密排管幕群頂管施工地面變形的多維度解析與控制策略研究一、引言1.1研究背景與意義隨著城市化進(jìn)程的加速，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷推進(jìn)，對地下空間的開發(fā)利用需求日益增長。頂管施工技術(shù)作為一種重要的非開挖施工方法，因其具有不破壞地面交通、對周邊環(huán)境影響小、施工效率高、成本相對較低等優(yōu)勢，在城市給排水、電力、通信、燃?xì)獾裙艿拦こ讨械玫搅藦V泛應(yīng)用。例如在城市給排水系統(tǒng)建設(shè)中，頂管技術(shù)可在不中斷交通的情況下鋪設(shè)或更換地下管道，保障城市供水和排水的正常運(yùn)行。頂管施工是利用主頂油缸和管道間中繼環(huán)的推力，把工具管從始發(fā)工作井內(nèi)推入土層并頂?shù)浇邮站畠?nèi)吊起，而隨工具管推進(jìn)的預(yù)制管節(jié)則埋設(shè)在兩工作井之間，完成管道的鋪設(shè)。然而，在頂管施工過程中，由于對土體的擾動，不可避免地會引起地面變形。這種地面變形可能導(dǎo)致周邊建筑物、道路路面、地下管網(wǎng)等設(shè)施出現(xiàn)開裂、沉降、傾斜等問題，嚴(yán)重危及工程安全和周邊環(huán)境。例如，在軟土地層中進(jìn)行頂管施工時，若施工參數(shù)控制不當(dāng)，地面沉降可能會對附近建筑物的基礎(chǔ)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，導(dǎo)致建筑物墻體開裂；對道路路面而言，地面變形可能使路面出現(xiàn)高低不平的情況，影響行車安全和舒適性；對于地下管網(wǎng)，變形可能導(dǎo)致管道破裂、滲漏，影響城市的正常運(yùn)行。密排管幕群頂管施工作為一種特殊的頂管施工形式，由于管幕群的密集布置，施工過程中對土體的擾動更為復(fù)雜，地面變形的控制難度也更大。因此，深入研究密排管幕群頂管施工引起的地面變形規(guī)律及其控制方法，對于保障工程安全、減少對周邊環(huán)境的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。它有助于優(yōu)化施工方案，提前采取有效的預(yù)防和控制措施，降低地面變形帶來的風(fēng)險，確保城市建設(shè)的順利進(jìn)行。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，頂管施工技術(shù)發(fā)展較早，對施工引起地面變形的研究也相對深入。早在20世紀(jì)60年代，日本就開始研究頂管施工過程中土體的力學(xué)響應(yīng)和地面變形問題，通過大量的工程實(shí)踐和理論分析，建立了一些早期的地面變形預(yù)測模型，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。隨后，歐美等國家也相繼開展相關(guān)研究，在理論分析方面，運(yùn)用彈性力學(xué)、塑性力學(xué)等理論，對頂管施工中土體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行研究，推導(dǎo)了地面變形的計算公式。例如，一些學(xué)者基于Mindlin解，考慮頂管正面附加推力、掘進(jìn)機(jī)和后續(xù)管道與土體之間的摩擦力等因素，建立了地面變形的計算模型，分析了不同因素對地面變形的影響規(guī)律。在數(shù)值模擬方面，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元、有限差分等數(shù)值方法被廣泛應(yīng)用于頂管施工地面變形的研究中。通過建立土體和頂管結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，能夠模擬不同施工工況下的地面變形情況，直觀地展示地面變形的分布特征和發(fā)展過程，為工程設(shè)計和施工提供了重要參考。國內(nèi)對頂管施工技術(shù)的研究起步相對較晚，但近年來發(fā)展迅速。自20世紀(jì)50年代從國外引進(jìn)頂管技術(shù)后，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在理論研究和工程實(shí)踐方面都取得了顯著成果。在理論研究方面，國內(nèi)學(xué)者結(jié)合我國的地質(zhì)條件和工程特點(diǎn)，對頂管施工引起地面變形的機(jī)理進(jìn)行了深入研究。通過現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段，分析了地層損失、土體擾動、施工參數(shù)等因素對地面變形的影響。例如，有學(xué)者通過對不同土質(zhì)條件下頂管施工的現(xiàn)場監(jiān)測，總結(jié)了地面沉降和隆起的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)地層損失是導(dǎo)致地面沉降的主要原因，而施工過程中的正面支護(hù)壓力、注漿壓力等參數(shù)對地面變形有重要影響。在數(shù)值模擬方面，國內(nèi)也開展了大量研究，利用ANSYS、FLAC3D等數(shù)值軟件，對頂管施工過程進(jìn)行模擬分析，研究不同施工參數(shù)下地面變形的變化規(guī)律，為優(yōu)化施工方案提供依據(jù)。盡管國內(nèi)外在頂管施工地面變形研究方面取得了一定成果，但針對密排管幕群頂管施工引起的地面變形研究仍存在一些不足。一方面，目前的研究大多集中在單根頂管或少量管幕的施工情況，對于密排管幕群這種復(fù)雜工況下的地面變形研究相對較少。由于密排管幕群施工中管幕之間的相互作用復(fù)雜，土體擾動范圍更大，現(xiàn)有的研究成果難以準(zhǔn)確預(yù)測其地面變形情況。另一方面，在研究方法上，雖然數(shù)值模擬和理論分析得到了廣泛應(yīng)用，但這些方法往往需要對實(shí)際工程進(jìn)行一定的簡化假設(shè)，與實(shí)際情況存在一定差異。而現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)雖然能夠真實(shí)反映施工過程中的地面變形情況，但由于監(jiān)測條件和成本的限制，數(shù)據(jù)的完整性和系統(tǒng)性有待提高。此外，對于密排管幕群頂管施工中地面變形的控制措施研究還不夠完善，缺乏系統(tǒng)有效的控制方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，難以滿足工程實(shí)際需求。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究圍繞密排管幕群頂管施工引起的地面變形展開，主要內(nèi)容如下：密排管幕群頂管施工工藝及地面變形機(jī)理分析：深入剖析密排管幕群頂管施工的工藝流程，包括管幕的布置方式、頂進(jìn)順序、施工設(shè)備的選用等。從力學(xué)原理出發(fā)，結(jié)合土體的物理力學(xué)性質(zhì)，詳細(xì)分析施工過程中引起地面變形的各種因素，如土體的開挖卸荷、頂管機(jī)的推進(jìn)擠壓、管節(jié)間的縫隙以及注漿等施工操作對土體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的改變，明確地面變形的產(chǎn)生機(jī)理。地面變形的影響因素研究：系統(tǒng)研究影響密排管幕群頂管施工地面變形的主要因素，包括施工參數(shù)（如頂進(jìn)速度、正面支護(hù)壓力、注漿壓力和注漿量等）、管幕參數(shù)（管幕的管徑、管間距、管幕長度等）以及地質(zhì)條件（土體的類型、含水量、壓縮性、抗剪強(qiáng)度等）。通過理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)際工程案例對比，量化各因素對地面變形的影響程度，確定影響地面變形的關(guān)鍵因素。地面變形預(yù)測模型的建立與驗(yàn)證：基于彈性力學(xué)、塑性力學(xué)等理論，考慮密排管幕群施工的復(fù)雜性，建立適合密排管幕群頂管施工地面變形預(yù)測的理論模型。利用數(shù)值模擬軟件，建立三維數(shù)值模型，模擬不同施工工況下的地面變形情況，將數(shù)值模擬結(jié)果與理論模型計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性。同時，結(jié)合實(shí)際工程的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行進(jìn)一步的修正和完善，提高模型的預(yù)測精度。地面變形控制措施研究：根據(jù)地面變形的影響因素和預(yù)測結(jié)果，提出針對性的地面變形控制措施。在施工前，通過優(yōu)化施工方案，合理選擇施工參數(shù)和管幕參數(shù)，降低地面變形的風(fēng)險；在施工過程中，實(shí)時監(jiān)測地面變形情況，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整施工參數(shù)，如調(diào)整正面支護(hù)壓力、注漿量等，實(shí)現(xiàn)對地面變形的動態(tài)控制；研究采用新型的施工技術(shù)和材料，如改進(jìn)的注漿材料、土體加固技術(shù)等，減小施工對土體的擾動，有效控制地面變形。1.3.2研究方法為實(shí)現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將綜合運(yùn)用以下研究方法：案例分析法：收集國內(nèi)外多個密排管幕群頂管施工的實(shí)際工程案例，詳細(xì)分析工程的地質(zhì)條件、施工工藝、地面變形監(jiān)測數(shù)據(jù)等資料。通過對不同案例的對比研究，總結(jié)密排管幕群頂管施工地面變形的一般規(guī)律和特殊情況，為理論研究和數(shù)值模擬提供實(shí)際工程依據(jù)。理論研究法：運(yùn)用彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、土力學(xué)等相關(guān)理論，推導(dǎo)密排管幕群頂管施工過程中土體的應(yīng)力應(yīng)變計算公式，分析地面變形的力學(xué)機(jī)理。建立地面變形預(yù)測的理論模型，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)和分析，研究各因素對地面變形的影響規(guī)律，為地面變形的預(yù)測和控制提供理論支持。數(shù)值模擬法：利用有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS等）和有限差分軟件（如FLAC3D等），建立密排管幕群頂管施工的三維數(shù)值模型。模擬不同施工工況下土體的力學(xué)響應(yīng)和地面變形情況，直觀地展示地面變形的分布特征和發(fā)展過程。通過改變模型中的參數(shù)，如施工參數(shù)、管幕參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)等，研究各因素對地面變形的影響，為施工方案的優(yōu)化提供參考?，F(xiàn)場監(jiān)測法：選擇典型的密排管幕群頂管施工工程，在施工現(xiàn)場布置監(jiān)測點(diǎn)，采用水準(zhǔn)儀、全站儀、測斜儀等監(jiān)測設(shè)備，對施工過程中的地面沉降、隆起、水平位移以及土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，及時發(fā)現(xiàn)施工過程中出現(xiàn)的問題，為施工控制提供依據(jù)。二、密排管幕群頂管施工技術(shù)概述2.1頂管施工原理與流程頂管施工作為一種非開挖地下管道鋪設(shè)技術(shù)，其基本原理是借助主頂油缸及管道間中繼間等的推力，克服管道與周圍土壤之間的摩擦力，將工具管或掘進(jìn)機(jī)從工作井內(nèi)穿過土層一直推進(jìn)到接收井內(nèi)吊起，與此同時，緊隨工具管或掘進(jìn)機(jī)后的管道被埋設(shè)在兩井之間，從而實(shí)現(xiàn)地下管道的非開挖敷設(shè)。例如，在城市老舊小區(qū)的排水管道改造工程中，由于小區(qū)內(nèi)建筑物密集、地面空間有限，采用頂管施工技術(shù)可以避免大面積開挖地面，減少對居民生活的影響，順利完成排水管道的更換。頂管施工的具體流程較為復(fù)雜，包含多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：工作井和接收井的設(shè)置：工作井和接收井是頂管施工的重要基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。在施工前，需根據(jù)管道的設(shè)計走向、埋深以及施工現(xiàn)場的地形、地質(zhì)條件等因素，精確確定工作井和接收井的位置。工作井作為頂管機(jī)始發(fā)和管道頂進(jìn)的操作空間，應(yīng)具備足夠的尺寸和強(qiáng)度，以容納頂進(jìn)設(shè)備、堆放管材及出土作業(yè)。接收井則用于接收頂進(jìn)完成的工具管和管道。例如，在某城市地鐵配套的電力管道頂管施工中，工作井設(shè)置在地鐵站點(diǎn)附近的空曠場地，方便設(shè)備的進(jìn)出和材料的堆放；接收井設(shè)置在距離站點(diǎn)一定距離的綠化帶內(nèi)，通過合理規(guī)劃，減少了對周邊環(huán)境的影響。工作井和接收井的施工方法通常有明挖法、沉井法、地下連續(xù)墻法等，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的施工方法。如在地質(zhì)條件較好、地下水位較低的區(qū)域，可采用明挖法施工；而在軟土地層或地下水位較高的區(qū)域，則宜采用沉井法或地下連續(xù)墻法，以確保井壁的穩(wěn)定性和防水性。頂進(jìn)設(shè)備安裝與調(diào)試：在工作井內(nèi)，需要安裝頂進(jìn)設(shè)備，主要包括主頂油缸、頂鐵、導(dǎo)軌、后背墻等。主頂油缸是提供頂進(jìn)推力的核心設(shè)備，其規(guī)格和數(shù)量應(yīng)根據(jù)管道的管徑、長度、地質(zhì)條件以及頂進(jìn)阻力等因素進(jìn)行合理選擇。頂鐵用于傳遞頂進(jìn)力，保證管道在頂進(jìn)過程中的穩(wěn)定性；導(dǎo)軌則為管道的頂進(jìn)提供導(dǎo)向，確保管道按照設(shè)計軸線前進(jìn)；后背墻作為主頂油缸的支撐結(jié)構(gòu)，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受頂進(jìn)過程中的巨大推力。在設(shè)備安裝完成后，必須進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)試工作，檢查設(shè)備的運(yùn)行狀況、各部件之間的連接是否牢固、液壓系統(tǒng)是否正常等，確保頂進(jìn)設(shè)備能夠安全、可靠地運(yùn)行。頂管機(jī)出洞與初始頂進(jìn)：頂管機(jī)出洞是頂管施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，需要采取有效的措施確保頂管機(jī)順利進(jìn)入土層，并防止洞口周圍土體坍塌和地下水涌入工作井。通常在洞口處設(shè)置止水裝置，如橡膠止水簾布、鋼環(huán)等，以阻止地下水和土體的滲漏。在頂管機(jī)出洞前，還需對洞口土體進(jìn)行加固處理，常用的加固方法有深層攪拌樁、旋噴樁、注漿加固等，以提高土體的穩(wěn)定性。初始頂進(jìn)階段，應(yīng)緩慢推進(jìn)頂管機(jī)，密切觀察頂進(jìn)參數(shù)的變化，如頂力、油壓、頂進(jìn)速度等，同時對管道的軸線和高程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，及時調(diào)整頂進(jìn)方向，確保管道的初始位置準(zhǔn)確無誤。正常頂進(jìn)與出土作業(yè)：在初始頂進(jìn)完成且各項參數(shù)穩(wěn)定后，進(jìn)入正常頂進(jìn)階段。在頂進(jìn)過程中，頂管機(jī)不斷切削前方土體，通過排土系統(tǒng)將切削下來的土體排出管道。排土方式根據(jù)頂管機(jī)的類型不同而有所差異，常見的有螺旋輸送機(jī)排土、泥水輸送排土等。螺旋輸送機(jī)排土適用于土壓平衡頂管機(jī)，通過螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)將土艙內(nèi)的土體輸送至管道外；泥水輸送排土則用于泥水平衡頂管機(jī)，利用泥水的循環(huán)將切削下來的土體帶出管道。在頂進(jìn)過程中，要持續(xù)監(jiān)測頂進(jìn)參數(shù)和管道的軸線、高程，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整頂進(jìn)速度、頂力等參數(shù)，保證管道按照設(shè)計要求頂進(jìn)。同時，要做好出土作業(yè)的管理，及時清理工作井內(nèi)的渣土，確保施工場地的整潔和安全。管節(jié)連接與中繼間設(shè)置：隨著管道的頂進(jìn)，需要逐節(jié)連接管節(jié)。管節(jié)連接方式主要有承插式連接、企口式連接、鋼套環(huán)連接等，不同的連接方式具有不同的特點(diǎn)和適用范圍。例如，承插式連接施工簡單、密封性好，但連接強(qiáng)度相對較低；企口式連接連接強(qiáng)度高、密封性好，適用于大管徑管道；鋼套環(huán)連接則通過焊接或螺栓連接鋼套環(huán)，使管節(jié)之間緊密連接，具有較高的連接強(qiáng)度和密封性。在長距離頂管施工中，當(dāng)頂進(jìn)阻力超過主頂油缸的最大推力時，需要設(shè)置中繼間。中繼間是一種在管道中間設(shè)置的輔助頂進(jìn)裝置，通過在中繼間內(nèi)安裝油缸，提供額外的頂進(jìn)力，克服管道與土體之間的摩擦力。中繼間的設(shè)置位置和數(shù)量應(yīng)根據(jù)頂進(jìn)阻力的分布情況和頂進(jìn)長度進(jìn)行合理確定。頂管機(jī)進(jìn)洞與接收：當(dāng)頂管機(jī)接近接收井時，進(jìn)入頂管機(jī)進(jìn)洞階段。此時，要嚴(yán)格控制頂管機(jī)的頂進(jìn)速度和方向，確保頂管機(jī)準(zhǔn)確進(jìn)入接收井。在接收井內(nèi)，應(yīng)提前做好接收準(zhǔn)備工作，如設(shè)置接收導(dǎo)軌、安裝接收裝置等，以便順利接收頂管機(jī)和管道。頂管機(jī)進(jìn)洞后，拆除頂進(jìn)設(shè)備和管道連接部件，完成頂管施工。最后，對工作井和接收井進(jìn)行處理，根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行回填或封閉。2.2密排管幕群的特點(diǎn)與應(yīng)用場景密排管幕群是由多根鋼管或鋼筋混凝土管緊密排列組成的一種地下支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，其管幕之間的間距較小，通常在管徑的1.0-1.5倍之間。這種緊密排列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其在地下工程中展現(xiàn)出獨(dú)特的性能優(yōu)勢：良好的止水性能：由于管幕之間的間距小，管幕與土體之間形成了相對緊密的接觸，能夠有效阻止地下水的滲透，為地下工程施工提供相對干燥的作業(yè)環(huán)境。例如，在城市地鐵車站的建設(shè)中，當(dāng)車站位于地下水位較高的區(qū)域時，密排管幕群可以作為止水帷幕，防止地下水涌入施工區(qū)域，確保車站主體結(jié)構(gòu)的施工安全。較強(qiáng)的承載能力：密排管幕群中的各管之間相互支撐，協(xié)同工作，能夠共同承受上部土體和地面建筑物傳來的荷載。通過合理的設(shè)計和施工，管幕群可以形成一個穩(wěn)定的承載體系，有效地控制土體的變形和沉降。在一些大型地下商場的建設(shè)中，密排管幕群可以作為深基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)，承受基坑周邊土體的側(cè)向壓力和地面建筑物的附加荷載，保證基坑的穩(wěn)定性。對周邊環(huán)境影響?。好芘殴苣蝗喉敼苁┕儆诜情_挖施工方法，與傳統(tǒng)的明挖法相比，不需要大面積開挖地面，減少了對周邊建筑物、道路、地下管線等的影響。施工過程中產(chǎn)生的噪音、震動和塵土等污染物也相對較少，有利于保護(hù)環(huán)境和減少對周邊居民生活的干擾。如在城市繁華商業(yè)區(qū)進(jìn)行地下管道鋪設(shè)時，采用密排管幕群頂管施工可以避免因明挖施工導(dǎo)致的交通堵塞和商業(yè)活動中斷，最大限度地減少對周邊環(huán)境的負(fù)面影響。適應(yīng)性強(qiáng)：密排管幕群可以根據(jù)不同的工程地質(zhì)條件和施工要求，靈活調(diào)整管幕的管徑、長度、間距以及材料等參數(shù)。無論是在軟土地層、砂土地層還是巖石地層中，都可以通過合理設(shè)計和施工，使其滿足工程的需要。例如，在穿越河流、湖泊等水域的地下管道工程中，可以采用較大管徑的密排管幕群，以提高管幕的抗浮能力和承載能力；在穿越建筑物密集區(qū)域時，可以根據(jù)建筑物的基礎(chǔ)形式和間距，調(diào)整管幕的布置方式，確保施工安全。基于以上特點(diǎn)，密排管幕群在眾多工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用：城市地下管道工程：在城市給排水、電力、通信、燃?xì)獾裙艿拦こ讨校芘殴苣蝗喉敼苁┕た梢栽诓黄茐牡孛娼煌ê椭苓叚h(huán)境的前提下，實(shí)現(xiàn)管道的鋪設(shè)和更新。例如，在老舊城區(qū)的排水管道改造工程中，由于地下空間狹窄，周邊建筑物和地下管線復(fù)雜，采用密排管幕群頂管施工技術(shù)可以有效地解決施工難題，順利完成排水管道的更換，提高城市的排水能力。地鐵車站及隧道工程：在地鐵車站的建設(shè)中，密排管幕群常被用作深基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)和超前支護(hù)措施。它可以在保證基坑穩(wěn)定的同時，減少對周邊土體的擾動，降低對既有地鐵線路和周邊建筑物的影響。在地鐵隧道施工中，密排管幕群可以作為預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)，為隧道的開挖提供安全保障。例如，在某地鐵車站的施工中，采用密排管幕群結(jié)合地下連續(xù)墻的支護(hù)形式，成功地完成了深基坑的開挖和車站主體結(jié)構(gòu)的施工，確保了周邊既有建筑物和地鐵線路的安全。地下過街通道工程：在城市交通繁忙的路口或商業(yè)區(qū)，為了方便行人過街，同時減少對地面交通的影響，常采用密排管幕群頂管施工技術(shù)建造地下過街通道。這種施工方法可以在不中斷交通的情況下，快速、安全地完成通道的建設(shè)，提高行人過街的便利性和安全性。例如，在某城市商業(yè)中心的地下過街通道建設(shè)中，采用密排管幕群頂管施工技術(shù)，僅用了較短的時間就完成了通道的施工，極大地改善了該區(qū)域的交通狀況。穿越障礙物工程：當(dāng)需要穿越河流、鐵路、高速公路、建筑物等障礙物時，密排管幕群頂管施工技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢。它可以在不破壞障礙物的前提下，實(shí)現(xiàn)地下管道或隧道的穿越。例如，在某輸油管道穿越河流的工程中，采用密排管幕群頂管施工技術(shù)，成功地將管道從河流底部穿過，避免了對河流生態(tài)環(huán)境和航運(yùn)的影響。2.3與其他施工方法的對比優(yōu)勢在地下工程施工領(lǐng)域，密排管幕群頂管施工相較于明挖法、盾構(gòu)法等傳統(tǒng)施工方法，展現(xiàn)出諸多獨(dú)特的優(yōu)勢，尤其在減少地面干擾、保護(hù)周邊環(huán)境等方面表現(xiàn)突出。與明挖法相比，密排管幕群頂管施工具有顯著的優(yōu)勢。明挖法需要大面積開挖地面，對地面交通和周邊環(huán)境的影響極大。在城市繁華地段，如商業(yè)街、交通樞紐等區(qū)域進(jìn)行明挖施工，會導(dǎo)致交通擁堵，影響市民的出行和商業(yè)活動的正常開展。例如，在某城市商業(yè)街進(jìn)行地下管道施工時，若采用明挖法，需要封閉部分道路，施工期間周邊商家的客流量明顯減少，商業(yè)活動受到嚴(yán)重影響。而密排管幕群頂管施工作為一種非開挖施工方法，不需要大面積開挖地面，僅需設(shè)置工作井和接收井，大大減少了對地面交通的干擾。在上述商業(yè)街的施工中，采用密排管幕群頂管施工技術(shù)，無需封閉道路，地面交通基本不受影響，周邊商家的經(jīng)營活動得以正常進(jìn)行。此外，明挖法施工過程中會產(chǎn)生大量的噪音、塵土等污染物，對周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染，且施工完成后還需要進(jìn)行地面恢復(fù)工作，成本較高。而密排管幕群頂管施工產(chǎn)生的噪音、塵土等污染物相對較少，對周邊環(huán)境的影響較小，也減少了地面恢復(fù)的成本和時間。相較于盾構(gòu)法，密排管幕群頂管施工在某些方面也具有獨(dú)特的優(yōu)勢。盾構(gòu)法通常適用于長距離、大直徑的隧道施工，設(shè)備龐大，成本高昂。例如，在城市地鐵隧道建設(shè)中，盾構(gòu)機(jī)的購置和維護(hù)成本較高，且施工前期需要進(jìn)行大量的準(zhǔn)備工作，包括盾構(gòu)機(jī)的組裝、調(diào)試等。而密排管幕群頂管施工相對靈活，設(shè)備相對簡單，成本較低，適用于各種規(guī)模和復(fù)雜程度的地下工程。在一些小型地下管道工程或短距離的隧道施工中，采用密排管幕群頂管施工技術(shù)，能夠在保證工程質(zhì)量的前提下，降低施工成本。此外，盾構(gòu)法施工對地層的適應(yīng)性有一定要求，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，如軟硬不均的地層、富含水地層等，盾構(gòu)機(jī)的施工難度較大，容易出現(xiàn)故障。而密排管幕群頂管施工可以根據(jù)不同的地質(zhì)條件，靈活調(diào)整施工參數(shù)和管幕布置方式，對地層的適應(yīng)性更強(qiáng)。在穿越軟硬不均地層時，通過合理調(diào)整管幕的間距和注漿參數(shù)，可以有效地控制地面變形，確保施工安全。三、地面變形的影響因素分析3.1施工參數(shù)的影響3.1.1開挖面支護(hù)壓力開挖面支護(hù)壓力是密排管幕群頂管施工中影響地面變形的關(guān)鍵施工參數(shù)之一。在施工過程中，掘進(jìn)機(jī)的刀盤切削前方土體，為了防止開挖面土體坍塌，需要提供一定的支護(hù)壓力來平衡土體的側(cè)向壓力和主動土壓力。當(dāng)支護(hù)壓力小于掘進(jìn)機(jī)所處土層的最小土壓力時，開挖面土體失去平衡，會導(dǎo)致臨界面的坍塌。這種坍塌會使得土體向開挖面移動，從而引起地面的下沉。例如，在某軟土地層的密排管幕群頂管施工中，由于施工人員對土層土壓力估計不足，設(shè)置的開挖面支護(hù)壓力過小，導(dǎo)致在掘進(jìn)過程中，地面出現(xiàn)了明顯的下沉現(xiàn)象，最大下沉量達(dá)到了50mm，嚴(yán)重影響了周邊建筑物的基礎(chǔ)穩(wěn)定性。相反，如果支護(hù)壓力大于掘進(jìn)機(jī)所處地層的被動土壓力時，就會引起地面的隆起。這是因?yàn)檫^大的支護(hù)壓力會使土體受到擠壓，向四周和上方移動，從而導(dǎo)致地面隆起。在另一個工程案例中，施工方為了確保開挖面的穩(wěn)定，將支護(hù)壓力設(shè)置得過高，結(jié)果在頂管施工區(qū)域的地面出現(xiàn)了隆起，隆起高度最高達(dá)到了30mm，對周邊道路的平整度產(chǎn)生了影響，給交通帶來了一定的安全隱患。支護(hù)壓力大小變化不僅會引起土體的豎向位移，還會由于擠土效應(yīng)導(dǎo)致土體的橫向位移。當(dāng)支護(hù)壓力大于土的被動土壓力時，產(chǎn)生擠土作用，掘進(jìn)機(jī)前方土體要向兩側(cè)及前部擠壓。在一些狹窄空間的密排管幕群頂管施工中，這種擠土效應(yīng)可能會對周邊已有的地下管線造成擠壓破壞，導(dǎo)致管線破裂、滲漏等問題。因此，在密排管幕群頂管施工中，精確控制開挖面支護(hù)壓力至關(guān)重要，需要根據(jù)地層的土壓力情況、掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)速度等因素，實(shí)時調(diào)整支護(hù)壓力，以確保地面變形控制在允許范圍內(nèi)。3.1.2掘進(jìn)機(jī)及管道與土體摩擦力在密排管幕群頂管施工過程中，掘進(jìn)機(jī)及后續(xù)管道與土體之間存在著不可忽視的摩擦力，這種摩擦力對土體位移有著顯著的影響，進(jìn)而導(dǎo)致地面變形。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)向前頂進(jìn)時，掘進(jìn)機(jī)及后續(xù)管節(jié)與土體之間的摩擦力方向與頂進(jìn)方向相反，而土體受到的摩阻力方向則與掘進(jìn)機(jī)頂進(jìn)方向一致。在未施行注漿減摩的頂管施工過程中，這種摩擦力往往非常大。由于摩擦力的作用，土體受到牽引而產(chǎn)生水平位移，導(dǎo)致前方的土體隆起，后方的土體下沉。例如，在某頂管施工工程中，未采取注漿減摩措施，在掘進(jìn)機(jī)頂進(jìn)過程中，前方土體隆起高度達(dá)到了20mm，后方土體下沉深度也達(dá)到了15mm，對周邊土體的穩(wěn)定性造成了較大影響。為了減小這種摩擦力及其帶來的地面變形影響，在頂管施工中常常采用注漿減摩措施。通過在管道和土體之間注入觸變泥漿等漿液，形成一層潤滑層，能夠有效降低摩擦力。漿液與土體之間存在一定的壓力作用，作用方向是徑向的，雖然會引起一定的徑向土體位移，但相比未注漿時，位移量較小。在采取注漿減摩施工工藝的頂管頂進(jìn)過程中，摩阻力大幅減少，土體位移也相應(yīng)減小。例如，在另一項工程中，采用注漿減摩措施后，掘進(jìn)機(jī)及管道與土體之間的摩擦力降低了約50%，前方土體隆起高度減小到了10mm以內(nèi)，后方土體下沉深度也控制在了10mm左右，有效減少了對地面變形的影響。注漿減摩措施不僅能夠減少摩擦力，還能在一定程度上填充管道與土體之間的空隙，對土體起到一定的支撐作用，進(jìn)一步減小地面沉降。在實(shí)際施工中，需要合理控制注漿的壓力、流量和注漿量，以確保注漿減摩效果的最大化。如果注漿壓力過大，可能會導(dǎo)致土體局部隆起；如果注漿量不足，則無法形成有效的潤滑層，減摩效果不佳。因此，根據(jù)工程實(shí)際情況，優(yōu)化注漿減摩工藝參數(shù)，對于減少密排管幕群頂管施工引起的地面變形具有重要意義。3.1.3注漿壓力注漿壓力是密排管幕群頂管施工中影響地面變形的又一重要因素，其引起土體位移的機(jī)理較為復(fù)雜。在頂管施工中，注漿的主要目的之一是減小掘進(jìn)機(jī)和后續(xù)管節(jié)與土體之間的摩擦力，同時填充管道與土體之間的空隙，對土體起到加固和穩(wěn)定作用。當(dāng)進(jìn)行注漿時，漿液在壓力作用下被注入到管道與土體之間的間隙中。根據(jù)球形擴(kuò)散理論和柱形擴(kuò)散理論，漿液在土體中的流動是滲透、劈裂、擠密等多種作用的共同結(jié)果。在壓力作用下，漿液會在樁端或管道周圍形成一個擴(kuò)散區(qū)域。在理想情況下，水泥漿液在土體中的擴(kuò)散可視為在樁端形成一個理想的球體（徑向擴(kuò)散部分相當(dāng)于增加了樁的直徑，豎向擴(kuò)散部分相當(dāng)于增加了樁長），在管道周圍則符合柱形擴(kuò)散理論，可視為平面徑向滲流。然而，實(shí)際施工中，護(hù)壁的泥漿及注漿漿液經(jīng)過持力層（一般為砂性土或風(fēng)化巖層）“過濾”后，樁端或管道附近土體的滲透性大大降低，從而形成了具有封閉水泥漿液作用的“填充區(qū)域”。該區(qū)域和樁側(cè)泥皮（對于頂管施工來說，類似管道與土體之間的接觸層）共同形成的封閉空腔，在一定程度上阻礙了漿液的進(jìn)一步擴(kuò)散。當(dāng)注漿壓力較小時，漿液可能無法充分填充管道與土體之間的空隙，無法有效減小摩擦力和對土體進(jìn)行加固，導(dǎo)致地面沉降難以得到有效控制。而當(dāng)注漿壓力過大時，漿液會對土體產(chǎn)生較大的擠壓作用。由于土體的受力特性，過大的注漿壓力可能會使土體產(chǎn)生劈裂和變形。漿液沿著土體的薄弱結(jié)構(gòu)面（如節(jié)理、裂隙等）擴(kuò)散，在高壓力下沿著連通性好的高角度裂隙擴(kuò)散到上部土層，從而導(dǎo)致地面抬升變形。例如，在某密排管幕群頂管施工中，由于注漿壓力設(shè)置過高，在注漿區(qū)域附近的地面出現(xiàn)了明顯的隆起現(xiàn)象，隆起高度達(dá)到了35mm，對周邊建筑物和道路造成了不利影響。注漿壓力對地面變形的影響程度和范圍與多種因素有關(guān)，如土體的性質(zhì)（包括土體的類型、孔隙率、滲透性、強(qiáng)度等）、注漿量、注漿時間以及管道的埋深等。在軟土地層中，由于土體的強(qiáng)度較低、孔隙率較大，注漿壓力對地面變形的影響相對更為明顯。而在硬土地層中，土體的抗變形能力較強(qiáng)，需要更大的注漿壓力才可能引起明顯的地面變形。注漿量的大小也會影響地面變形，較大的注漿量在一定注漿壓力下，會使?jié){液擴(kuò)散范圍更廣，對土體的影響范圍也更大。此外，注漿時間的長短也會影響地面變形的發(fā)展過程，長時間的高壓注漿可能會導(dǎo)致地面變形逐漸增大。3.2地質(zhì)條件的影響3.2.1土體性質(zhì)差異土體性質(zhì)的差異對密排管幕群頂管施工引起的地面變形有著顯著影響，不同類型的土體在力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征等方面存在明顯區(qū)別，導(dǎo)致在頂管施工過程中表現(xiàn)出不同的變形規(guī)律。軟土具有高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度和低滲透性等特點(diǎn)。在軟土地層中進(jìn)行密排管幕群頂管施工時，由于軟土的強(qiáng)度較低，無法提供足夠的抗力來抵抗頂管施工的擾動，因此地面變形往往較為明顯。例如，在某沿海城市的地鐵車站建設(shè)中，采用密排管幕群頂管施工技術(shù)穿越軟土地層，施工過程中地面沉降最大值達(dá)到了60mm，且沉降范圍較大。這是因?yàn)檐浲猎谑艿巾敼軝C(jī)的擠壓和剪切作用后，土體結(jié)構(gòu)容易被破壞，孔隙水壓力迅速上升，導(dǎo)致土體產(chǎn)生較大的塑性變形。隨著孔隙水的逐漸排出，土體發(fā)生固結(jié)沉降，進(jìn)一步加劇了地面沉降。此外，軟土的低滲透性使得孔隙水排出速度較慢，地面沉降的持續(xù)時間較長，對周邊環(huán)境的影響也更為持久。砂土則具有顆粒間聯(lián)結(jié)較弱、透水性強(qiáng)、壓縮性較低等特性。在砂土地層中進(jìn)行頂管施工時，地面變形規(guī)律與軟土地層有所不同。由于砂土的顆粒間摩擦力較大，在頂管機(jī)的作用下，砂土顆粒容易發(fā)生相對移動和重新排列，從而引起地面的沉降和隆起。當(dāng)頂管機(jī)向前推進(jìn)時，前方的砂土受到擠壓，顆粒間的孔隙減小，土體被壓縮，導(dǎo)致地面隆起；而在頂管機(jī)通過后，后方的砂土由于失去了頂管機(jī)的支撐，顆粒間的孔隙增大，土體發(fā)生松弛，引起地面沉降。例如，在某城市的地下管道工程中，在砂土地層進(jìn)行密排管幕群頂管施工，地面隆起高度最大達(dá)到了25mm，沉降深度最大為18mm。砂土的透水性強(qiáng)使得孔隙水能夠迅速排出，地面變形的發(fā)展速度相對較快，但在施工結(jié)束后，隨著孔隙水的排出和土體的重新固結(jié)，地面變形相對較容易穩(wěn)定。粘性土的性質(zhì)介于軟土和砂土之間，其粘聚力較大，顆粒間的聯(lián)結(jié)較強(qiáng)，滲透性相對較低。在粘性土地層中進(jìn)行密排管幕群頂管施工時，地面變形相對較小。這是因?yàn)檎承酝恋恼尘哿δ軌蛱峁┮欢ǖ目沽?，抵抗頂管施工的擾動，減少土體的變形。例如，在某市政工程中，在粘性土地層進(jìn)行頂管施工，地面沉降和隆起的最大值均控制在10mm以內(nèi)。然而，粘性土的變形具有一定的蠕變性，在施工結(jié)束后，土體可能會在長期的荷載作用下繼續(xù)發(fā)生緩慢的變形。不同土體性質(zhì)對密排管幕群頂管施工地面變形的影響差異明顯。在工程實(shí)踐中，必須充分考慮土體性質(zhì)這一因素，根據(jù)具體的土體類型，合理選擇施工參數(shù)和施工工藝，以有效控制地面變形，確保工程的安全和周邊環(huán)境的穩(wěn)定。3.2.2地下水位變化地下水位變化與密排管幕群頂管施工引起的地面變形密切相關(guān)，其對地面變形的影響主要通過土體的有效應(yīng)力原理和固結(jié)沉降理論來體現(xiàn)。在頂管施工過程中，當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r，土體中的孔隙水壓力隨之降低。根據(jù)有效應(yīng)力原理，土體的有效應(yīng)力等于總應(yīng)力減去孔隙水壓力。地下水位下降導(dǎo)致孔隙水壓力減小，使得土體的有效應(yīng)力增大。例如，在某工程場地，地下水位下降了3m，通過計算發(fā)現(xiàn)，土體的有效應(yīng)力增加了約30kPa。有效應(yīng)力的增大使得土體顆粒間的相互作用力增強(qiáng)，土體發(fā)生壓縮變形。這種壓縮變形首先表現(xiàn)為土體孔隙體積的減小，隨著孔隙體積的減小，土體的密實(shí)度增加，從而導(dǎo)致地面沉降。水位下降引起土體固結(jié)沉降的過程可分為三個階段：瞬時沉降階段：當(dāng)?shù)叵滤幌陆档乃查g，孔隙水壓力迅速降低，土體中的有效應(yīng)力立即增加，土體在有效應(yīng)力的作用下發(fā)生彈性變形，從而產(chǎn)生瞬時沉降。這個階段的沉降主要是由于土體的彈性壓縮引起的，沉降量相對較小，且發(fā)生速度較快。主固結(jié)沉降階段：隨著時間的推移，孔隙水在壓力差的作用下逐漸排出土體。在這個過程中，土體顆粒不斷重新排列，孔隙體積進(jìn)一步減小，土體發(fā)生固結(jié)沉降，這就是主固結(jié)沉降階段。主固結(jié)沉降是地下水位下降引起地面沉降的主要部分，其沉降量較大，且持續(xù)時間較長。在這個階段，沉降量與孔隙水的排出速度密切相關(guān)，而孔隙水的排出速度又受到土體滲透性、排水邊界條件等因素的影響。例如，在滲透性較好的砂土地層中，孔隙水能夠較快地排出，主固結(jié)沉降的發(fā)展速度相對較快；而在滲透性較差的粘性土地層中，孔隙水排出速度較慢，主固結(jié)沉降的持續(xù)時間會更長。次固結(jié)沉降階段：當(dāng)主固結(jié)沉降基本完成后，土體中的孔隙水壓力已經(jīng)降低到很小的值，但土體仍會在有效應(yīng)力的長期作用下發(fā)生緩慢的蠕變變形，這就是次固結(jié)沉降階段。次固結(jié)沉降的沉降量相對較小，但其持續(xù)時間很長，可能會對地面變形產(chǎn)生長期的影響。地下水位上升同樣會對地面變形產(chǎn)生影響。當(dāng)?shù)叵滤簧仙龝r，土體中的孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力減小。土體顆粒間的相互作用力減弱，土體的強(qiáng)度降低，可能導(dǎo)致地面隆起。此外，地下水位上升還可能使土體處于飽和狀態(tài)，增加土體的重量，進(jìn)一步加劇地面變形。在一些地下水位較高的地區(qū)，如沿海地區(qū)或河流附近，在進(jìn)行密排管幕群頂管施工時，必須充分考慮地下水位變化對地面變形的影響，采取有效的降水或排水措施，控制地下水位的波動，以減小地面變形的風(fēng)險。3.3管幕群布置參數(shù)的影響3.3.1管幕間距管幕間距是密排管幕群頂管施工中一個關(guān)鍵的布置參數(shù)，對土體穩(wěn)定性和地面變形有著顯著影響。在密排管幕群中，管幕間距直接關(guān)系到管幕與土體之間的相互作用以及管幕的整體支護(hù)效果。當(dāng)管幕間距過大時，管幕之間的土體無法得到有效的支撐，在頂管施工過程中，容易受到施工擾動的影響而發(fā)生變形和破壞。例如，在某工程中，由于管幕間距設(shè)置過大，在頂管施工過程中，管幕間的土體出現(xiàn)了明顯的坍塌現(xiàn)象，導(dǎo)致地面沉降加劇，最大沉降量達(dá)到了80mm，嚴(yán)重影響了周邊建筑物的安全。這是因?yàn)檫^大的管幕間距使得管幕間的土體無法形成有效的土拱效應(yīng)，無法將上部土體的荷載傳遞到管幕上，從而導(dǎo)致土體失去穩(wěn)定性。相反，若管幕間距過小，雖然能夠增強(qiáng)對土體的支護(hù)作用，減小地面變形，但會增加施工難度和成本。過小的管幕間距會使頂管施工過程中管道之間的相互干擾增大，頂進(jìn)精度難以控制，容易出現(xiàn)管道偏差、碰撞等問題。同時，過小的間距也會增加管材的使用量，提高工程成本。在另一個工程案例中，為了嚴(yán)格控制地面變形，將管幕間距設(shè)置得過小，結(jié)果在施工過程中，頂管機(jī)的頂進(jìn)遇到了很大困難，頻繁出現(xiàn)管道偏差，不得不花費(fèi)大量時間和成本進(jìn)行糾偏，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。確定合理的管幕間距需要綜合考慮多種因素，包括土體性質(zhì)、頂管直徑、頂進(jìn)長度、地面荷載以及工程對地面變形的控制要求等。一般來說，可以通過理論計算、數(shù)值模擬和工程經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法來確定。在理論計算方面，可以基于土拱效應(yīng)理論，考慮土體的內(nèi)摩擦角、粘聚力等力學(xué)參數(shù)，計算出能夠形成穩(wěn)定土拱的管幕間距。數(shù)值模擬則可以利用有限元軟件，建立密排管幕群頂管施工的數(shù)值模型，模擬不同管幕間距下的土體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和地面變形情況，直觀地分析管幕間距對地面變形的影響規(guī)律。工程經(jīng)驗(yàn)也是確定管幕間距的重要參考，通過對以往類似工程的分析和總結(jié)，可以為當(dāng)前工程提供有益的借鑒。例如，在某軟土地層的密排管幕群頂管施工中，通過理論計算和數(shù)值模擬，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，最終確定管幕間距為管徑的1.2倍，在施工過程中，地面變形得到了有效控制，最大沉降量控制在了20mm以內(nèi)，保證了工程的順利進(jìn)行和周邊環(huán)境的安全。3.3.2管徑與管長管徑和管長作為密排管幕群頂管施工中的重要管幕布置參數(shù)，對頂管施工過程及地面變形有著不可忽視的作用，它們主要通過影響土體的應(yīng)力分布來改變地面變形情況。較大的管徑在密排管幕群中具有更強(qiáng)的承載能力和穩(wěn)定性。當(dāng)管徑增大時，管幕與土體的接觸面積增大，能夠更好地分散上部土體的荷載，從而減小土體中的應(yīng)力集中現(xiàn)象。例如，在某大型地下商場的基坑支護(hù)工程中，采用了管徑較大的密排管幕群，由于管徑較大，管幕能夠有效地將基坑周邊土體的側(cè)向壓力分散，使得土體中的應(yīng)力分布更加均勻，地面變形得到了較好的控制。此外，較大的管徑還可以增加管幕的剛度，提高管幕抵抗變形的能力。在頂管施工過程中，較大管徑的管道在受到土體的擠壓和摩擦力時，更不容易發(fā)生變形和破壞，從而保證了施工的順利進(jìn)行。然而，管徑的增大也會帶來一些問題，如施工難度增加、成本提高等。大管徑的頂管機(jī)設(shè)備更加龐大，對施工場地和施工技術(shù)的要求更高；同時，管材的成本也會隨著管徑的增大而增加。管長對密排管幕群頂管施工及地面變形的影響也較為顯著。較長的管幕能夠提供更大的支護(hù)范圍，增強(qiáng)對深部土體的約束作用。在一些深基坑工程中，采用長管幕可以有效地控制基坑底部土體的隆起和周邊土體的沉降。這是因?yàn)殚L管幕能夠?qū)⑸喜客馏w的荷載傳遞到更深的土層，減小了淺部土體的應(yīng)力，從而減少了地面變形。例如，在某高層建筑的深基坑施工中，采用了長度較長的密排管幕群，管幕深入到基坑底部以下一定深度，有效地抑制了基坑底部土體的隆起，周邊地面的沉降也得到了明顯的控制。然而，管長的增加也會帶來一些挑戰(zhàn)，如頂進(jìn)阻力增大、施工精度控制難度增加等。隨著管長的增加，頂管施工過程中管道與土體之間的摩擦力增大，需要更大的頂進(jìn)力來推動管道前進(jìn)；同時，長管幕在頂進(jìn)過程中更容易發(fā)生偏差，對施工精度的要求更高。管徑和管長的選擇需要綜合考慮工程的具體情況，如工程地質(zhì)條件、地下水位、周邊建筑物分布、工程預(yù)算等因素。在實(shí)際工程中，應(yīng)通過詳細(xì)的勘察和分析，結(jié)合理論計算和數(shù)值模擬，合理確定管徑和管長，以達(dá)到控制地面變形、保證工程安全和降低成本的目的。四、地面變形的監(jiān)測方法與案例分析4.1地面變形監(jiān)測方法4.1.1傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)在密排管幕群頂管施工地面變形監(jiān)測中具有重要的基礎(chǔ)作用，水準(zhǔn)儀和全站儀是其中應(yīng)用較為廣泛的監(jiān)測儀器。水準(zhǔn)儀主要用于測量地面的沉降變化，其工作原理基于水準(zhǔn)測量原理，通過建立水平視線，利用水準(zhǔn)尺讀取不同測點(diǎn)的高程值，進(jìn)而計算出各測點(diǎn)的沉降量。在實(shí)際監(jiān)測過程中，首先需要在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)合理布置水準(zhǔn)點(diǎn)，包括基準(zhǔn)點(diǎn)和觀測點(diǎn)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在穩(wěn)定的位置，作為測量的基準(zhǔn)，其高程應(yīng)通過高精度的測量儀器（如精密水準(zhǔn)儀）進(jìn)行精確測定。觀測點(diǎn)則根據(jù)監(jiān)測需求，布置在可能出現(xiàn)地面變形的區(qū)域，如頂管施工沿線、周邊建筑物基礎(chǔ)等位置。測量時，水準(zhǔn)儀安置在合適的位置，使前后視距盡量相等，以減少誤差。通過讀取水準(zhǔn)尺上的讀數(shù)，計算出各觀測點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)的高差，從而得到觀測點(diǎn)的高程。不同時間對同一觀測點(diǎn)進(jìn)行測量，比較其高程變化，即可得到該觀測點(diǎn)在這段時間內(nèi)的沉降量。例如，在某密排管幕群頂管施工工程中，在頂管施工沿線每隔10m設(shè)置一個觀測點(diǎn)，以遠(yuǎn)離施工區(qū)域的穩(wěn)定基巖上的基準(zhǔn)點(diǎn)為參照，使用水準(zhǔn)儀定期進(jìn)行測量。在施工初期，每天測量一次，隨著施工的推進(jìn)，根據(jù)地面變形情況調(diào)整測量頻次。通過水準(zhǔn)儀的測量，能夠準(zhǔn)確地獲取地面沉降數(shù)據(jù)，為分析施工對地面變形的影響提供了可靠依據(jù)。全站儀則是一種集測角、測距、測高差功能于一體的測量儀器，在監(jiān)測地面位移方面發(fā)揮著重要作用。全站儀通過發(fā)射和接收電磁波，測量儀器到目標(biāo)點(diǎn)的距離，同時利用角度測量系統(tǒng)測量水平角和垂直角，從而確定目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在地面變形監(jiān)測中，將全站儀架設(shè)在穩(wěn)定的測站上，對預(yù)先設(shè)置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的觀測點(diǎn)進(jìn)行測量。觀測點(diǎn)通常采用反射棱鏡作為測量目標(biāo)，以提高測量精度。通過不同時間對同一觀測點(diǎn)的測量，比較其坐標(biāo)變化，即可得到觀測點(diǎn)在水平和垂直方向上的位移量。例如，在某大型地下商場的密排管幕群頂管施工中，為了監(jiān)測周邊建筑物的位移情況，在建筑物的墻角、柱底等關(guān)鍵部位設(shè)置觀測點(diǎn)，使用全站儀進(jìn)行監(jiān)測。在施工過程中，實(shí)時跟蹤觀測點(diǎn)的位移變化，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某觀測點(diǎn)的位移超過預(yù)警值時，及時采取相應(yīng)的措施，調(diào)整施工參數(shù)，確保建筑物的安全。全站儀還可以與計算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸和處理，提高監(jiān)測效率和精度。水準(zhǔn)儀和全站儀等傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)在密排管幕群頂管施工地面變形監(jiān)測中具有操作相對簡單、測量精度較高、數(shù)據(jù)可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)楣こ淌┕ぬ峁?zhǔn)確的地面變形數(shù)據(jù)，是地面變形監(jiān)測的重要手段。然而，傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)也存在一些局限性，如監(jiān)測范圍有限、監(jiān)測效率相對較低、難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時自動化監(jiān)測等，在實(shí)際應(yīng)用中，需要結(jié)合工程實(shí)際情況，合理選擇監(jiān)測技術(shù)，以滿足工程監(jiān)測的需求。4.1.2新型監(jiān)測技術(shù)隨著科技的不斷進(jìn)步，GPS、InSAR等新型監(jiān)測技術(shù)在密排管幕群頂管施工地面變形監(jiān)測中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢，為地面變形監(jiān)測提供了新的思路和方法。GPS（全球定位系統(tǒng)）技術(shù)是一種基于衛(wèi)星導(dǎo)航的空間定位技術(shù)，其基本原理是通過接收多顆衛(wèi)星發(fā)射的信號，利用三角測量原理確定觀測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在地面變形監(jiān)測中，GPS技術(shù)具有全天候、全球性、高精度、實(shí)時性等優(yōu)點(diǎn)。通過在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布置GPS觀測站，實(shí)時接收衛(wèi)星信號，解算出觀測站的坐標(biāo)。不同時間對同一觀測站的坐標(biāo)進(jìn)行比較，即可得到觀測站在三維方向上的位移變化，從而實(shí)現(xiàn)對地面變形的監(jiān)測。例如，在某城市地鐵線路的密排管幕群頂管施工中，為了實(shí)時監(jiān)測施工沿線的地面變形情況，在施工區(qū)域及周邊設(shè)置了多個GPS觀測站。這些觀測站實(shí)時采集衛(wèi)星信號，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。通過專業(yè)的GPS數(shù)據(jù)處理軟件，對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，能夠?qū)崟r獲取地面的沉降、隆起以及水平位移等變形信息。GPS技術(shù)不受通視條件的限制，可以在復(fù)雜的地形和環(huán)境下進(jìn)行監(jiān)測，且能夠?qū)崿F(xiàn)大面積的同步監(jiān)測，為全面掌握地面變形情況提供了有力支持。InSAR（合成孔徑雷達(dá)干涉測量）技術(shù)是一種基于雷達(dá)遙感的新型監(jiān)測技術(shù)，其原理是利用合成孔徑雷達(dá)對同一地區(qū)的兩次觀測數(shù)據(jù)，通過干涉處理獲取地面目標(biāo)的相位信息，進(jìn)而解算出地面的變形信息。InSAR技術(shù)具有監(jiān)測范圍廣、精度高、無需接觸目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。在密排管幕群頂管施工地面變形監(jiān)測中，InSAR技術(shù)可以對大面積的施工區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，快速獲取地面變形的分布情況。通過對不同時間獲取的雷達(dá)影像進(jìn)行處理，能夠精確地計算出地面的微小變形，精度可達(dá)厘米級甚至毫米級。例如，在某大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目的密排管幕群頂管施工中，利用InSAR技術(shù)對施工區(qū)域進(jìn)行定期監(jiān)測。通過分析InSAR監(jiān)測結(jié)果，可以清晰地看到地面變形的范圍和程度，為施工方及時調(diào)整施工方案提供了重要依據(jù)。InSAR技術(shù)還可以與其他監(jiān)測技術(shù)（如GPS技術(shù)）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，提高地面變形監(jiān)測的精度和可靠性。GPS、InSAR等新型監(jiān)測技術(shù)在密排管幕群頂管施工地面變形監(jiān)測中具有廣闊的應(yīng)用前景。它們能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的不足，為地面變形監(jiān)測提供更加全面、準(zhǔn)確、實(shí)時的信息，有助于及時發(fā)現(xiàn)地面變形問題，采取有效的控制措施，保障工程的安全順利進(jìn)行。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，新型監(jiān)測技術(shù)將在地下工程施工監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。4.2案例選取與工程概況為深入研究密排管幕群頂管施工引起的地面變形，選取了某城市地鐵車站配套地下通道的密排管幕群頂管施工項目作為典型案例。該工程位于城市繁華的商業(yè)中心區(qū)域，周邊建筑物密集，交通流量大，地下管線錯綜復(fù)雜，施工環(huán)境極為復(fù)雜，對地面變形的控制要求極高。該工程所在區(qū)域的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，從上至下依次分布著雜填土、粉質(zhì)黏土、粉砂和細(xì)砂層。雜填土厚度約為1.5-2.5m，成分復(fù)雜，主要由建筑垃圾、生活垃圾和粘性土組成，結(jié)構(gòu)松散，均勻性差。粉質(zhì)黏土厚度約為3-5m，呈軟塑-可塑狀態(tài)，含水量較高，壓縮性中等，具有一定的粘性和可塑性。粉砂層厚度約為4-6m，顆粒較細(xì)，滲透性較強(qiáng)，承載力相對較低。細(xì)砂層厚度約為5-8m，顆粒均勻，密實(shí)度較好，但在振動等作用下容易發(fā)生液化。地下水位較高，一般位于地面以下1.0-1.5m，主要為孔隙潛水，受大氣降水和地表水補(bǔ)給，水位隨季節(jié)變化明顯。在該工程中，密排管幕群采用直徑為800mm的鋼筋混凝土管，管幕間距為1.0m，共布置了5排管幕，形成了一道堅固的地下支護(hù)結(jié)構(gòu)。管幕的長度根據(jù)通道的埋深和地質(zhì)條件確定，一般為20-25m。管幕的布置呈拱形，與地下通道的形狀相適應(yīng)，以更好地承受上部土體和地面建筑物的荷載。在施工過程中，采用了土壓平衡頂管機(jī)進(jìn)行頂進(jìn)作業(yè)，通過控制土艙內(nèi)的土壓力，保持開挖面的穩(wěn)定。同時，采用了觸變泥漿減摩技術(shù)，在管節(jié)與土體之間注入觸變泥漿，形成一層潤滑層，減小頂進(jìn)阻力，降低對土體的擾動。4.3監(jiān)測方案設(shè)計與實(shí)施針對該工程復(fù)雜的施工環(huán)境和嚴(yán)格的地面變形控制要求，制定了詳細(xì)的地面變形監(jiān)測方案。在監(jiān)測點(diǎn)布置方面，沿地下通道的中心線，在頂管施工影響范圍內(nèi)，每隔5m設(shè)置一個沉降觀測點(diǎn)，共設(shè)置了50個沉降觀測點(diǎn)。在通道兩側(cè)，距離中心線5m、10m、15m處，分別垂直于通道方向布置觀測點(diǎn)，形成觀測斷面，每個斷面設(shè)置3個觀測點(diǎn)，共設(shè)置了30個觀測斷面，90個觀測點(diǎn)。在周邊建筑物的墻角、柱底等關(guān)鍵部位，也設(shè)置了觀測點(diǎn)，以監(jiān)測建筑物的沉降和位移情況。在工作井和接收井周圍，同樣布置了觀測點(diǎn)，以監(jiān)測井壁的變形和周邊土體的沉降。監(jiān)測頻率根據(jù)施工進(jìn)度和地面變形情況進(jìn)行合理確定。在施工初期，頂管機(jī)尚未進(jìn)入土體，地面變形相對較小，監(jiān)測頻率為每天1次。隨著頂管機(jī)的推進(jìn)，地面變形逐漸增大，監(jiān)測頻率增加到每天2-3次。當(dāng)頂管機(jī)接近接收井時，為了確保施工安全，監(jiān)測頻率進(jìn)一步提高到每4小時1次。在施工完成后的一段時間內(nèi)，地面變形可能仍會持續(xù)發(fā)展，因此在施工結(jié)束后的1周內(nèi)，監(jiān)測頻率為每天1次；1-2周內(nèi)，監(jiān)測頻率為每2天1次；2-4周內(nèi)，監(jiān)測頻率為每周2次；4周以后，根據(jù)地面變形的穩(wěn)定情況，適當(dāng)降低監(jiān)測頻率。在監(jiān)測方案的實(shí)施過程中，組建了專業(yè)的監(jiān)測團(tuán)隊，負(fù)責(zé)監(jiān)測儀器的安裝、調(diào)試、數(shù)據(jù)采集和分析工作。采用高精度的水準(zhǔn)儀、全站儀等監(jiān)測儀器，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在監(jiān)測過程中，嚴(yán)格按照監(jiān)測方案的要求，按時進(jìn)行監(jiān)測，并詳細(xì)記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時，密切關(guān)注施工進(jìn)度和施工參數(shù)的變化，及時分析監(jiān)測數(shù)據(jù)與施工參數(shù)之間的關(guān)系，為施工控制提供科學(xué)依據(jù)。例如，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個觀測點(diǎn)的沉降量突然增大時，立即對施工參數(shù)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)是由于頂進(jìn)速度過快導(dǎo)致的，及時調(diào)整頂進(jìn)速度，使地面變形得到了有效控制。4.4監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與結(jié)果討論在完成監(jiān)測方案的實(shí)施后，對獲取的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的整理和深入的分析，以揭示密排管幕群頂管施工過程中地面變形的發(fā)展趨勢和規(guī)律。通過對沉降觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)的整理，繪制了地面沉降隨時間變化的曲線。從曲線中可以清晰地看出，在頂管施工初期，隨著頂管機(jī)的逐漸推進(jìn)，地面沉降量逐漸增大。這是因?yàn)轫敼軝C(jī)在切削土體和向前推進(jìn)的過程中，對周圍土體產(chǎn)生了擾動，導(dǎo)致土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，從而引起地面沉降。例如，在頂管機(jī)開始頂進(jìn)后的前5天內(nèi)，距離頂管機(jī)較近的觀測點(diǎn)沉降量迅速增加，最大沉降量達(dá)到了10mm。隨著頂管機(jī)的繼續(xù)推進(jìn)，沉降量的增長速度逐漸減緩，這是因?yàn)橥馏w在受到擾動后，逐漸趨于穩(wěn)定，同時，施工過程中采取的一些控制措施，如注漿等，也起到了一定的作用。當(dāng)頂管機(jī)接近接收井時，地面沉降量又出現(xiàn)了一定程度的增大，這是由于頂管機(jī)在接收井附近的施工操作對土體的擾動加劇所致。在頂管施工完成后的一段時間內(nèi)，地面沉降仍在繼續(xù)發(fā)展，但沉降速率逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。通過對沉降穩(wěn)定后的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了地面沉降的最終分布情況。在頂管施工沿線，地面沉降呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，沉降量在頂管機(jī)前進(jìn)方向上逐漸減小，在垂直于頂管軸線方向上，沉降量隨著距離頂管軸線的增加而逐漸減小。對水平位移觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制了地面水平位移隨時間和空間變化的曲線。結(jié)果表明，在頂管施工過程中，地面水平位移主要發(fā)生在頂管機(jī)周圍一定范圍內(nèi)。頂管機(jī)在推進(jìn)過程中，對周圍土體產(chǎn)生了擠壓和剪切作用，導(dǎo)致土體發(fā)生水平位移。水平位移的方向與頂管機(jī)的推進(jìn)方向有關(guān)，在頂管機(jī)前方，土體主要發(fā)生向前的水平位移；在頂管機(jī)后方，土體主要發(fā)生向后的水平位移。水平位移的大小隨著距離頂管機(jī)的距離增加而逐漸減小。在頂管施工完成后，水平位移也逐漸趨于穩(wěn)定。通過對水平位移穩(wěn)定后的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)水平位移主要集中在頂管施工影響范圍內(nèi)，對周邊建筑物和地下管線的影響相對較小。綜合沉降和水平位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)，討論了施工過程中地面變形的發(fā)展趨勢和規(guī)律。地面變形在頂管施工過程中呈現(xiàn)出先增大后減小，最終趨于穩(wěn)定的趨勢。在施工初期，由于頂管機(jī)對土體的擾動較大，地面變形增長迅速；隨著施工的進(jìn)行，土體逐漸適應(yīng)了施工擾動，同時施工控制措施的效果逐漸顯現(xiàn)，地面變形增長速度減緩；在施工后期，頂管施工完成，土體逐漸恢復(fù)穩(wěn)定，地面變形也趨于穩(wěn)定。地面變形在空間上呈現(xiàn)出一定的分布規(guī)律，沉降量和水平位移量在頂管施工沿線和頂管機(jī)周圍較大，隨著距離的增加逐漸減小。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，還發(fā)現(xiàn)施工參數(shù)的變化對地面變形有顯著影響。例如，當(dāng)頂進(jìn)速度加快時，地面沉降和水平位移量會相應(yīng)增大；當(dāng)注漿壓力和注漿量合理調(diào)整時，可以有效減小地面變形。五、地面變形的預(yù)測模型與數(shù)值模擬5.1地面變形預(yù)測模型5.1.1經(jīng)驗(yàn)公式法經(jīng)驗(yàn)公式法在地面變形預(yù)測中具有廣泛的應(yīng)用，其中Peck公式是最為經(jīng)典的經(jīng)驗(yàn)公式之一。Peck公式由Peck在1969年提出，其理論基礎(chǔ)是假設(shè)地層變形由地層損失引起，且施工引起的地面沉降是在不排水的條件下發(fā)生的，進(jìn)而假定地表沉降槽體積等于地層損失體積。該公式認(rèn)為地表沉降槽符合高斯分布，其表達(dá)式為：s(x)=s_{max}e^{-\frac{x^{2}}{2i^{2}}}s_{max}=\frac{V_{s}}{\sqrt{2\pi}i}其中，s(x)為地面任一點(diǎn)的沉降值（mm）；s_{max}為地面沉降的最大值，位于沉降曲線的對稱中心上（對應(yīng)于隧洞軸線位置）（mm）；x為從沉降曲線中心到所計算點(diǎn)的距離（m）；i為從沉降曲線對稱中心到曲線拐點(diǎn)（反彎點(diǎn)）的距離，一般稱為“沉降槽寬度”（m），i可通過對正態(tài)分布函數(shù)二次求導(dǎo)，令其等于0求得；V_{s}為隧道單位長度地層損失（m^{3}/m）。地層體積損失率V_{l}，即單位長度地層損失占單位長度盾構(gòu)體積的百分比，與V_{s}的關(guān)系為V_{s}=\frac{\pi}{4}D^{2}V_{l}，其中D為盾構(gòu)外徑。在實(shí)際應(yīng)用中，Peck公式具有一定的優(yōu)勢。它形式簡單，計算方便，只需要確定地層損失率和沉降槽寬度等參數(shù)，就可以快速估算地面沉降量。在一些地質(zhì)條件相對簡單、施工工況較為常規(guī)的頂管工程中，Peck公式能夠較好地預(yù)測地面沉降的大致趨勢和范圍。然而，Peck公式也存在明顯的局限性。該公式是基于大量的工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出的，沒有充分考慮土體的力學(xué)性質(zhì)、施工工藝以及地下水位等因素對地面變形的復(fù)雜影響。在不同的地質(zhì)條件下，土體的壓縮性、滲透性等力學(xué)性質(zhì)差異較大，而Peck公式難以準(zhǔn)確反映這些差異對地面變形的影響。對于密排管幕群頂管施工這種復(fù)雜工況，由于管幕之間的相互作用以及施工過程中土體擾動的復(fù)雜性，Peck公式的預(yù)測精度往往較低。在軟土地層中，土體的壓縮性較高，Peck公式可能會低估地面沉降量；而在砂土地層中，土體的滲透性較強(qiáng)，Peck公式的預(yù)測結(jié)果可能與實(shí)際情況存在較大偏差。5.1.2理論計算法理論計算法基于彈性力學(xué)、土力學(xué)等理論，通過建立數(shù)學(xué)模型來推導(dǎo)地面變形的計算公式，為地面變形的預(yù)測提供了更為科學(xué)和精確的方法。基于彈性力學(xué)理論，在半無限彈性體表面作用豎向集中力P時，根據(jù)布辛奈斯克課題的位移解，可得到地基表面任意點(diǎn)的豎向位移w(x,y,0)，即地基表面的沉降S：S=\frac{P(1-\mu^{2})}{\piEr}其中，r為地基表面任意點(diǎn)到豎向集中力作用點(diǎn)的距離；E為地基土的彈性模量，常用變形模量E_{0}代之；\mu為地基土的泊松比。當(dāng)作用在地基表面的荷載為均布矩形荷載p_{0}時，對于矩形角點(diǎn)下地面沉降，可采用角點(diǎn)法，利用疊加原理進(jìn)行計算。均布矩形荷載p_{0}（基底附加壓力）作用下，其角點(diǎn)的沉降為：S_{c}=\frac{p_{0}b}{E_{0}}\omega_{c}其中，\omega_{c}為角點(diǎn)沉降影響系數(shù)，與矩形荷載的長寬比m=l/b有關(guān)，可通過查表得到。對于矩形中心點(diǎn)下地面沉降，均布矩形荷載p_{0}作用下，其中心點(diǎn)的沉降為S_{0}=2S_{c}，即S_{0}=\frac{2p_{0}b}{E_{0}}\omega_{c}，其中\(zhòng)omega_{0}=2\omega_{c}為中心點(diǎn)沉降影響系數(shù)。矩形荷載下地面平均沉降為S_{m}=\frac{p_{0}b}{E_{0}}\omega_{m}，\omega_{m}為平均沉降影響系數(shù)，同樣可通過查表確定。在土力學(xué)中，分層總和法是計算地基最終沉降量的常用方法。該方法的基本假定為：地基土是均質(zhì)、各向同性的半無限線性體；地基土在外荷載作用下，只產(chǎn)生豎向變形，側(cè)向不發(fā)生膨脹變形；采用基底中心點(diǎn)下的附加應(yīng)力計算地基變形量。其計算步驟如下：首先，將地基壓縮層深度范圍內(nèi)劃分為若干分層；然后，計算各分層的自重應(yīng)力\sigma_{cz}和附加應(yīng)力\sigma_{z}；接著，確定各分層的壓縮模量E_{s}，可從固結(jié)試驗(yàn)的壓縮曲線中按e-p曲線確定；再計算各分層的壓縮量\Deltas_{i}，公式為\Deltas_{i}=\frac{\sigma_{z}h_{i}}{E_{s}}，其中h_{i}為第i層土的厚度；最后，將各分層的壓縮量相加，得到地基的總沉降量S=\sum_{i=1}^{n}\Deltas_{i}。理論計算法的優(yōu)點(diǎn)在于其基于嚴(yán)格的力學(xué)理論，能夠較為準(zhǔn)確地反映土體的力學(xué)響應(yīng)和地面變形的內(nèi)在機(jī)制。通過合理考慮土體的物理力學(xué)參數(shù)、荷載條件以及邊界條件等因素，可以對地面變形進(jìn)行較為精確的預(yù)測。在一些對地面變形控制要求較高的工程中，理論計算法能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計和施工提供可靠的依據(jù)。然而，理論計算法也存在一定的局限性。它通常需要對實(shí)際工程進(jìn)行一定的簡化假設(shè)，如假設(shè)土體為均質(zhì)、各向同性等，這與實(shí)際情況可能存在差異。在實(shí)際工程中，土體的性質(zhì)往往是復(fù)雜多變的，存在不均勻性、各向異性以及非線性等特性，這些因素會增加理論計算的難度，甚至可能導(dǎo)致計算結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差。對于密排管幕群頂管施工這種復(fù)雜的工程問題，由于涉及到管幕與土體的相互作用、施工過程中的動態(tài)變化等因素，理論計算的復(fù)雜性進(jìn)一步增加，需要考慮更多的因素和采用更為復(fù)雜的模型來進(jìn)行分析。5.2數(shù)值模擬方法與模型建立5.2.1數(shù)值模擬軟件介紹在密排管幕群頂管施工地面變形研究中，數(shù)值模擬軟件發(fā)揮著不可或缺的作用。ANSYS和FLAC作為兩款在巖土工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的數(shù)值模擬軟件，各自具備獨(dú)特的功能和顯著優(yōu)勢。ANSYS是一款功能全面的大型通用有限元分析軟件，由美國ANSYS公司開發(fā)。其應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，涵蓋了航空航天、機(jī)械工程、土木工程等多個行業(yè)。在巖土工程分析方面，ANSYS憑借其強(qiáng)大的前處理功能，能夠便捷地進(jìn)行復(fù)雜的幾何建模。用戶可以根據(jù)實(shí)際工程的形狀和尺寸，精確構(gòu)建土體、管幕以及周邊結(jié)構(gòu)的三維模型。在構(gòu)建密排管幕群頂管施工模型時，ANSYS能夠準(zhǔn)確模擬管幕的布置方式、管幕與土體的接觸關(guān)系以及工作井和接收井的結(jié)構(gòu)。ANSYS擁有豐富的單元庫，包括實(shí)體單元、殼單元、梁單元等多種類型，能夠滿足不同巖土工程問題的模擬需求。在模擬土體時，可以選用實(shí)體單元來準(zhǔn)確描述土體的力學(xué)行為；對于管幕結(jié)構(gòu)，則可以采用梁單元或殼單元進(jìn)行模擬。該軟件提供了強(qiáng)大的求解器，能夠高效地處理大規(guī)模的非線性問題。在處理密排管幕群頂管施工中土體的大變形、材料非線性等復(fù)雜問題時，ANSYS能夠快速且準(zhǔn)確地計算出結(jié)果。ANSYS還具備強(qiáng)大的后處理功能，能夠以直觀的方式展示模擬結(jié)果。通過云圖、等值線圖、變形動畫等多種形式，用戶可以清晰地觀察到土體的應(yīng)力、應(yīng)變分布以及地面變形的情況，為工程分析和決策提供了有力支持。FLAC（FastLagrangianAnalysisofContinua）則是一款專門針對巖土工程開發(fā)的有限差分軟件，由美國ItascaConsultingGroup開發(fā)。它以拉格朗日差分法為核心算法，在處理巖土力學(xué)問題方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。FLAC能夠很好地模擬巖土材料的非線性力學(xué)行為，包括材料的屈服、塑性流動、破壞等現(xiàn)象。在密排管幕群頂管施工模擬中，能夠準(zhǔn)確反映土體在頂管施工擾動下的力學(xué)響應(yīng)。該軟件支持多種本構(gòu)模型，如摩爾-庫侖模型、德魯克-普拉格模型等，用戶可以根據(jù)實(shí)際土體的性質(zhì)選擇合適的本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。例如，在模擬粘性土地層時，可以選用摩爾-庫侖模型來描述土體的力學(xué)特性。FLAC還具有高效的并行計算能力，能夠大大提高計算效率，尤其適用于大規(guī)模的巖土工程數(shù)值模擬。在處理復(fù)雜的密排管幕群頂管施工模型時，通過并行計算，可以在較短的時間內(nèi)得到準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。FLAC的用戶界面簡潔明了，操作相對簡單，對于巖土工程專業(yè)人員來說，容易上手和掌握。ANSYS和FLAC等數(shù)值模擬軟件為密排管幕群頂管施工地面變形研究提供了強(qiáng)大的工具，能夠幫助研究人員深入了解施工過程中土體的力學(xué)行為和地面變形規(guī)律，為工程設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體工程問題的特點(diǎn)和需求，合理選擇合適的數(shù)值模擬軟件。5.2.2模型建立與參數(shù)設(shè)置為了深入研究密排管幕群頂管施工引起的地面變形，依據(jù)某實(shí)際工程案例，運(yùn)用FLAC3D軟件構(gòu)建了數(shù)值模擬模型。該實(shí)際工程位于城市的繁華商業(yè)區(qū)，周邊建筑物密集，地下管線復(fù)雜，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，自上而下依次分布著雜填土、粉質(zhì)黏土、粉砂和細(xì)砂層。在模型建立過程中，首先確定模型的尺寸。考慮到邊界效應(yīng)的影響，模型在水平方向上的尺寸設(shè)置為大于頂管施工影響范圍的一定距離，以確保邊界條件對模型內(nèi)部計算結(jié)果的影響可以忽略不計。模型在垂直方向上的尺寸從地面延伸至一定深度，涵蓋了頂管施工涉及的所有土層。在該工程案例中，模型在水平方向上的長度為100m，寬度為60m，垂直方向上的深度為30m。采用六面體單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在頂管施工區(qū)域以及管幕周圍，加密網(wǎng)格，以提高計算精度，準(zhǔn)確捕捉土體的應(yīng)力應(yīng)變變化。在遠(yuǎn)離施工區(qū)域的地方，適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，以減少計算量。通過合理的網(wǎng)格劃分，既保證了計算精度，又提高了計算效率。針對不同的材料，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。土體材料參數(shù)根據(jù)工程現(xiàn)場的地質(zhì)勘察報告和室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行確定。雜填土的彈性模量設(shè)置為5MPa，泊松比為0.35，重度為18kN/m3；粉質(zhì)黏土的彈性模量為8MPa，泊松比為0.32，重度為19kN/m3，粘聚力為15kPa，內(nèi)摩擦角為20°；粉砂的彈性模量為12MPa，泊松比為0.30，重度為20kN/m3，粘聚力為5kPa，內(nèi)摩擦角為30°；細(xì)砂的彈性模量為15MPa，泊松比為0.28，重度為21kN/m3，粘聚力為3kPa，內(nèi)摩擦角為35°。管幕采用鋼筋混凝土材料，其彈性模量設(shè)置為30GPa，泊松比為0.2，重度為25kN/m3。在邊界條件設(shè)置方面，模型的底部邊界固定，限制其在三個方向上的位移；側(cè)面邊界施加水平約束，限制水平方向的位移；頂部邊界為自由邊界，模擬地面與大氣的接觸。為了模擬地下水的作用，考慮到地下水位較高，位于地面以下1.5m，在模型中設(shè)置了孔隙水壓力邊界條件，根據(jù)地下水的滲流情況，計算孔隙水壓力的分布。通過以上模型建立和參數(shù)設(shè)置，構(gòu)建了能夠較為真實(shí)反映實(shí)際工程情況的數(shù)值模擬模型，為后續(xù)研究密排管幕群頂管施工引起的地面變形提供了基礎(chǔ)。在模型計算過程中，采用顯式差分算法，逐步模擬頂管施工的各個階段，分析土體的應(yīng)力應(yīng)變變化和地面變形情況。5.3模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析將數(shù)值模擬得到的地面變形結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，是驗(yàn)證數(shù)值模擬模型準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵步驟。在本研究中，針對前文所選取的某城市地鐵車站配套地下通道密排管幕群頂管施工案例，將基于FLAC3D軟件建立的數(shù)值模擬模型的計算結(jié)果與現(xiàn)場通過水準(zhǔn)儀、全站儀等監(jiān)測設(shè)備獲取的地面沉降和水平位移數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)對比。在地面沉降方面，選取了頂管施工沿線具有代表性的觀測點(diǎn)進(jìn)行對比。通過對比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬得到的地面沉降曲線與實(shí)測沉降曲線在整體趨勢上基本一致。在頂管施工初期，隨著頂管機(jī)的推進(jìn)，地面沉降逐漸增大，模擬結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)都反映出這一趨勢。例如，在頂管機(jī)頂進(jìn)50m時，模擬得到的某觀測點(diǎn)沉降量為12mm，實(shí)測沉降量為13mm，兩者較為接近。在頂管施工后期，地面沉降逐漸趨于穩(wěn)定，模擬結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)也都體現(xiàn)了這一變化。然而，在局部細(xì)節(jié)上，模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)存在一定差異。在某些觀測點(diǎn)，模擬沉降量略小于實(shí)測沉降量，這可能是由于數(shù)值模擬模型在建立過程中，對土體的某些復(fù)雜特性進(jìn)行了簡化，如土體的非均質(zhì)性、各向異性等，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在一定偏差。施工過程中的一些不確定性因素，如注漿效果的不均勻性、頂管機(jī)的微小偏差等，也可能對實(shí)測結(jié)果產(chǎn)生影響，而這些因素在數(shù)值模擬中難以完全準(zhǔn)確地模擬。在水平位移方面，同樣對模擬結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。結(jié)果顯示，模擬得到的地面水平位移分布與實(shí)測情況在大致范圍和方向上相符。在頂管機(jī)周圍一定范圍內(nèi)，地面水平位移較為明顯，且水平位移的方向與頂管機(jī)的推進(jìn)方向相關(guān)，這與實(shí)測數(shù)據(jù)反映的情況一致。在頂管機(jī)前方，土體的水平位移方向主要向前，模擬結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)都表現(xiàn)出這一特征。但是，在水平位移的具體數(shù)值上，模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)也存在一定的差異。部分觀測點(diǎn)的模擬水平位移量與實(shí)測值相差約5-10mm，這可能是由于數(shù)值模擬在考慮土體與管幕之間的摩擦力、土體的剪切變形等因素時，存在一定的誤差。施工現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境，如周邊建筑物的存在、地下管線的干擾等，也可能對實(shí)測水平位移產(chǎn)生影響，而這些因素在數(shù)值模擬模型中難以全面考慮。通過對模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比分析，雖然數(shù)值模擬模型能夠較好地反映密排管幕群頂管施工引起地面變形的整體趨勢和主要特征，但在局部細(xì)節(jié)和具體數(shù)值上與實(shí)測數(shù)據(jù)存在一定差異。這表明在數(shù)值模擬過程中，雖然已經(jīng)考慮了諸多因素，但仍存在一些不足之處。為了進(jìn)一步提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，在今后的研究中，需要更加深入地研究土體的復(fù)雜力學(xué)特性，完善數(shù)值模擬模型，考慮更多的實(shí)際影響因素，以減小模擬結(jié)果與實(shí)際情況的偏差，為密排管幕群頂管施工地面變形的預(yù)測和控制提供更加可靠的依據(jù)。六、地面變形的控制措施與工程應(yīng)用6.1施工工藝優(yōu)化措施6.1.1合理選擇施工參數(shù)合理選擇施工參數(shù)是控制密排管幕群頂管施工地面變形的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其中開挖面支護(hù)壓力和注漿壓力的精準(zhǔn)控制尤為重要。開挖面支護(hù)壓力必須依據(jù)工程實(shí)際的地質(zhì)條件進(jìn)行科學(xué)確定。在施工前，需要對工程場地進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘察，獲取土體的物理力學(xué)參數(shù)，如土體的內(nèi)摩擦角、粘聚力、重度等。通過這些參數(shù)，運(yùn)用土壓力理論計算出掘進(jìn)機(jī)所處土層的主動土壓力和被動土壓力。在施工過程中，將開挖面支護(hù)壓力控制在主動土壓力和被動土壓力之間，以確保開挖面的穩(wěn)定，減少地面變形。在某軟土地層的密排管幕群頂管施工中，通過地質(zhì)勘察確定土體的主動土壓力為50kPa，被動土壓力為80kPa，將開挖面支護(hù)壓力設(shè)置為65kPa，在施工過程中，地面沉降和隆起均控制在較小范圍內(nèi)，保證了工程的順利進(jìn)行。注漿壓力的選擇同樣需要綜合考慮多方面因素。注漿壓力與注漿量密切相關(guān)，應(yīng)根據(jù)管道與土體之間的空隙大小、土體的滲透性等因素確定合理的注漿量。一般來說，注漿量應(yīng)略大于管道與土體之間的空隙體積，以確保漿液能夠充分填充空隙。注漿壓力應(yīng)根據(jù)注漿量和土體的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。如果注漿壓力過大，可能會導(dǎo)致土體隆起和漿液泄漏；如果注漿壓力過小，則無法保證漿液的填充效果。在某工程中，通過現(xiàn)場試驗(yàn)和監(jiān)測，確定了合適的注漿量為每延米管道0.5m3，注漿壓力控制在0.3-0.5MPa之間，有效地減小了地面沉降。注漿材料的性能也會對注漿壓力產(chǎn)生影響。不同的注漿材料具有不同的粘度、凝結(jié)時間和抗壓強(qiáng)度等性能。在選擇注漿材料時，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況，選擇具有良好流動性、合適凝結(jié)時間和足夠抗壓強(qiáng)度的注漿材料。例如，在砂土地層中，宜選擇流動性好、凝結(jié)時間短的注漿材料，以確保漿液能夠迅速填充土體空隙；在粘性土地層中，則可以選擇抗壓強(qiáng)度較高的注漿材料，以增強(qiáng)土體的穩(wěn)定性。在某砂土地層的密排管幕群頂管施工中，選用了水玻璃雙液漿作為注漿材料，該材料具有流動性好、凝結(jié)時間快的特點(diǎn)，在注漿壓力為0.4MPa時，能夠有效地填充土體空隙，減小地面變形。合理選擇施工參數(shù)需要充分考慮工程實(shí)際的地質(zhì)條件、管道與土體之間的空隙大小、土體的滲透性以及注漿材料的性能等因素，通過科學(xué)計算、現(xiàn)場試驗(yàn)和實(shí)時監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對開挖面支護(hù)壓力和注漿壓力等關(guān)鍵施工參數(shù)的精準(zhǔn)控制，從而有效減少密排管幕群頂管施工引起的地面變形。6.1.2改進(jìn)頂進(jìn)技術(shù)改進(jìn)頂進(jìn)技術(shù)是控制密排管幕群頂管施工地面變形的重要手段，分段頂進(jìn)和同步注漿技術(shù)在其中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。分段頂進(jìn)技術(shù)能夠有效降低頂進(jìn)過程中的阻力，減少對土體的擾動，從而控制地面變形。在長距離頂管施工中，將管道頂進(jìn)過程分為若干段，每段頂進(jìn)一定長度后，設(shè)置中繼間。中繼間是一種在管道中間設(shè)置的輔助頂進(jìn)裝置，通過在中繼間內(nèi)安裝油缸，提供額外的頂進(jìn)力，克服管道與土體之間的摩擦力。采用分段頂進(jìn)技術(shù)，能夠減小每段管道的頂進(jìn)長度，降低頂進(jìn)阻力，使頂進(jìn)過程更加平穩(wěn)。在某長距離密排管幕群頂管施工工程中，頂進(jìn)長度達(dá)到500m，若采用一次性頂進(jìn)，頂進(jìn)阻力將非常大，可能導(dǎo)致管道變形甚至頂進(jìn)失敗。通過采用分段頂進(jìn)技術(shù)，將頂進(jìn)過程分為5段，每段頂進(jìn)100m，在每段之間設(shè)置中繼間。在施工過程中，頂進(jìn)阻力得到了有效控制，地面變形也明顯減小。中繼間的設(shè)置還可以根據(jù)頂進(jìn)過程中的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)某段頂進(jìn)阻力過大時，可以增加中繼間的數(shù)量或調(diào)整中繼間的位置，確保頂進(jìn)施工的順利進(jìn)行。同步注漿技術(shù)是在頂管機(jī)推進(jìn)的同時進(jìn)行注漿，能夠及時填充管道與土體之間的空隙，減小土體的變形。在同步注漿過程中，漿液通過盾尾的注漿孔注入到管道與土體之間的環(huán)形空隙中。漿液的注入壓力和注入量需要根據(jù)施工情況進(jìn)行合理控制。注入壓力應(yīng)略大于土體的側(cè)向壓力，以確保漿液能夠充分填充空隙，但又不能過大，以免引起土體的隆起。注入量應(yīng)根據(jù)管道與土體之間的空隙大小和土體的壓縮性進(jìn)行確定，一般應(yīng)保證漿液能夠完全填充空隙。同步注漿技術(shù)的關(guān)鍵在于注漿的及時性和均勻性。在某地鐵隧道密排管幕群頂管施工中，采用同步注漿技術(shù)，在頂管機(jī)推進(jìn)的同時，通過4個注漿孔向管道與土體之間的空隙注入漿液。通過實(shí)時監(jiān)測注漿壓力和注入量，確保了注漿的及時性和均勻性。在施工過程中，地面沉降得到了有效控制，最大沉降量控制在了15mm以內(nèi)。同步注漿技術(shù)還可以改善管道的受力狀態(tài)，提高管道的穩(wěn)定性。由于漿液在管道周圍形成了一層均勻的支撐層，能夠分散管道所承受的荷載，減少管道的變形和損壞。分段頂進(jìn)和同步注漿等改進(jìn)的頂進(jìn)技術(shù)，通過降低頂進(jìn)阻力、及時填充土體空隙等方式，有效地控制了密排管幕群頂管施工引起的地面變形。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)工程的具體情況，合理應(yīng)用這些技術(shù)，并不斷優(yōu)化施工工藝，以確保工程的安全和質(zhì)量。6.2土體加固與改良措施6.2.1土體加固方法深層攪拌樁作為一種常用的土體加固方法，在密排管幕群頂管施工中發(fā)揮著重要作用，其加固原理基于水泥與土體之間的物理化學(xué)反應(yīng)。通過特制的深層攪拌機(jī)械，將水泥作為固化劑，在地基深處就地與軟土進(jìn)行強(qiáng)制攪拌。水泥中的硅酸三鈣、硅酸二鈣等成分與土中的水分發(fā)生水解和水化反應(yīng)，生成氫氧化鈣、含水硅酸鈣、含水鋁酸鈣等水化物。這些水化物逐漸硬化，形成一種具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥土結(jié)構(gòu)，從而提高土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在某軟土地層的密排管幕群頂管施工工程中，采用深層攪拌樁對工作井和接收井周邊土體進(jìn)行加固。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，該區(qū)域軟土的含水量高、強(qiáng)度低，為了確保工作井和接收井的施工安全，設(shè)計了直徑為500mm的深層攪拌樁，樁間距為1.2m，呈梅花形布置，樁長深入到穩(wěn)定土層以下2m。在施工過程中，嚴(yán)格控制水泥的摻入量為15%，水灰比為0.5。通過對加固后的土體進(jìn)行現(xiàn)場載荷試驗(yàn)和室內(nèi)土工試驗(yàn)，結(jié)果表明，加固后的土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了3倍，從原來的0.2MPa提高到了0.6MPa，土體的壓縮性明顯降低，有效減少了頂管施工過程中工作井和接收井周邊土體的變形，保證了頂管施工的順利進(jìn)行。注漿加固是另一種重要的土體加固方法，其原理是利用液壓、氣壓或電化學(xué)原理，通過注漿管將漿液均勻地注入地層中。漿液在土體孔隙中擴(kuò)散、填充，與土體顆粒膠結(jié)在一起，形成強(qiáng)度較高的結(jié)石體，從而提高