019.019.519.578.524.00.0578.50.7023.00.0517.02023年黏聚力/kPa泊松比10.00.3010.10.3015.00.2514.00.3018.00.250.200.200.300.200.20初始原状并挖王体(a)原状土矩形顶管管节注浆压力摩阻力支护力(c)注浆压力模拟图4管节施工模拟Fig.4Pipe section construction simulation3m扰动土体管节掌子面支护力减阳注聚闲图5顶管施工Fig.5Pipe jacking construction至4.5m后，钝化掘进机机壳单元，激活顶管管节单元、管节摩阻力、注浆压力；重复第步操作，每次掘进1.5m，直至顶管隧道贯通（总共开挖39 m）。弹性模量/MPa15.014.130.018.030.035000.0400.0206000.035500.0400.0矩形顶管管节开挖土体摩阻力支护力(b)顶进阶段(d）界面单元添加第5期2.3模拟MJS工法加固效果为研究顶管施工过程中MJS工法对既有箱涵稳定性的影响，建立未采取加固措施、只采用5根水平桩加固、采用10 根水平桩加固（间距减小50%）、采用水平竖向桩U形”组合加固4种工况，如图6所示。通过所建立4种工况的模型，主要分析加固前后既有箱涵的受力与变形情况，着重分析各工况下既有箱涵的受力、位移和地表沉降，研究MJS不同的工法对减小顶管施工影响所能起到的效果。以期为后期类似工程优化支护措施，保证顶管施工安全稳定提供借鉴。张双茁，等MJS不同加固方式对降低顶管施工影响的效果分析187编号34编号1图7 点位顺序方向Fig.7(Order direction of point position8r未加固水平竖向桩组合5根水平桩：10 根水平桩2(a)未加固(b）采用5根水平桩加固(c）采用10 根水平桩加固(d）水平竖向桩组合加固图6 4种工况示意图Fig.6 Schematic diagram of four conditions3结果分析本文对比4种工况下既有箱涵应力大小、位移与地表沉降的变化，分析MJS不同施工方法能起到的加固效果。3.1既有箱涵受力分析箱涵最大主应力受顶管施工影响最大的部位发生于箱涵底部。在箱涵底部右缘选取34个点位提取箱涵最大主应力进行分析，点位顺序方向如图7所示。提取出的最大主应力如图8 所示。由图8 可知，4种工况下最大主应力的分布规律一致，接近管廊上方的3、4号点位与管廊上方部分应力值较高，但箱涵上方部分应力值较低，故会出现应力集中现象，在实际施工时要对该部位进行受力监测，避免受力过大造成破坏。由图8 还可知，除水平竖向桩组合加固工况外，0Fig.8Max principal stress at right edge of bottom plate其他工况下提取的曲线基本贴合。说明组合加固能有效降低既有箱涵受到的最大主应力，在10 号点位前各点的最大主应力值波动较大，在其之后相对平缓，但仍存在波动。采用组合加固对最大主应力的降低效果最大可达6 8 47.2 5kPa，占加固前该点最大主应力值的9 4.2 2%。对于只采用5根水平桩与10根水平桩这2 种工况，曲线在各点位上均贴合，说明2 种工况对最大主应力的加固效果一致，说明增加桩数量并减小桩距对减小既有箱涵所受的最大主应力作用不大。由模拟结果可知，既有箱涵剪应力与最大主应力的分布相似，剪应力最大的发生部位也与最大主应力相同。因此在与图7 相同的点位上提取箱涵的剪应力，分析各工况对既有箱涵剪应力的减小值，如图9 所示。由图9 可知，3种加固措施对剪应力影响较明显。与其他工况相比，水平竖向桩组合加固能明显降低既有箱涵受到的剪应力，与未加固前相比最大降低2 9 7 1.41kPa，占加固前相同点位的90.81%。对于只采用5根水平桩与10 根水平桩这2种工况，曲线在各点位上的数值相近，说明2 种工况对最大主应力的加固效果一致，增加桩数量并减小桩距对减小既有箱涵所受的剪应力作用不大。5图8 底板右缘最大主应力1015点位20253035未加固1883.8r3.22.62.01.40.80.25Fig.9Shear stress at right edge of bottom plate3.2既有箱涵位移分析以靠近管廊施工的箱涵底板为对象分析既有箱涵在管廊施工时的竖向位移,提取点位序号如图10所示，提取4种工况的竖向位移如图11所示，负值表示箱涵发生沉陷。图10 底板竖向位移提取点位Fig.10Extraction point of vertical displacement of/一5-9-110Fig.11Vertical displacement of bottom plate水平竖向桩组合加固对既有箱涵竖向位移的控制效果较好，与未采取加固措施时相比降低均在60%以上，最大降低9.39 mm，优化效果达88.92%。只采用水平桩的2 种工况加固效果相近，位移降低值约为采用水平竖向桩组合加固时所达到效果的一半。水平位移在Y方向与X方向发生的位移变化量相比很小，故用X方向的位移变化量分析对箱涵建筑科学与工程学报水平位移的改善效果是可行的。选取受影响最大的部位提取点位进行研究，提取点位的序号如图12 所示，提取的水平位移如图13所示，正值表示沿着顶未加圈管顶进的方向发生变形。水平竖向桩组合5根水平桩10根水平桩510152025303540点位图”底板右缘剪应力顶板123456721bottom plate5点位未加固：10 根水平桩-5根水平桩一水平竖向桩组合图11底板竖向位移2023年123456720191817161514图12 腹板水平位移提取点位Fig.12Extraction point of horizontal displacement of web8r6/0Fig.13Horizontal displacement of web由图13可知，加固前后箱涵的水平位移分布规律基本一致，各曲线发生起伏的点位均一致。采用水平竖向桩组合加固后，与未加固时相比各点的水平位移降低达6 5%，最高降低值达3.7 6mm，占相同点位加固前的6 8.36%。由图13还可看出，水平桩数量增加后，水平位移值与只采用5根水平桩时相比降低值平均每个点位能增加50%，说明在水平桩的数量增加且间距减小时箱涵水平位移1015水平竖向桩组合5根水平桩10根水平桩510点位图13腹板水平位移的约束效果更加明显。3.3地表沉降分析仅由箱涵得到的施工影响并不完善，故在模型中提取管廊正上方地表的2 1个点位沉降数据进行分析，点位序号如图14所示，提取结果如图15所示，正值表示地表发生隆起，负值表示发生沉降。由图14、15可以看出，加固后的各工况在箱涵上方附近的地表沉降与加固前无明显变化，说明箱涵的存在会影响MJS工法加固对地表沉降的改善效果，以至于箱涵上方选取的地表点位位移值在各工况下大小都相近。除箱涵上方地表外，其余选取点位的地表沉降1520第5期张双茁，等：MJS不同加固方式对降低顶管施工影响的效果分析189断面2断面1(DB2-112)(DB3-110)(DB1-112)招发#断面3断面4(DB4-19)(DB5-18)断面5井4图16测点布置Fig.16Layout of measuring points05u/2图14地表沉降提取点-10Fig.14Extraction point of surface subsidence3020100-10-20-30-40-506050图15地表沉降模型计算结果Fig.15Calculation results of surface subsidence model值均有明显变化。组合加固对大部分地表沉降的优化效果较好，与未加固时相比地表沉降变化值最大在2 号点位（始发井附近），达6 7.37 mm，与其他工况均为沉降相比，组合加固工况下地表均为隆起，说明竖向桩的存在会使地表隆起。组合加固与5根水平桩加固相比，优化效果随着与箱涵的距离增加而减小。将水平桩的间距减小并增加桩数时，加固效果并没有增加，所提取出的2 条曲线贴合，说明桩数的增加与桩间距的减小并不能对地表沉降起到更好的控制效果。4地面沉降数据监测试验测点布置如图16 所示。将4组监测断面的实际监测数据与数值模拟结果进行对比（图17），分析数值模拟结果的准确性。由图17 可知，顶管施工的地表沉降实测数据与模拟结果趋势基本吻合，数值大小也相近。由于施工通过后土体固结会导致地表沉降继续增大，模拟中未考虑土体固结引起的位移变化，所以实测结果比模拟所得的结果偏大。总体而言，数值模型能够-15-20-2515-10箱涵上方区域未加固水平竖向桩组合5根水平桩10根水平桩1020点位实测值模拟值-5距中点距离/m(a)DB10一230一6一8-10-12150uu/2一5-10-1510一2 0一2 5-30-3515图17地表沉降模拟值与实测值对比Fig.17Comparison of simulated and measuredsurface subsidence5实测售模拟值-10一5距中点距离/m(b)DB2实测值模拟值-10-5距中点距离/m(c)DB3-10-5距中点距离/m(d)DB5100515051510151015实测值模拟值1015190真实反映地表沉降变化，与实测结果基本一致。5结语(1)通过数值模拟得到上覆既有箱涵在顶管施工过程中内力、位移的变化分布，由此得出箱涵在施工过程中可能会发生应力集中或变形较为严重的部位，提前进行加固处理。(2)通过有限元对比分析采用MJS水平竖向桩组合加固前后既有箱涵的受力、位移变化及地表位移，证实该组合加固能降低顶管施工的影响。上覆既有箱涵所受最大主应力、剪应力、竖向位移、水平位移在加固后最多可分别减小9 4.2 2%、9 0.8 1%、88.92%、6 8.36%，地表沉降也得到大幅控制，组合加固后的地表沉降由原来的沉降变成了隆起，加固效果显著。(3)通过只采用水平桩的2 个工况对比分析了桩间距减小且桩数量增加时的加固效果，结果表明减小桩距并增加桩数量不能使加固效果增加,所以在实际工程中要合理设计桩与桩的间隔距离。（4)对比分析了4个断面的地表沉降实测数据与数值模拟结果，实测与模拟曲线基本吻合，验证了模型的准确性。参考文献：References:1彭立敏,王哲，叶艺超，等.矩形顶管技术发展与研究现状 J.隧道建设，2 0 15，35（1）：1-8.PENG Limin,WANG Zhe,YE Yichao,et al.Techno-logical development and research status of rectangularpipe jacking methodJJ.Tunnel Construction,2015,35(1):1-8.2 黄章君，杨艳玲，汤东桑，等.大尺寸矩形顶管始发井反力墙数值模拟与监测J.隧道建设（中英文），2020,40(7):972-980.HUANG Zhangjun,YANG Yanling,TANG Dong-sang,et al.Numerical simulation and monitoring ofreaction wall of launching 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