油气长输管道道路顶管路面变形有限元分析.docx
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油气长输管道道路顶管路面变形有限元分析
油气长输管道道路顶管路面变形
有限元模拟与分析
管道工程设计所张锐
摘要：
浙江东部地区经济发达，地形地貌复杂，高速、国道、省道等道路分布众多。
油气长输管道在设计时会出现与道路交叉的情况。
较高等级的道路多数采用顶管穿越。
本文中使用Plaxis3d有限元软件对道路顶管过程进行模拟，并对路面产生的变形进行分析。
关键词：
道路顶管；有限元软件；路面变形；覆土厚度
前言
在管道穿越公路设计时，往往采用顶管穿越方式，其套管顶覆土厚度一般根据经验或安评单位要求进行设计，如根据经验进行的设计不符合安评要求则会造成重新设计，延误工程进度。
若符合要求但覆土厚度不合理会造成工程量增加，增加建设单位投资。
本文旨在研究利用Plaxis3d软件模拟顶管施工中套管顶埋深等因素对于路面变形的影响，为设计提供一定的借鉴与参考。
本文以甬台温AYZ008-1~AYZ009沿海中线穿越为例进行分析。
1.穿越工程概况
AYZ008-1~AYZ009沿海中线穿越位于宁波市鄞州区瞻岐镇合一村东南侧，穿越前后桩号为AYZ008-1、AYZ009。
穿越段管道水平长度59.30m，实际长度59.30m。
穿越段管道套管采用钢筋混凝土管，规格为DRCPⅢ1500×2000GB/T11836，套管长度为46.00m。
穿越路面宽度为21.81m。
路面下套管顶覆土厚度为4.60m。
1.1穿越地层及主要数据
根据地勘报告，场地地层主要粉质粘土及淤泥质粉质粘土组成。
分述如下：
第①层：
粉质黏土（Q4mc），黄褐色，可塑，主要成分为黏粒，干强度中等，韧性中等，含少量铁锰质氧化物。
其中0~0.2m为耕植土，含少量植物根系。
ZK10处表层0.8m夹较多碎石。
全场分布，层厚1.40~1.80m，层底高程-0.54~-0.27m。
第②层：
淤泥质粉质粘土（Q4mc），灰色，流塑，切面有光泽，干强度高，韧性中等，含少量有机质。
全场分布，最大揭露厚度6.60m。
本工程顶管穿越地层为第②层，淤泥质粉质粘土。
常年水位线标高为1.0~1.2m。
土层参数选取如下表1.1-1：
表1.1-1土层参数选取表
岩土编号
岩土名称
天然含水量ω（%）
土粒比重Gs
重力密度γkN/m3
压缩模量Es0.1-0.2（MPa）
粘聚力
Cq
（kPa）
快剪
内摩擦角φq
（度）快剪
1
粉质黏土
32.1
2.74
18.8
4.38
22.3
13.9
2
淤泥质粉质黏土
38.4
2.73
18.0
3.04
14.1
10.5
套管参数选取如下表1.1-2：
表1.1-2套管参数选取表
材质
轴向刚度Kpa
抗弯刚度Kpa
套管
C50
8.625×106
4.5×104
1.2顶管方式的选取
顶管施工按顶进工作面土质稳定性可分为开放式顶管与密闭式顶管，其中密闭式顶管可分为气压式平衡顶管、泥水平衡顶管与土压平衡顶管。
其中泥水平衡顶管方式是一种较先进的顶管方式，本文拟采用泥水平衡顶管方式进行分析。
泥水平衡顶管施工技术是利用泥水压力来平衡土压力和地下水压力的一种顶管施工方法。
同时利用排出的泥水来输送弃土的一种顶管施工工艺。
同时通过切削刀盘对机械或液压平衡的工作面进行全断面破碎，并将破碎下来的泥土通过水力的方法连续地从位于刀盘和导向头后面的破碎室或泥浆室中排至地表。
拟采用尺寸为1820×4000mm的泥水平衡顶管机。
2.路面变形分析
2.1分析软件选择
有限元软件作为一个分析工具，在地下工程中得到了很广泛的应用。
其能模拟施工中各个工况的情形。
目前，在地下工程领域应用广泛的软件有ANSYS、FLAC、ABAQUS、PLAXIS等。
本文采用PLAXIS来分析套管顶覆土厚度等因素对于道路变形的影响。
PLAXIS尤其适用于岩土工程领域中变形和稳定分析。
其有限元建模简单，可提供详细的数据计算结果，分析方便、快捷。
本文采用弹塑性的Mohr-Coulomb模型进行分析。
Mohr-Coulomb为经典的岩土分析模型，地勘资料多以Mohr-Coulomb模型进行分析报告。
因此采用Mohr-Coulomb模型更具合理性。
2.2有限元模型参数的确定
在有限元分析中，做了如下合理假定：
1.同一层土体为各向同行体，土体的构建模型为理想弹塑性体，采用库伦-摩尔模型；
2.套管为弹性体；
3.土体与套管变形协调；
4.不考虑路面动载荷；
5.不考虑路面沥青或水泥硬化。
2.3模型建立
根据地勘资料建立土体Mohr-Coulomb模型，并按不同底层进行附属性，如图2.2-1，上层为粉质粘土，下层为穿越层面的淤泥质粉质粘土。
同时建立线弹性套管模型。
并对模型边界进行约束，底层为水平与竖直方向的约束，两侧为竖直方向的约束。
图2.3-1二维模型建立
二维模型建立后根据顶管机尺寸与套管长度进行纵向拉伸，得到三维有限元模型。
如图2.3-2，中间较宽的区域为机头宽度，其他的为套管宽度。
图2.3-2三维模型建立
2.4计算分析
依据顶管过程，计算前将已顶进套管内土体开挖，并激活相应的管节。
同时输入端头泥水压力与套管收缩率数据，进行计算。
根据计算结果，选取路面一层进行数据查看，如图2.4-1与2.4-2。
图2.2-3路面变形云图
图2.4-2路面变形网格图
通过计算可知，路面除了沉降发生，还有隆起发生。
隆起发生在机头顶进前方，这是由于机头顶进力与泥水平衡压力共同作用造成的。
通过计算，路面最大隆起量为2.50mm，最大沉降量为4.11mm。
可见此顶管施工对路面变形影响较小。
3.不同参数变化对土体的影响
为了解不同因素对顶管过程的影响，本节中仍以甬台温AYZ008-1~AYZ009沿海中线穿越为模型，采用单一变量法进行分析。
这样可以更好的反映不同因素对于顶管过程的影响程度。
3.1端头泥水压力对土体的影响
由第二节分析可知，顶管过程中不仅有沉降现象的发生，还伴随着路面隆起现象的发生。
为更好地研究不同端头泥水压力对隆起的影响，现对端头泥水压力分别赋值，并计算分析结果。
从表3.1-1与图3.1-1可以看出，在推进面前方产生了隆起，这是由于顶进过程中泥水压力做造成的,并且最大隆起量是在推进面前方约3倍管径处。
并且根据结果分析可知，在推进面后方产生了沉降，这是由于管体开挖产生的地层损失引起的，同时在推进面后方约4倍管径处产生最大沉降量。
表3.1-1路面最大变形出与机头相对距离表
序号
机头端面前方距离m
机头端面后方距离m
1
4.7
-
2
2.5
-
3
2.5
4
4
4.5
4
5
6
6
6
6
6
7
6
8
8
-
8
9
-
10
10
-
8
平均值
4.6
6.75
图3.1-1端头泥水压力与土体变形量曲线图
3.2不同开挖量对土体的影响
3.2-1套管收缩率与土体变形量曲线图
由于机头尺寸与套管尺寸的差异，顶管过程中会存在一定的土体超挖。
管体的超挖量是通过模型的收缩率进行分析的，现对管体赋予不同收缩率经行开挖量对土体影响分析。
如图3.2-1可知，将套管伸缩率控制在2%以下时，路面沉降量较为合理。
3.3覆土厚度对于土体的影响
覆土厚度对底层位移会产生影响。
覆土厚度过小自然会导致自然土压小，施工时易出现设置压力远大于自然土压。
这种情况会使路面出现较大的隆起。
并且随着机头顶进过后，有土体的重力再和作用产生的一部分沉降抵消隆起。
本小节中的覆土厚度分别选取1.2m、2m、3m、5m和8m。
其中1.2m为《天然气管道工程设计规范》有关规定厚度，3m、5m为道路安评一般规定厚度。
不同覆土厚度下土体变形情况如下图3.3-1。
图3.3-1覆土厚度与土体变形曲线图
由上图可知，管顶覆土1.2m时，顶管机没有足够的导向力，不能进行顶管作业。
覆土厚度5m时，路面隆起量较为合理。
在顶管机顶进过程中，机头后方由于土体超挖后产生一定量的沉降，分析结果如下图3.3-2。
图3.3-2覆土厚度与土体变形曲线图
由上图可知，覆土厚度为1.2m时，无法进行顶管作业，且覆土厚度为5m时，路面沉降量较为合理。
综上可得，《天然气管道工程设计规范》中套管顶覆土1.2m的厚度不适用于顶管穿越方式。
同时，在顶管设计时，建议覆土厚度最小为4m。
3.4不同管径对于土体的影响
图3.4-1套管直径与土体变形曲线图
为了解不同管径对土体的影响，分别取1.1m、1.5m、2.4m和3m的管径进行分析。
由图3.4-1可知，套管直径越大，土体的沉降量边相应的增大，其函数关系为线性函数。
并且当管径增大时，覆土厚度也应增大，才能减少对土体的影响。
3.5土层弹性模量E对土体的影响
图3.5-1土层弹性模量E与土体变形曲线图
由图3.5-1可知，随着土体的弹性模量增大而减小，即土体越松软，引起的变形越大。
3.6小结
综上分析可知，顶管过程对土体的影响是受多个因素相互影响的。
可根据不同管径与地质进行覆土深度的选择，建议在选择合适顶管机头的基础上，顶管覆土厚度不小于1.5倍管径且最小为4m。
同时建议难点穿越最好具体问题具体分析。
4.结论与建议
针对不同地质条件多条道路综合分析得出如下结论：
1.顶管过程不仅产生沉降量，同时也会产生隆起量；且最大沉降量位于推进面后方约4倍管径处，最大隆起量位于推进面前方约3倍管径处。
2.当套管顶覆土厚度小于3m时不宜使用顶管穿越方式，宜采用大开挖穿越方式。
按套管顶1.2m覆土设计的道路穿越不可采用顶管穿越方式。
并建议道路顶管路面覆土厚度不小于1.5倍管径，且最小为4m。
3.控制好泥水压力与管体开挖量可以有效地防止路面产生隆起与沉降。
4.使用有限元软件分析顶管参数对于道路土体的影响程度，可以有很好的设计指导性。
5.存在问题
顶管过程对于路面的主要受顶管顶进力、地层损失、侧向摩擦力、顶进面泥水压力等四个因素的影响。
由于Plaxis3d软件建模限制，不能很好地模拟顶管顶力引起的土壤扰动情况，以及管壁外摩擦力对土壤扰动的影响情况。
本文只模拟了顶进过程中泥水压力以及地层损失对于路面变形的影响。
因此本文模拟分析还不够全面精确。
可使用Abaqus软件或Ansys软件进行全面的模拟分析。
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