某顶管施工钱塘江大堤地表沉降监测与有限元

摘 要：结合杭州七格污水处理厂三期尾水排江管道工程穿越钱塘江大堤实体工程,实测管道穿越大堤前后的地表沉降数据,分析地表沉降变化特征以及沉降观测断面情况.结合顶管设计参数,采用二维有限元方法建立计算模型,分析地基土体的变形规律以及改变管道周边孔隙充填泥浆强度后地表沉降的变化量.

关 键 词 ：杭州七格污水； 钱塘江大堤； 二维有限元； 移动变形规律； 充填泥浆

中图分类号：TU478 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2013）08-179-001

一、前言

顶管施工以其不需开挖、对周围环境影响较小等优点而在城市管线的建设和改造中得到推广和应用.在埋深较大、位于交通干线附近和周围环境对位移、地下水状况等有严格限制的地段,采用顶管法施工较为安全和经济[1].

顶管施工引起的土体变形机理国内外许多学者已进行了不同程度的分析研究.R.B.Peck（1969）[2]提出地面沉降槽拟正态分布,得出横向地面沉降估算公式.

魏纲[2]等根据现场实测数据以及应用理论分析法,系统的研究了顶管施工地表沉降计算公式、考虑水平平行顶管相互扰动的地表沉降计算方法.

二、工程概况

1.工程设计及施工概况

杭州市七格污水处理厂三期排江工程穿堤顶管施工的管道共有两根,一根为排江主管,另一根为应急排放管.采用C50钢筋砼预制F型管,管道内径为2.4m,外径为2.88m,厚度为240mm,节长2.5m；排江管应急排放管管道的中轴线起点标高均为-11.0m,排江管道管中轴线的终点标高为-24.50m,应急排放管管中轴线终点标高为-22.55m.排江管道和应急排放管为2.95%的向下坡度直线顶管.

2.监测点布置情况

顶管穿越段海塘地表沉降点按4排布置,内坡脚、堤顶内口侧、挡浪墙顶以及外江坡脚各设1排,每排埋设11个沉降观测点.

三、地表沉降监测成果分析

顶管穿越钱塘江大堤期间进行了全过程的实时跟踪监测,选取两管中心上方地表沉降测点绘制时间-沉降关系曲线,如图1所示.

对顶管施工引起地表沉降的计算,目前工程实践中普遍采用的是Peck提出的地表沉降横向分布估算公式.本工程钱塘江大堤地表3个特征断面的实测情况显示：地表测点累计沉降量较小,累计沉降最大值为36.3mm.累计沉降量从管道中心线向两侧逐渐减小,基本呈正态分布.根据沉降分布曲线,受顶管机掘进施工影响,管道中西线两侧20m范围内测点累计沉降量相对较大.

四、有限元计算成果分析

为模拟管节与开挖面之间的孔隙对地表沉降的影响,建立计算模型时,将孔隙部分土体强度弱化,如图2所示.模型计算时,如果不考虑孔隙对地表沉降的影响,两管道中心线上方地表沉降量为14mm,小于现场实测值.将孔隙部分土体强度弱化70%后,两管道中心线上方地表沉降量为32.5mm,接近现场实测值,所以弱化孔隙土体强度进行有限元计算更合理.

五、结论

（1）管道穿越地表测点正下方土层时,地表沉降速率最大,机头通过后,地表沉降速率逐渐减小.横断面测点累计沉降量从管道中心线向两侧逐渐减小,基本呈正态分布,管道中西线两侧20m范围内测点累计沉降量相对较大.

（2）建立有限元计算模型时,为模拟实际工况使计算值更接近现场实测值,需将管道与开挖面之间的孔隙土体强度进行弱化处理,本文模型将孔隙土体强度弱化70%后,计算值与现场实测值相吻合.