頂管施工地下管線破壞控制范文

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《廣州建筑雜志》2014年第二期

1數(shù)值模擬

1.1基本假定文獻(xiàn)表明，在管徑不大時(shí)，地下管線的運(yùn)動(dòng)軌跡與周圍土體的運(yùn)動(dòng)軌跡十分接近。當(dāng)然，對(duì)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(duì)土體大得多，有可能產(chǎn)生土體與管線分離現(xiàn)象。然而，在頂管工程中不允許產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)，土體位移相對(duì)較小，因此可以認(rèn)為假定管線與周圍土體始終緊密接觸不會(huì)對(duì)研究結(jié)果造成太大的影響。基于以上分析，對(duì)于地下管線的假定如下：（1）地下管線為均質(zhì)，沿長(zhǎng)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(fā)生相對(duì)滑動(dòng)或發(fā)生脫離。

1.2計(jì)算模型計(jì)算模型頂管機(jī)盾殼長(zhǎng)4.5m，管道斷面尺寸6m×4.3m，混凝土管壁厚度0.5m，每節(jié)長(zhǎng)度1.5m，通道長(zhǎng)43.5m，地下管線與頂管隧道中心距5.7m。根據(jù)有限差分試算結(jié)果，實(shí)際計(jì)算模型尺寸為25m×60m×32m，模型網(wǎng)格如圖2所示:

3.3計(jì)算參數(shù)的選取計(jì)算時(shí)，采用的計(jì)算參數(shù)和原則如下：（1）根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，模擬計(jì)算采用的土層參數(shù)見表1。（2）該矩形頂管機(jī)為曲軸雙矩型刀面，為方便計(jì)算，取頂管機(jī)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(jìn)力，近似采用矩形均布荷載；同時(shí)，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(jié)構(gòu)單元來模擬矩形管節(jié)。（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(duì)應(yīng)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(jìn)行模擬。

2結(jié)果分析

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

2.2管線周圍土體應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)圖5表明，頂管施工引起管線周圍土體應(yīng)力發(fā)生變化，靠近開挖面土體應(yīng)力明顯小于遠(yuǎn)離端土體的應(yīng)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(shí)地層運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)鄰近管線產(chǎn)生不均勻沉降，容易引起管段的應(yīng)力增加或接頭轉(zhuǎn)角增大，故應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧瑴p小對(duì)土體的擾動(dòng)。

2.3地下管線的應(yīng)力分布如圖7~10所示，地下管線的受力情況為三維應(yīng)力狀態(tài)，頂管通過后管線軸向應(yīng)力遠(yuǎn)大于其側(cè)向水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力，且管段主應(yīng)力、軸向應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在管道中心正上方處，其中最大拉壓應(yīng)力分別出現(xiàn)在管底和管頂?shù)奈恢茫^大的拉伸或擠壓作用會(huì)造成管線接頭松動(dòng)導(dǎo)致滲漏甚至脫開。

2.4管底軸向應(yīng)力隨頂進(jìn)的分布情況如圖11所示，頂管通過管線前后時(shí)，管底壓應(yīng)力區(qū)逐漸增大，而且管底拉壓應(yīng)力區(qū)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(chǎn)生土體損失，頂管周圍土體要向管道移動(dòng)，此時(shí)管線底部土體開始產(chǎn)生沉降，提供的土體反力減小，導(dǎo)致管線受到上部附加壓力作用產(chǎn)生附加應(yīng)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(shì)，而管線的變形越大，產(chǎn)生的附加應(yīng)力也越大，圖中表明L從-4.5m到4.5m變化時(shí)，管底軸向最大拉應(yīng)力分別為1.3MPa、7.38MPa、25.1MPa，而軸向最大壓應(yīng)力的分布如下：當(dāng)L=-4.5m時(shí)位于管端x=23.16m處，其取值為0.427MPa；L=0、4.5m時(shí)，位于x=6.02m處，其取值分別為2.3MPa、8.84MPa，以上數(shù)據(jù)表明，隨著頂管開挖的進(jìn)行，離頂管軸線越近管段的應(yīng)力變化越快，而且管底軸向最大拉應(yīng)力的增加量遠(yuǎn)大于軸向最大壓應(yīng)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(tài)分布，如圖12~13所示，地下管線的最大位移出現(xiàn)在頂管軸心上方，因管線的水平位移和縱向位移相對(duì)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(duì)剛度以及頂管開挖在管線平面處產(chǎn)生的土體變形有關(guān)。

2.6頂管施工地下管線的破壞模式分析頂管開挖導(dǎo)致周圍土體應(yīng)力釋放，打破了原有的力學(xué)平衡，致使地層產(chǎn)生沉降與變形，從而對(duì)鄰近地下管線產(chǎn)生影響。當(dāng)其應(yīng)力和變形達(dá)到一定值時(shí)，管線就可能產(chǎn)生泄漏，甚至結(jié)構(gòu)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(yīng)力作用下出現(xiàn)裂縫，甚至發(fā)生破裂而喪失工作能力。（2）管段完好，但管段接頭轉(zhuǎn)角過大，接頭不能保持封閉狀態(tài)而發(fā)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(shí)發(fā)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(yīng)力較其它應(yīng)力大，故縱向應(yīng)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(gòu)造，當(dāng)變形過大時(shí)，管線就會(huì)發(fā)生破壞，因此構(gòu)造破壞也是必須考慮的。

3關(guān)鍵技術(shù)措施

以上分析表明頂管施工引起的地下管線的位移和應(yīng)力變化是三維動(dòng)態(tài)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(dòng)，保護(hù)工程沿線地下管線的安全，是保證工程順利進(jìn)行的關(guān)鍵，結(jié)合本工程實(shí)際情況，主要采取了如下關(guān)鍵技術(shù)措施。

3.1全自動(dòng)糾偏控制技術(shù)矩形管節(jié)在頂進(jìn)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)因左右側(cè)頂進(jìn)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(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)，引起地層擾動(dòng)。為了克服左右偏差，掘進(jìn)機(jī)配備了左右對(duì)稱的糾偏千斤頂，并在機(jī)頭前方位置安裝了兩組橫向伸出的側(cè)翼，發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)時(shí)伸出側(cè)翼可以克服掘進(jìn)機(jī)扭轉(zhuǎn)。另外本工程通過采用高性能PLC處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了頂管機(jī)掘進(jìn)過程中信息采集、反饋、指令、設(shè)定、顯示等快速傳遞和網(wǎng)狀連鎖控制，使頂管機(jī)及其掘進(jìn)過程保持在可控狀態(tài)。

3.2注漿系統(tǒng)頂進(jìn)施工中，運(yùn)用觸變泥漿是為了減少掘進(jìn)機(jī)、管節(jié)與土層的摩阻力，使機(jī)體外殼及管節(jié)外殼形成完整的減摩漿液薄膜，有效地減少頂進(jìn)阻力，確保施工正常進(jìn)行。（1）注漿孔布置在每節(jié)管的前端布置觸變泥漿注漿孔，如圖14所示，數(shù)量為10個(gè)，上下布置6個(gè)，左右布置4個(gè)。圖14標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)注漿孔布置圖（2）注漿工藝在矩形頂管機(jī)前后段周邊設(shè)有觸變泥漿孔，頂進(jìn)時(shí)能及時(shí)填充頂管機(jī)外殼與土體間的環(huán)形空隙，防止土體坍塌而裹住頂管機(jī)，邊頂邊壓，停頂補(bǔ)漿；在機(jī)尾后的3個(gè)管節(jié)設(shè)置觸變泥漿孔，頂進(jìn)時(shí)不間斷壓漿；以后每隔2～4節(jié)管設(shè)置一道，頂進(jìn)時(shí)間斷補(bǔ)漿。壓漿原則：“先注后頂、隨頂隨注、及時(shí)補(bǔ)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(duì)管密封是非常重要的施工環(huán)節(jié)，矩型管節(jié)對(duì)管時(shí)若沒有較好的定位措施，對(duì)接不好會(huì)損壞密封圈，造成管縫漏水、漏漿，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(duì)管時(shí)需有專人監(jiān)控，等周邊密封圈進(jìn)入鋼環(huán)時(shí)才能緩慢推進(jìn)，同時(shí)要觀察密封圈的完整性，不能有損壞，如圖15，否則更換管節(jié)。

4結(jié)論

頂管施工引起的地下管線的位移和應(yīng)力變化是三維動(dòng)態(tài)變化的，地下管線的最大位移、軸向最大應(yīng)力值都出現(xiàn)在管道中心正上方處，其變形的大小與管線和土體相對(duì)剛度以及土體變形有關(guān)。過大的拉伸或擠壓作用會(huì)造成管線接頭松動(dòng)導(dǎo)致滲漏甚至脫開，首要考慮的情況是縱向應(yīng)力屈服，其次是構(gòu)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(dòng)，進(jìn)而保護(hù)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(yè)學(xué)院