不同条件下顶管法施工对下穿隧道的作用特性研究

2019年第15期（5月 下）

不同条件下顶管法施工对下穿隧道的

作用特性研究

王渭1，蒋云鹏2

（1.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100195；2.宁波公路市政设计有限公司，浙江 宁波 315000）

摘要：在工程建设过程中，工程开挖对既有结构物的影响成为目前面临的主要问题之一，通过MIDAS NX有限元软件，建立顶管上穿隧道三维有限元模型，分析了各不同因素对既有隧道的影响，为类似工程建设提供参考。关键词：数值模型；注浆；顶管直径中图分类号：U445.6

文献标识码：B

0 引言

隧道工程建设中，新建工程附近经常存在一些既有地下构造物，工程施工对既有地下结构物的影响成为目前面临的主要问题之一。在工程开挖对既有结构物影响方面，李兴建等[1]针对高地应力硬脆性围岩隧道失稳机理展开详细研究，根据分析结果提出降低隧道围岩体内部能量，“短进尺弱爆破”的施工方法可以有效减小隧道失稳问题。程康等[2]通过建立理论模型和数值仿真分析，提出在隧道开挖施工经过临近桩基础时，桩基础轴力呈现 “缓慢减小、急剧下降、缓慢减小”三阶梯规律形式本文依托某实际地下顶管开挖工程，通过建立隧道下穿顶管三维有限元模型，分析了管径、顶管材料、土体参数及土层厚度对既有隧道的影响。

管、隧道材料物理性质见表1。

边界条件为模型顶面无约束，底面仅约束z向位移，其余两个方向均为约束x和y两个方向的位移。

表1 岩土体材料物理力学性质

名称杂填土素填土粉砂顶管管片盾构管片

重度（kN/m）18.519.019.520.025.0

2000030000

3

弹性模量（MPa）

黏聚力（kPa）151210

内摩擦角（°）201826

泊松比0.350.350.350.200.20

压缩模量（MPa）5.58.510.6

2.2 材料本构选取

2 数值模型建立

2.1 建模与参数选取

在实际工程中，顶管开挖会引起管道周边岩土体扰动，岩土体本身结构复杂，更提高了此类工程的复杂程度。为更加接近模拟实际开挖过程，需要对其实际开挖中一些因素进行简化和作出相应的假设。

（1）忽略顶管施工过程时间效应对既有岩土体的影响。（2）在模拟顶管施工顶进过程中，顶管开挖面与盾构机械接触承受均匀荷载，且开挖过程是均匀速度前进。

（3）为尽可能保证数值仿真过程与实际工程开挖效果相近，将模型土层分为三层。

（4）在数值模型中进行顶管顶进开挖模拟时，开挖完成后注浆材料进行改变以模拟管片注浆实际情况。

基于上述假设建立数值模型尺寸如下：顶管直径2m，管长60m，壁厚5cm；隧道与实际相同，采用双向隧道，长48m，内径6000mm，管壁厚度为400mm，以顶管中心建立三维空间坐标系，其管道径向为y向，长度取40m，x方向取60m，z方向取48m。数值模型网格如图1所示，岩土体及顶

根据岩土体物理力学性质以及现有工程中对岩土体本构模型的选取，将顶管周边岩土体采用摩尔-库伦本构计算；顶管管片和盾构管片根据钢筋混凝土和钢材性质均采用弹性本构计算。2.3 有限元施工工艺仿真

管道及隧道盾构施工在实际施工中是一个复杂多变的过程，在有限元数值仿真过程中做到与实际开挖完全一致难度极大，因此本文中针对在施工过程中的工艺过程做了以下仿真。

（1）注浆

顶管开挖施工过程中注浆施工是必不可少的一项重要工艺，注浆在施工过程中可以减小管片与岩土体之间的摩阻力，同时注浆体可以提供一定强度支撑作用。在注浆浆液填充至岩土体和管节之间时，可以将岩土体与管节之间的干摩阻力转换为湿摩阻力，可以减小管节施工中摩阻力；同时浆液填充岩土体中气体孔隙，使周边岩土体更加密实，承载力得以提高。为模拟该注浆过程，在管节和周边岩土体之间设置一层一定厚度的混凝土材料单元，模拟

收稿日期：2019-01-01

作者简介：王渭（1987—），男，工程师，研究生，主要从事隧道及地下工程勘察设计工作。

122管片施工过程中注浆对岩土体的支撑和填充作用。

（2）施工平面推力模拟

顶管施工开挖过程中顶推力大小直接影响施工开挖过程对地表产生的变形影响，当顶推力过小时则不能更好的平衡掌子面上的水平推力，此时掌子面不能承受来自岩土体面产生的土层水平推力，容易使地表产生沉降；当顶推力过大，则会使施工进程中岩土体发生侧向挤压隆起。在模型中将顶管顶进力设置成一圆形均布力作用在开挖面上。

3 不同工况下隧道受力分析

3.1 顶管直径对隧道影响

在顶管盾构施工时，不同管径对其下部隧道竖向位移、水平向位移以及隧道最大主应力均有影响，但影响程度不同，且其竖向最大位移和水平向最大位移均在顶管正下方位置处，其曲线变化从中心到两侧呈现出帽子形状。

随顶管管径增大隧道顶面竖向位移逐渐增加，管径为DN2000、DN2400、DN2800时对应隧道顶面竖向位移分别为3.7mm、4.6mm、5.4mm，增幅分别为24.3%和17.4%；最大水平位移分别为1.1mm、1.2mm、1.4mm，增幅为9.1%和16.7%。可以看出顶管盾构开挖对周边岩土体产生扰动，扰动后土体对隧道竖向位移影响程度比对水平位移影响显著，随顶管管径增大隧道顶面竖向位移逐渐增大，并且增幅逐渐减小；水平位移最大值随管径增大呈增大趋势，但其增长幅度逐渐增大；不同管径下对应的压应力分别为-0.051MPa、-0.049MPa、-0.043MPa，可见管径增大对隧道顶面主应力影响也越来越明显。分析表明：在顶管开挖施工过程中为保证其下方隧道的安全，应该进行相应位移监测。

3.2 顶管材料对隧道影响

顶管管材不同对隧道顶部竖向位移和水平向位移影响很大，且不同管材的顶管对隧道顶面及周边土体影响为顶管轴线最显著，轴线两侧逐渐减弱。玻璃纤维塑料、铸铁管和钢管材质的顶管施工开挖时，其隧道最大竖向位移分别为3.66mm、2.96mm和2.81mm，可以看出其竖向位移减小幅值逐渐减小；对应最大水平向位移分别为1.12mm、1.04mm和1.01mm，其减小幅值为7.6%和3.3%。可以看出随着管材模量的增加，顶管对周边岩土体协调变形能力较强，底部隧道产生的竖向位移和水平向位移较小。同样从最大主应力曲线图可以看出：随管材模量逐渐增加其顶管轴线下方隧道最大主应力逐渐减小，并且其减小幅值逐渐减小。由上述分析可知，顶管管材模量大小对隧道及周边岩土体扰动程度不同，在控制施工中隧道变形时可以考虑

交通世界TRANSPOWORLD采用不同材料的顶管。3.3 土体属性对隧道影响

顶管周边岩土体物理力学性质不同时，其顶管底部隧道竖向位移和水平向以及最大主应力均有所不同，此处将岩土体压缩模量作为控制岩土体不同性质的指标，可以看出随着岩土体压缩模量增加其竖向位移、水平向位移以及隧道顶最大主应力均呈逐渐减小趋势。

当岩土体模量分别为10MPa、14MPa和18MPa时，对应隧道顶面竖向最大位移依次减小0.66mm、0.50mm，隧道水平向位移依次减小0.12mm和0.10mm，对应最大主应力值分别为-0.051MPa、-0.054MPa和-0.056MPa；可以看出岩土体模量变化对隧道位移及应力影响较为显著。这是因为随着岩土体模量增加，土体和隧道管片之间的变形协调能力逐渐增强，其顶管隧道施工对隧道产生的影响逐渐减小，由此可知，在施工开挖过程中可以通过改变周边岩土体物理力学性质来控制隧道变形及应力的影响。

4 结论

（1）顶管开挖施工，不同管径对隧道位移和主应力影响较大。随管径增大，隧道竖向位移和水平向位移呈增大趋势，且对竖向影响较水平向明显。

（2）顶管材料不同，隧道位移和主应力有所不同。随着管材模量的增加，隧道产生的竖向位移和水平向位移较小；随管材模量逐渐增加其顶管轴线下方隧道最大主应力逐渐减小，其减小幅值也逐渐减小。

（3）顶管周边岩土体材料模量增加，岩土体和隧道之间的刚度差异减小，土体变形协调能力增强，可以有效减小隧道的变形和主应力。

（4）在顶管开挖施工过程中为保证隧道的安全，需要加强隧道顶面位移和应力的监测。

参考文献：

[1] 李建兴，张睿，黄磊，等. 高地应力硬脆性围岩隧道失

稳机理及处置措施[J]. 地下空间与工程学报，2018，14（5）.

[2] 程康，夏唐代，梁荣柱，等. 盾构开挖下邻近既有桩基

的竖向响应分析[J]. 岩土工程学报，2018（S2）：42-46.

[3] 杨果岳，刘浩航，尹志政. 顶管上穿施工对既有地铁

隧道的影响[J]. 吉首大学学报（自然科学版），2014（2）：57-61

（编辑：钱宇宁）

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