第３期（总第１ ５９期） ２０１２年６月 中国－ｉ｝放ｚ ＣＨＩＮＡ ＭＵＮＩＣＩＰＡＬ ＥＮＣＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｎｏ．３（Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．１５９） Ｊｕｎ．２０１２ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４－４６５５。２０１２．０３．０２２ 大直径泥水式顶管施工参数的数值分析 王新 （上海市城市建设设计研究总院，上海２００１２５） 摘要：大直径泥水式顶管的施工参数选择不当将严重影响周边环境的安全。为探究各施工参数的影响程度，借助数值 分析软件建立初始模型对顶管施工进行数值模拟，并通过控制变量对顶管施工的覆土深度、泥水压力、管径等参数进行 影响因素分析。分析结果表明：随覆土深度的增加，地表沉降量逐渐减小。但当覆土＞１．６０（１Ｄ＝２．８ １ＴＩ），地表最大沉 降变化不大；开挖面稳定的前提下，减少泥水压力更利于地表变形控制；随着开挖直径的增大，地表最大沉降呈增加趋 势，而轴线２Ｄ外出现较明显的隆起并逐渐增大；结构稳定前提下，管节厚度对地表沉降造成的影响不明显。 关键词：泥水式；顶管施工；数值模拟；参数分析 中图分类号：ＴＵ４５５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００４—４６５５（２０１２）０３—００６２—０４ 近年来，为满足大城市输水需求，大直径地下输 水管道修建得越来越多。随着浅埋暗挖技术的不断 进步，泥水式顶管工法在地下管道的铺设中逐渐得到 应用。作为一种非开挖技术，泥水式顶管工法具有开 井 挖面稳定、机械化和自动化程度高、对周围土体和建 筑物影响小、掘进速度快等优点 Ｊ。然而当地质环境 较复杂，顶推力、泥水压力等施工参数设计不当时，泥 水式顶管施工可能造成严重的地表隆起或沉降。因 此，研究泥水式顶管各施工参数对周边环境的影响有 重要的意义。 本文基于广州市某引水工程标段，借助数值手段 对泥水压力、覆土厚度、管径、管厚等影响因素分别进 行分析，探寻施工参数对地表沉降的影响规律，供相 似工程借鉴。 １ 工程背景 广州市某引水工程十七标段顶管段管线位于华 南快速高架桥南侧（见图１），向东至与南北向的机场 高速公路交接处，沿机场高速公路西侧往北约４．９ ｋｍ 处，再向西转折进入江村水厂，沿线整体地形平坦开 阔。本标段共包括顶管井５座，井编号为Ｊ３～Ｊ７，均采 用沉井方式施工。本文取Ｊ６～Ｊ７标段进行研究，该标 段采用ＤＮ２８００套管顶管后内敷设ＤＮ２４００钢管的施 工方案。 收稿日期：２０１１—０８—１７ …印卜 卜蒋 … 作者简介：王新（１９８４一），男，工学硕士，主要从事地下结构工 程设计及相关科研工作。 ６２ ． 中国彳放ｚ 王新：大直径泥水式顶管施工参数的数值分析 工的仿真。 ２０１２午第３期 随着覆土的增加，地表最大隆起值逐渐减少；当 覆土＞４．５ ｍ（１．６Ｄ），这时施工造成的地层扰动使其 图７为不同管径下工具管远离６６ ｍ时Ｙ＝２１ ｍ 上部形成了塌落拱，应力和位移不能传递到地表，造 成地表最大沉降值变化较小。 ３．２泥水压力 处地表沉降曲线。从图７中可见，当管径为１．２ ｍ时， 地表横向均呈现沉降；当管径为２．０ ｍ时，隧道轴线处 基于初始模型，改变泥水压力分别为０．４５、０．３５、 ０．２５、０．２０ ＭＰａ，其他参数不变，在此基础上完成顶管 沉降加大，远离隧道轴线处有少量的隆起；当管径为 ２．８ ｍ时，隧道轴线处沉降进一步加大，远离隧道轴线 处隆起较明显，最大隆起值约为最大沉降值的５０％； 当管径为４ ｍ时，隧道轴线处沉降不再增加，远离轴 隧道施工的仿真。 图６为不同泥水压力下工具管远离６６ ｍ时Ｙ＝ ２１ ｍ处地表横向沉降曲线。从图６中可见，泥水压力 的增大使得一５～５ ｍ（一１．８～１．ＳＯ）的范围内地表横 向沉降有较明显的变化。泥水压力的增大将会使工 具管前方土体造成明显隆起，进而使得其后方土体产 生较明显的沉降。 ｇ ｇ ＼ 遴 蟋 距离Ｌ／ｍ 泥水压力／ＭＰａ ｂ）地表最大沉降与泥水压力关系 图６不同泥水压力Ｙ＝２１ ｍ处地表沉降 从最大沉降上看，泥水压力从０．２ ＭＰａ增加至 ０．２５ ＭＰａ，最大沉降量增加了１３％；泥水压力从 ０．２５ ＭＰａ增加至Ｏ．３０ ＭＰａ，最大沉降量增加了１１％； 泥水压力从０．３５ ＭＰａ增加至Ｏ．４５ ＭＰａ，最大沉降量 增加了３．７％。由此可见，在能够保证开挖面整体稳 定的前提下，较小的泥水压力有利于地表沉降的控制 （可控制在主动土压力的１．１４倍左右 ）。 ３．３管径 基于初始模型，将整个模型土质设定为Ｌ３层。 改变开挖直径分别为１．２、２．０、２．８、４．０ ｍ，隧道的中 心埋深及其他参数不变，在此基础上完成顶管隧道施 ６４ 线处的隆起进一步增加，此时最大隆起值约是最大沉 降值的１．２倍，且发生在轴线外２Ｄ处。 ４ ｇ １ ０ 粪 －４ 距离 ／ｍ ａ】地表横向沉降 直径／ｍ ｂ）地表最大沉降与管径关系 图７不同管径下Ｙ＝２１ ｍ处地表沉降曲线 由于开挖直径的增大，同时造成了上覆土的减 少，所以最大沉降值变化越来越少。当开挖直径增大 到一定水平，此时造成地表变形主要原因已经不是开 挖直径的变化，而是覆土深度的影响。 ３．４管厚 基于初始模型，只改变隧道的结构厚度，其他参 数不变，在此基础上完成顶管隧道施工的仿真。 图８为不同结构厚度下工具管远离６６ ｍ时 Ｙ＝２１ ｍ处地表沉降曲线。从图８ａ）中可见，地表 横向受结构厚度影响较明显的区域为一２～２ ｍ；结 构厚度的增加并没有使得地表沉降产生较明显的 变化。 随结构厚度的增加，地表最大沉降逐渐减少，但 是减少的量值并不是很大，以此说明结构厚度对地表 沉降造成的影响很少。 中国 跋２柱 王新：大直径泥水式顶管施工参数的数值分析 ２０１２年第３期 ０ 二２ ３二４ ５ ６ ７ ８．二二９ 一Ｏｌ 一２）不同泥水压力下地表横向沉降影响范围为 一５—５ １ＴＩ（一１．８～１．８Ｄ）。开挖面稳定时，地表沉降 量 吕 随泥水压力的增大而加大。在能够保证开挖面整体 ＼ 鞋 稳定的前提下，减少前方的泥水压力较有利于地表沉 ；ｓ 降的控制。一般泥水压力可控制在主动土压力的 １．１４倍左右。 距离Ｌ／ｍ ３）随着开挖直径的增大，地表最大沉降呈增加趋 ａ）地表横向沉降 势，而轴线２Ｄ外出现较明显的隆起并逐渐增大。当 开挖直径增大到一定水平，此时造成地表变位主要原 因已经不是开挖直径的变化，而是覆土深度的影响， ｇ ｇ 地表的横向沉降曲线也与不同覆土下的沉降曲线 ＼ 澄 相似。 ４）随结构厚度的增加，地表沉降有微量变化。结 构稳定前提下，结构厚度对地表沉降造成的影响不 明显。 臀厚／ｍｍ ｂ）地表最大沉降与管厚关系 ５）除上述影响因素外，顶管的顶推力、管壁摩擦 图８不同管厚下Ｙ＝２１ ｍ处地表沉降曲线 力、注浆量及注浆压力等对周边环境也会产生较明显 综上所述，顶管覆土深度、泥水压力、管径对周边环 的影响，在以后的工作中作者将做进一步的研究。 境的影响较为明显，而在保证结构稳定的前提下，管节 厚度的增加并不能明显减少施工对周边环境的影响。 参考文献： ４结语 ［１］傅德明，楼如岳．泥水平衡顶管施工及参数研究［Ｊ］．岩石力学与工 程学报，２００３（增１）：２４９３—２５０１． １）当覆土＜２．８ ｍ（１Ｄ）时，隧道周围土体成整体隆 ［２］周维垣．高等岩石力学［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，１９８９． 起状态。当覆土＞４．５ ｍ（１．６Ｄ），地表的最大沉降变化不 ［３］于学馥，郑颖人，刘怀恒，等．地下工程围岩稳定分析［Ｍ］．北京：煤 大，但横向沉降曲线更接近于正态分布曲线。不同覆土 炭工业出版社，１９８３． ［４］张云，殷宗泽，徐永福．盾构法隧道引起的地表变形分析【Ｊ］．岩石 下地表横向沉降影响范围为一ｌＯ一１０ ｍ（一３．６～３．６Ｄ）。 力学与工程学报，２００２，２１（３）：３８８—３９２． （上接第６１页） 清新自然式草地景观。 观，林下配置鸢尾、大吴风草，湿地配置千屈菜、芦苇、 ３．６分离式路基绿化 海三棱等水生湿生植物，构成随季节变化而丰富多变 崇启通道有２处分离式路基，整理中间原有林带， 的生态景观。通过自然的湿地植物群落净化水质，吸 并根据高速公路景观需求补充部分绿化形成整体景 引部分鸟类、鱼类、两栖动物的栖居。 观。在道路边坡附近成排种植大规格的香樟和银杏， ３．５服务区和收费站绿化 形成整齐美观的道路景观。同时，布置一些修剪成球 港沿服务区主楼在高速公路上下行的中间，两边是 状的花灌木，如桂花、夹竹桃、石榴、红叶李、石楠球、 停车场和加油站，在绿化设计上以主楼为主体，周边采 金边黄杨等，创造与原有林带和谐共生关系，形成四 用庭院式的自然布局，结合建筑服务功能进行组景。 季常绿的景观和大绿量的绿岛景观。 树种选择大规格的香樟、银杏、朴树为骨架，配置 ４结语 橘树、石榴等果树以及紫荆、石楠、洒金桃叶珊瑚等花 崇启通道的绿化景观设计，遵循绿色生态理念， 灌木，营造四季有景的植物景观，满足停车游憩需要。 通过不同区段的植物配置形成多样性的生态景观，使 在停车场种植高大乔木，配置抗汽车尾气污染的花灌 整条高速公路形成一个特色各异、功能互补、密切联 木，起到改善单调沉闷氛围、为车辆遮蔽阳光的作用。 系的生态景观走廊。在绿化景观设计的基础上，还应 在主线道路和停车场之间的区域，创造微地形，以草 进一步积极探索生态养护的标准和技术，维护好生态 坪为主，自然式布置大规格的朴树和石楠，塑造简洁 景观，确保生态景观得到可持续发展。 ６５