DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.12.026

非开挖与明挖柔性管上土压力与变形对比分析

郑明明¹，韦猛¹，曹函²，吴晶晶²，张绍和²，蒋国盛³，刘天乐³，宗尼罗⁴

(1. 成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都，610059；

2. 中南大学 有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南 长沙，410083；

3. 中国地质大学(武汉) 工程学院，湖北 武汉，430074；

4. 美国得克萨斯农工大学 康莫斯分校工程与技术学院，得克萨斯州 康莫斯，75428)

摘要：利用PLAXIS 2D数值模拟软件，通过对实际案例的模拟计算验证软件的可靠性与精确性，并针对4种典型地层、不同地下水条件、2种施工方法，揭示明挖与非开挖管线上所受压力与变形的区别及成因，确定管线上压力与变形主要影响因素和作用机理。研究结果表明：管在变形的过程中周围土体对管产生土侧压力，致使PVC柔性管上的最大压力一般出现在管线两侧水平直径处。明挖法施工对土体的扰动范围远大于非开挖法的扰动范围，导致明挖管线上最大压力与变形量远比非开挖管线的大，其中明挖管线上最大压力是非开挖管线的2.6~11.65倍，变形量是非开挖管线的3.96~11.95倍。土体密度是影响明挖法管线上压力与变形的最主要因素，同时，内聚力和泊松比是影响非开挖管线上压力和变形的最主要因素。软黏土地层水位从-2.5 m升高到5.5 m的过程中，由于孔隙压力增大，有效应力减小，明挖管线上的最大压力与变形分别增加18.74%和13.38%，而非开挖管线上最大压力与变形则分别增加615.09%和311.11%，因此，水位的升高对非开挖管线的影响远比对明挖管线的影响大。

关键词：非开挖法；明挖法；PVC柔性管；土压力；变形；物性参数；地下水位

中图分类号：U173.1             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)12-3335-09

Comparative study on earth pressure and deformation of trenchless and open-cut pipe

ZHENG Mingming¹, WEI Meng¹, CAO Han², WU Jingjing², ZHANG Shaohe²,JIANG Guosheng³, LIU Tianle³, TSUNG Nilo⁴

(1. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China;

2. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring (Central South University), Ministry of Education, Changsha 410083, China;

3. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;

4. Department of Engineering & Technology, Texas A & M University-Commerce, Commerce 75428, USA)

Abstract: In order to analyze the main differences of soil pressure and deformation on open-cut and trenchless pipes, four typical soils, different groundwater depth, open-cut and trenchless construction methods were used. Firstly,PLAXIS 2D was used in a field case study to verify its reliability and accuracy. Then groups of models with different conditions were built to calculate the soil pressure and deformation of open-cut and trenchless pipes. Besides, the primary and secondary factors were determined and the mechanism of main factors on soil pressure and deformation were obtained. The results show that because of the lateral soil pressure formed during pipe deformation, the maximum soil pressure on PVC flexible pipe generally appears at the ends of the horizontal diameter. Due to the fact that the disturbance range of open-cut construction is significantly larger than that of trenchless construction, the maximum soil load on open-cut pipe is much larger than that of trenchless pipe. The maximum soil load on open-cut pipe is 2.66 to 11.65 times larger than that of trenchless pipe, while the deformation of open-cut pipe is 3.96 to 11.95 times larger than that of trenchless pipe. The soil density is the most important factor that affects the soil pressure and deformation of open-cut pipe, while the cohesion and Poisson’s ratio are the most important factors that affect the soil pressure and deformation on trenchless pipe. When ground water table rises from -2.5 m to 5.5 m in soft clay, with the increase of pore pressure and the decrease of effective stress, the maximum soil pressure and deformation on open-cut pipe increase by 18.74% and 13.38%, respectively. However, the maximum soil pressure and deformation on trenchless pipe increase by 615.09% and 311.11%, which indicates that the influence of ground water level on trenchless pipe is much larger than that on open-cut pipe.

Key words: trenchless method; open-cut method; PVC flexible pipe; soil pressure; deformation; physical parameters; groundwater level

明挖法最早始于公元前2 500年的中国，人们将竹子埋在地下作为管道进行水的运输，之后在世界各地陆续出现了陶土管、铅管以及铁管。直到19世纪20年代，随着钢管的出现，明挖法才开始大规模地流行，并显著地改变了人们的生活^[1]。明挖法具有施工简单、快捷、安全等优点，但成本较高且对周围交通、建筑、植被等影响较大，产生噪声以及灰尘等问题^[2]，已经成为限制其发展的主要因素。20世纪80年代，随着非开挖技术的出现与发展，逐渐解决了这些问题。非开挖技术能够在不开挖或极少量开挖的情况下，铺设、修复和更换管线，降低施工成本，对周围环境的影响较小^[2-4]，同时也延长了管线的使用寿命^[5]。美国的非开挖技术走在世界的前列，研究主要集中在管线安装与修复以及对环境的影响等方面：NAJAFI等^{[1, 6]}系统地研究了非开挖技术中管线安装、检测与更新技术；KNIGHT等^[7-8]通过现场测量与数值模拟对比研究了非开挖法与明挖法施工对上覆路面等周边环境的影响。目前，人们对明挖和非开挖管线上土压力与变形的对比也有一定研究：SPANGLER^[9]提出了明挖法硬管上垂直土压力的近似计算方法，给出了不同性质土层的荷载有效系数；STEIN等^[10-11]考虑了拱效应后提出了非开挖柔性管上土压力的计算方法；SPANGLER等^[12]确定了填埋柔性管上垂直载荷与水平变形之间的定量关系，且提出水平变形与垂直变形基本相等；WATKINS等^[13]在此基础上修改并完善计算方法后，提出用于计算填埋的柔性管变形的爱荷华公式；ZHAO等^[5]等通过计算得出相同条件下明挖管线上的土压力比非开挖管的大得多，且明挖管线对地面荷载更加敏感；ADEDAPO^[14]通过现场测量得出明挖管线变形是非开挖管的3~4倍，同时明挖法对上覆及周围路面的沉降影响也比非开挖法的明显要大。目前，人们对明挖和非开挖2种施工方法的对比已有一定研究，然而，对确定造成荷载与变形量区别的主要因素以及影响机理方面的研究较少。影响管线荷载与变形的因素较多，包括地层物性、地下水位条件、开挖方法、地面荷载、环境温度、管线埋深、管线材料与管径以及填埋时间等，很难明确主要影响因素与机理，且管壁上的压力与变形并不均一，具体的变化趋势尚不确定。本文作者通过PLAXIS 2D数值模拟软件，对4种地层，2种地下水位条件下，明挖和非开挖2种施工方法铺设的管线与土之间的相互作用进行模拟研究，通过计算与分析得出不同条件下管线上径向压力和竖向变形的分布及其主要影响因素，并分析土对管线的作用机理。

1  研究方法

1.1  PLAXIS 2D数值模拟软件简介

PLAXIS 2D是专门用于各种岩土工程中受力、变形和稳定性分析的二维有限元计算程序。程序包括几何建模、计算分析、结果输出和曲线生成4个部分，交互式图形界面简捷，操作方便。该软件提供了丰富的线弹性模型、摩尔-库仑模型、节理岩石模型、强化土模型和软土模型，能够模拟土体、板、锚杆、土工织物、隧道以及结构与土的接触面，可以快速生成几何模型和有限元网格，计算平面应变或者轴对称问题。

PLAXIS 2D广泛应用于大型基坑与周边环境相互影响、盾构隧道施工与周边既有建筑物相互作用、板桩码头应力变形分析、库水位骤升骤降对坝体稳定性的影响以及边坡开挖及加固后稳定性分析等。该软件可以进行分步施工设计和计算，可用于管壁与土体之间相互作用的研究。尤其是在不同土层性质，地下水位条件以及开挖方法影响下的地下管壁的受力与变形，软件的精确性和可靠性已被广泛验证^[15-16]。

1.2  模拟思路与方法

本文作者首先通过案例分析，将现场测量结果与模拟计算的结果进行比较，进一步验证PLAXIS软件的可靠性与计算结果的精确性。然后考虑施工方法、地层和地下水位等条件，建立数值模型，计算管线上压力与变形量，分析施工方法、地层物性、水位条件等对管线的影响，确定主要和次要影响因素以及主要因素对管与土之间相互作用的影响机理。

1.2.1  实例分析

加拿大安大略州滑铁卢市某小路由南向北长为709 m，宽为8 m，分别用水平定向钻进和明挖法在路面以下1.52 m和1.67 m深度安装直径为200 mm的SDR-17 HDPE管线。分别测量施工过程中与安装完毕后管线上的土压力以及变形量。施工示意图如图1所示，管线与土的参数如表1~2所示。地下水位深度在管线安装深度以下。

图1  非开挖与明挖法施工示意图

Fig. 1  Schematic of trenchless and open-cut construction methods

表1  SDR-17 HDPE管线参数^[14]

Table 1  Parameters of SDR-17 HDPE pipe

表2  路基土壤参数^[17]

Table 2  Parameters of subgrade

1.2.2  管线与土相互作用机理研究

为分析施工方法、地层物性、水位条件等对管线的影响，确定主要和次要影响因素以及主要因素对管与土之间相互作用的影响机理，分别考虑明挖与非开挖2种施工方法，松砂、密实砂、软黏土和硬黏土4种典型地层，管线在地下水位以上和全湮没等不同地下水条件，建立多组数值模型并计算管线上压力与变形量。

1) 模型参数和尺寸。模型中土层采用摩尔-库仑模型，为正常固结状态，土层的各参数是从规范及文献中引用的经典值或中间值，如表3所示。考虑到水位的影响范围，设无地下水条件为水位在管线底部以下2个管线直径深度，全湮没条件为水位在管线顶部以上2个管线直径深度。地面及周边无外加荷载。

明挖法中，基坑开挖深度为6 m，坑底宽度为3 m，而基坑的最大开挖坡度与土层类型及单独抗压强度有关。根据美国29 CFR 1926 OSHA建筑业条例得出4种土层基坑最大坡度，如表3所示。管线采用常用的C905 DR-21的36英寸PVC柔性管，直径为0.914 m。模型中PVC管线具体参数如表4所示。考虑到基坑开挖对周围土层及一定深度以下土层的影响，模型的尺寸分别向左、右及向下各延伸4倍^[18]的开挖深度。左、右与下边界没有水平位移但允许垂直运动，且边界均为透水边界。而非开挖模型的尺寸、管线深度、网格疏密度与明挖法模型相同。

2) 分步施工与计算。明挖法模型中施工分为4个步骤：第1步，降低水位至欲开挖基坑底面以下1米位置；第2步，开挖土层至预定的深度与坡度；第3步，安装管线与回填并压密开挖土体；第4步，地下水位升高至原水位高度。而非开挖安装过程中并不需要降低水位，因此模型中只有2个步骤：第1步，开挖出钻孔轨迹；第2步，安装管线。

表3  模型中土壤参数

Table 3  Parameters of soils in PLAXIS models

表4  模型中PVC管线参数

Table 4  Parameters of PVC pipe in PLAXIS models

2  结果与讨论

2.1  实测数据与模拟结果对比分析

现场采集管线的变形量，并利用现场数据通过非开挖柔性管土压力公式^[6]和埋管土压力公式^[14]计算管线上压力，如表5所示。PLAXIS软件的模拟结果如图2和表5所示，其中压力与变形的负号仅代表方向。由图2和表5可知：模拟计算得出的管线上最大压力和管线竖向变形量与现场测量的结果较为接近，偏差都在5%以内。由此可见，PLAXIS模拟软件可用于计算明挖与非开挖管线荷载与变形方面，且结果的准确性较高，同时也表明建模方法较为贴近实际，可以用于后续的研究之中。

2.2  开挖方法对管线压力与变形的影响

为分析施工方法对管线上压力与变形的影响，确定不同开挖方法对管与土之间相互作用的影响机理，将模型的计算结果进行分组，结果如图3~4所示。图中压力与变形的负号仅代表方向。

由图3~4可知：管壁上的径向压力与竖向变形并不是均匀的；当管线上压力较大时，管线的变形量也较大。由于土、水压力与管自重的影响，管壁上最大压力发生在管线底部(见图3(b)中曲线3和4)，朝管壁顶部方向则压力逐渐减小；随着压力不断增大，管壁上压力最大值点逐渐转移到管线水平直径处(最右端)，而朝管壁两侧方向压力逐渐减小。这主要是因为管道在垂直压力的作用下产生一定的水平变形，挤压侧面土体，从而使管侧承受相应的被动土压力。随着水平变形的增大，其变形量可达到与竖向位移相当^[12]，土侧压力不断增大，从而使最大压力点转移到最两侧的水平直径处。管线的竖向变形以底部为零点，竖向变形曲线如图3(c)~(d)以及图4(c)~(d)所示。由图3~4可知：管壁上压力越大，相应的变形曲线的斜率也越大，斜率变化趋势与相应的压力变化趋势基本相同。

图2  管线径向压力和垂直变形量数值模拟结果

Fig. 2  Numerical simulation results of radial earth pressure and vertical deformation

表5  现场测量与PLAIXS模拟结果对比

Table 5  Comparison of field measurements and PLAXIS simulation results

图3  无水条件下明挖与非开挖管线上径向压力与竖向变形随深度变化

Fig. 3  Changes of radial earth pressure and vertical deformation with depth on open-cut and trenchless pipe

由图3~4可知：相同水位和地层性质条件下，明挖管上的最大压力是非开挖管上的2.66~11.65倍，而变形量是非开挖管的3.96~11.95倍。在相同条件下，非开挖管上的压力与变形量都要比明挖管上的大得多，这主要是因为2种施工方法对土的扰动范围与程度不同，明挖法在开挖的过程中破坏了原有的土体的结构，所铺设的管线上的压力与变形主要是在土的回填与固结过程中形成的。而非开挖法仅对钻孔轨迹周围一定范围内的环形土体有所扰动，管线上压力与变形主要是钻孔壁周围土体应力释放与重新分布时形成的。与明挖法相比，非开挖施工对管线周围土结构的扰动范围要小得多。同时，由于压力越大，变形量也越大^[9]，因此明挖管壁的变形比非开挖的也大得多。此外，管线的使用寿命与管结上最大压力与变形量密切相关。一般地，压力与变形越大，则寿命越短，因此，在实际工程中，使用非开挖技术铺设的管线寿命要比明挖法的长得多。

图4  全湮没条件下明挖与非开挖管线上径向压力与竖向变形随深度变化

Fig. 4  Changes of radial earth pressure and vertical deformation with depth on submerged open-cut and trenchless pipe

2.3  地层物性对管线压力与变形的影响

地层物性参数包括密度、内聚力、摩擦角、弹性模量和泊松比等，其对管线与土之间的作用也有重要影响。在相同地下水条件与施工方法下，地层物性不同，管线上的压力与变形也明显不同(见图3~4)。4种地层中，明挖法管壁上的最大压力从大到小排序依次为密实砂、硬黏土、松砂、软黏土，相应的变形量排序与压力排序相同。而非开挖管线上的最大压力从大到小排序依次为松砂、密实砂、软黏土、硬黏土，相应的变形量排序也相同。可以发现，地层性质对2种施工方法中管线上压力与变形的影响十分明显，因此分析不同类型地层对管线上压力与变形的影响将会对工程应用有重要的指导作用。

为进一步分析土层物性参数中影响管线上压力和变形量的主要因素，分别考察密度、内聚力、摩擦角、弹性模量和泊松比5个参数与管线上压力和变形量之间的关系。每个参数均匀选择4个水平点，模拟计算出各水平点对应的管线上最大压力和变形量，结果如表6所示。

由表6可知：明挖管壁最大压力与变形量随密度、内聚力和摩擦角的增大而增大，随弹性模量和泊松比的增大而减小。密度是影响明挖法管壁上最大压力与变形的最主要因素，其次是泊松比与内聚力，而摩擦角和弹性模量对管线的影响较小。

表6  不同土壤参数下管线上最大径向压力与竖向变形量

Table 6  The maximum radial earth pressure and vertical deformation value under different soil parameters

而非开挖管线上最大压力与变形量随内聚力、摩擦角和弹性模量的增大而减小，随泊松比和密度增大而增大。内聚力对最大压力的影响最大，而泊松比对变形量的影响最大，二者分别是影响管线上最大压力和变形量的主要因素，其次是摩擦角与密度，而弹性模量对管线的影响则较小。

由此可见，密度是影响明挖管线上最大压力与变形量的最主要因素，而内聚力和泊松比分别是影响非开挖管壁上最大压力和变形的最主要因素。图3(b)和4(b)中松砂地层中非开挖管线上的压力比其他3个地层的大得多，其主要原因是松砂的内聚力比其他地层的内聚力明显要小。

2.4  地下水位对管线压力与变形的影响

外水压力是地下管线的重要荷载之一，而外水压力与地下水位高度密切相关，因此，研究不同地下水位对管线的影响也显得十分必要。由图3~4可知：在相同开挖方法和地层性质条件下，无水与全湮没条件下管壁上的压力与变形量明显不同。为进一步分析地下水位高度与管线上压力与变形量之间的关系，设管线中心为零水位深度，模拟计算4种水位深度下非开挖与明挖管线上径向压力与竖向变形情况，结果如图5所示。

由图5可知：当地下水位从-2.5 m上升到5.5 m时，明挖管线上径向最大压力从40.08 kPa上升到47.59 kPa，变形量从4.56 mm上升到5.17 mm，分别增大18.74%和13.38%。而非开挖管线上径向最大压力从4.44 kPa上升到31.31 kPa，变形从0.54 mm上升到2.22 mm，分别增加615.09%和311.11%。由此可见，地下水位的上升对非开挖管线的影响比明挖管线的影响大，而管线中心以下水位的变化对管线的影响微小。另外，2种施工方法下管线底部与顶部的压力上升幅值基本相等。这主要是因为在有水条件下，管线上的压力分为压力和孔隙水压力，随着地下水位升高，孔隙水压力增大，导致土颗粒间的有效应力减小。明挖管线上最大压力远大于非开挖管线上的土压力，从而土侧压力受有效应力的影响减小较多。加上与深度成正比的孔隙水压力后，明挖管线上最大压力增量较小。非开挖管线土压力受有效应力减小的影响较小，相同的孔隙水压力增量下管线上的增幅较大。同理，明挖管线变形量要比非开挖管线的小。

由上述分析可知：地下水位的升高对非开挖管线的影响更加明显，在实际工程中，应尽量选择水位较低和变化较小的地区以减小管线上压力与变形量，延长管线的使用寿命。

图5  明挖与非开挖管线上径向压力与竖向变形随水位变化

Fig. 5  Changes of radial pressure and vertical deformation with water table depth on open-cut and trenchless pipe

3  结论

1) 明挖和非开挖柔性管线上压力与变形量并不是均匀分布的，压力的最大值一般出现在管壁两侧的水平直径处，而最小压力则通常出现在管壁底部。与此同时，压力较大处管壁的变形量也较大。

2) 在相同条件下，明挖法管线上的最大压力与其变形量要比非开挖管线的大得多，明挖管线上的最大压力是非开挖管线的2.66~11.65倍，而变形量则是非开挖管线的3.96~11.95倍。

3) 明挖管线上压力与变形量随密度、内聚力和摩擦角的增大而增大，随弹性模量和泊松比的增大而减小。密度是影响明挖管线上压力与变形的最主要因素。而非开挖管线上压力与变形量随内聚力、摩擦角和弹性模量的增大而减小，随泊松比和密度的增大而增大。内聚力和泊松比分别是影响非开挖管线上压力和变形量的主要因素。

4) 随着水位从-2.5 m升高到5.5 m，孔隙水压力增大，有效应力减小，明挖管线上最大压力与变形量分别增大18.74%和13.38%，而非开挖管线上最大压力与变形量分别增加615.09%和311.11%。水位的升高对非开挖管线的影响远大于对明挖管线的影响。

致谢：感谢美国德州大学阿灵顿分校Mohammad Najafi教授提供的现场测量数据和对理论分析方面提供的建议，同时感谢河北大学余莉副教授对数值建模和数据处理等方面提供的指导。

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(编辑  伍锦花)

收稿日期：2017-01-07；修回日期：2017-03-02

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(41702389，41572358，41502346，41302124)；湖北省自然科学基金重点资助项目(2012FFA047)；有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室(中南大学)开放基金资助项目(2016YSJS0011，2016YSJS009，2016YSJS005)(Projects(41702389, 41572358, 41502346, 41302124) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2012FFA047) supported by the Natural Science Foundation of Hubei Province; Projects(2016YSJS0011, 2016YSJS009, 2016YSJS005) supported by Open Research Fund Program of Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring (Central South University), Ministry of Education)

通信作者：吴晶晶，博士，助理研究员，从事地下空间开发与利用方面的科学研究；E-mail：wujingjing0408@163.com