市政燃气管道顶管施工研究

赵勇

摘要：在顶管施工过程中，土体受到管道的水平挤压作用，导致沉降现象发生。首节管节顶进位置处的沉降最大，这是因为在施工的初始阶段，土体受到了最大的挤压力。此外，在工具管开挖面前方，土体经历了回弹现象，即在工具管通过后，原本被挤压的土体开始回复其原有的形状，导致地表出现隆起。而在机头后方，由于土体经历了压实过程，最后土体在机头通过后进一步沉降并趋于稳定。

关键词：市政燃气；管道顶管；施工研究

1工程概况

深圳市地处广东省南部、珠江口东岸，东临大亚湾和大鹏湾，西濒珠江口和伶仃洋，南隔深圳河与香港相连。由于深圳市为滨海城市，其气候特征降雨量大，河系较多，宝安区、南山区等区存在较大的填海区域，土地沉降现象时有发生。本文以市政燃气管道项目中的某段顶管路段作为研究对象，该段地层中存在松散的素填土、可塑的粉质粘土及强风化的砂岩，其沉降速度和程度可能不同。这种不均匀沉降会导致管道在不同地层中承受不同程度的挤压和位移，从而使管道发生扭曲和变形。

2顶管数值模拟建立

本文设定土层为各向同性的、连续的统一弹塑性材料，模拟各土层的材料属性如表1所示。

表1模型材料属性

为保证模拟结果的可靠性和准确性，本次模型共设置14346个实体单元，其中调节单元1148个。本次模型通过弹性材料模拟C80混凝土，每节管长1.0m，顶进距离14m米，管外径1.5cm，内径1.0cm，埋深4.5m。本次模拟首先使用ODB（Over-DesignBasis）应力导入法获得管道在土层中所受到的最不利负载情况下，然后结合位移控制法（DisplacementControlMethod）关注管道在施工和运行中的位移和变形情况，同时通过理论计算公式对模拟结果进行校核，以更全面地模拟和评估地下顶管施工过程中管道的性能和稳定性，从而确保管道的安全运行和长期可靠性。

3顶管数值模拟结果分析

为了解顶管施工过程中地表在深度方向上的沉降情况，从而评估施工过程稳定性和安全性。首先通过ODB应力导入法，得到顶管施工过程中土层最大应力值为0.13Mpa。通过监测断面，得到土体横断面竖向位移变化曲线（见图1）。

图1土体横断面竖向位移变化曲线

根据图1可知，在该项目开挖结束后，由顶管施工所造成的土体横断面竖向位移值为10.15mm，其中最竖向位移出现子在管道轴线处。同时，随着距离管道轴线距离的增加，竖向位移值逐渐减小。整个过程中开挖引起的土体横断面竖向位移大于-1mm的范围在-10m~10m，这与理论Peck地基承载力经验公式计算结果一致。为了解土体在不同深度处的竖向位移情况，做出土体纵断面竖向位移变化曲线（见图2）。

图2土体纵断面竖向位移变化曲线

根据图2可知，在顶管施工过程中，土体受到管道的水平挤压作用，导致沉降现象发生。而首节管节顶进位置处的沉降最大，则是因为在施工的初始阶段，土体受到了最大的挤压力。此外在工具管开挖面前方，土体经历了回弹现象，即在工具管通过后，原本被挤压的土体开始回复其原有的形状，导致地表隆起。而在机头后方，由于土体经历了压实过程，最后土体在机头通过后进一步沉降并趋于稳定。为了解顶管施工过程中土体在不同位置随着施工的推进而发生的位移变化情况，做出土体水平位移与顶进距离关系曲线（见图3）。

图3土体水平位移与顶进距离关系曲线

根据图3可知，在顶管施工过程中，由于管道推进所施加的水平挤压力导致管道的周围的土体产生了正向水平位移。而由于管道的重量和推进，在管道的顶部和底部分别产生了负向水平位移。此外，当顶管开挖结束后，最大的正向水平位移发生在轴线附近，而最大的负向水平位移发生在管道顶部和底部。

图4土体最大水平位移变化曲线

图4为顶管施工过程中顶管管身右侧检测断面土层的最大正向水平位移变化曲线。根据图4可知在掌子面距离监测断面较远的位置，土体水平位移几乎为零，表示在这些距离处，土体受到的水平扰动非常小或几乎没有。说明在距离掌子面较远的地方，施工机具对土体的水平挤压作用较弱。而当顶管施工机具到达监测断面前方约6m处时，水平位移显著增加，表明在这个位置附近土体受到了显著的水平挤压力，从而导致了土体的水平位移。此外在施工机具通过监测断面并继续前进到监测断面后方约6m处时，水平位移增长速率放缓，这是因为施工机具已经通过了监测断面，土体逐渐适应了新的应力状态。图5显示了顶管施工过程中监测断面应力分布变化情况。

图5监测断面应力分布曲线图

根据图5可知，土体应力值与管道埋深成正相关，这是因为土体受到上方土层的自重和其他外部应力作用的结果。此外，由于顶管管道施工过程中对土体施加了水平挤压力，导致土体受到挤压和应力集中的影响，使得在管道周围，土体的应力分布表现出了双峰型分布。

4结语

顶管施工引起了土体的水平位移变化。由于管道推进所施加的水平挤压力，土体产生了正向水平位移。同时，管道的重量和推进导致管道顶部和底部的土体产生负向水平位移。最大的正向水平位移出现在轴线附近，而最大的负向水平位移出现在管道的顶部和底部。

参考文献

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