淺埋矩形頂管施工引起的地層沉降變化規(guī)律*

桂 林 任睿祺 史培新 劉 維

(1.蘇州軌道交通集團(tuán)有限公司，215004，蘇州；2.蘇州大學(xué)軌道交通學(xué)院，215131，蘇州∥第一作者，高級(jí)工程師)

0 引言

淺埋矩形頂管施工技術(shù)以其施工噪聲低、環(huán)境污染小、施工用地少、開挖面積小的優(yōu)勢(shì)成為了城市淺埋隧道施工的重要選擇。隧道開挖必然會(huì)打破原有土層的應(yīng)力平衡，引起周圍土體產(chǎn)生變形。

頂管施工引起地面變形的計(jì)算方法從圓形的盾構(gòu)隧道施工相關(guān)理論發(fā)展而來，主要有以Peck公式為主的經(jīng)驗(yàn)法、以Mindlin解和隨機(jī)介質(zhì)理論為代表的理論分析法、數(shù)值模擬法等。在理論方法中，隨機(jī)介質(zhì)理論因其具有可以考慮隧道斷面形狀、變形模式等的優(yōu)點(diǎn)而被迅速推廣，并應(yīng)用至矩形頂管施工引起的地面變形計(jì)算中。

在此基礎(chǔ)上，許多學(xué)者針對(duì)頂管施工引起的地面變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)研究。文獻(xiàn)[1]對(duì)內(nèi)蒙古科技大學(xué)地下過街通道工程進(jìn)行了地表沉降監(jiān)測(cè)研究，文獻(xiàn)[2]對(duì)南寧地鐵1號(hào)線金湖廣場(chǎng)站3號(hào)出入口過街通道工程進(jìn)行了地表沉降監(jiān)測(cè)研究，文獻(xiàn)[3]對(duì)上海軌道交通2號(hào)線張江高科站1號(hào)出入口矩形頂管穿越工程進(jìn)行了地表沉降監(jiān)測(cè)研究。各研究結(jié)果表明，地表橫向沉降曲線以頂管軸線為對(duì)稱軸呈正態(tài)分布。但關(guān)于頂管施工的主要影響范圍尚未達(dá)成統(tǒng)一結(jié)論。

相較于圓形盾構(gòu)隧道，矩形頂管隧道往往具有較大的影響范圍和地表沉降。經(jīng)分析，由于矩形頂管隧道通常埋深淺，且管節(jié)頂部與土體接觸面幾乎是一個(gè)平面，故矩形頂管機(jī)在頂進(jìn)過程中，其上部卸荷拱高度以內(nèi)的土體約束較弱，使得土體直接坍塌在頂管機(jī)上方，形成較大、較寬的地表沉降槽，并使頂管機(jī)頂進(jìn)困難。該現(xiàn)象被稱為“背土效應(yīng)”[4-5]。若將頂管周圍土體按圖1劃分，則在原有研究成果與工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上不難得出：管節(jié)范圍正上方的土體(Ⅰ區(qū))是受施工影響最大的區(qū)域[6]。

圖1 頂管周圍土體區(qū)域劃分示意圖

文獻(xiàn)[7]在此基礎(chǔ)上提出了整體背土效應(yīng)理論，認(rèn)為隨著頂管頂程逐漸增大，其正上方土體與管節(jié)接觸面積越來越大，造成正上方土體與管節(jié)的總摩擦阻力越來越大，超出了周邊土體的整體約束能力，從而導(dǎo)致正上方土體伴隨管節(jié)整體位移的突發(fā)破壞現(xiàn)象。背土效應(yīng)還可能導(dǎo)致頂管尾端地面下沉及前端被動(dòng)隆起。

由此可見，矩形頂管法隧道施工引起的地表變形的機(jī)理是多方面的。為了研究矩形頂管施工對(duì)地面變形的具體影響，本文以蘇州軌道交通5號(hào)線(以下簡(jiǎn)為“蘇州5號(hào)線”)某車站過街通道頂管工程為例，通過對(duì)施工引起的地表沉降進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，并利用現(xiàn)有理論對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到此類工程施工引起的地表沉降變化規(guī)律。

1 工程概況

蘇州5號(hào)線某車站過街通道工程采用矩形頂管法施工，掘進(jìn)長(zhǎng)度為61.8 m，覆土深度約為4.42～5.09 m。施工機(jī)械工作面尺寸為6.93 m×4.23 m的多刀盤土壓平衡式矩形頂管機(jī)(工作斷面如圖2所示)。管節(jié)如圖3所示。通過計(jì)算可得，地層損失率Vl(頂管管片截面面積與頂管機(jī)截面面積比值)為1.14%。頂管機(jī)截面與頂管管片截面之間的平均間隙Δd=15 mm。

圖2 工作斷面正視圖

a)正視圖

場(chǎng)地地層分布情況如圖4所示。頂管主要穿越土層為①1層、③1層、③3層，其中③3層為微承壓水層。該地區(qū)平均地下水位為-3.91m，潛水主要賦存于填土和淺層黏性土中，屬孔隙型潛水，富水性較差。微承壓水主要賦存于第③3層、④2層及⑤2層中，④2層滲透性強(qiáng)，含水量較為豐富。整體工程施工場(chǎng)地內(nèi)具有地下水位高、管線密布等特點(diǎn)，對(duì)地表沉降的控制要求很高。各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

圖4 場(chǎng)地地層分布情況

經(jīng)驗(yàn)表明，在土體及管節(jié)參數(shù)一定時(shí)，防止頂管施工發(fā)生破壞的關(guān)鍵是控制管土摩擦系數(shù)μt及管土黏聚力ct。為保證施工質(zhì)量、控制地表沉降，在頂進(jìn)過程中，需通過壓漿環(huán)管向節(jié)外壁壓注一定數(shù)量的減摩泥漿，并采用多點(diǎn)對(duì)稱壓注使泥漿均勻地填充在管節(jié)外壁和周圍土體間的空隙，來減少管節(jié)與土體間摩阻力,起到降低頂進(jìn)阻力的效果。施工過程中，注漿壓力控制范圍為68.04～155.16 kPa；注漿量為1.00～1.67 m3/節(jié)；土倉(cāng)壓力值設(shè)置為0.10～0.12 MPa。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為了研究頂管頂進(jìn)施工過程對(duì)地表擾動(dòng)的情況，以頂管頂進(jìn)中心軸線為對(duì)稱軸，選擇監(jiān)測(cè)斷面K1、K2(拼裝至29環(huán)及36環(huán))分別布設(shè)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(如圖5所示)，對(duì)整個(gè)頂管施工過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖5 地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

本次頂管施工整體為勻速頂進(jìn)；在拼裝至27環(huán)時(shí)，因物料問題暫停施工；拼裝至37環(huán)時(shí)，因?qū)㈨敵鯩JS(全方位高壓旋噴注漿)加固區(qū)，施工速度較慢。

2.1 頂管軸線位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表沉降變化

圖6及圖7為頂管頂進(jìn)引起K1、K2監(jiān)測(cè)斷面的地表位移(負(fù)值為沉降,正值為隆起)。其中K2-1監(jiān)測(cè)點(diǎn)由于在施工過程中部分時(shí)間被占用，故未測(cè)得該點(diǎn)的部分?jǐn)?shù)據(jù)。觀察發(fā)現(xiàn)：①K1、K2斷面的5個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降規(guī)律基本一致；②較同斷面其他測(cè)點(diǎn)來說，K1-3和K2-3兩個(gè)位于軸線處的測(cè)點(diǎn)沉降較大；③K1斷面中，K1-1與K1-5、K1-2與K1-4兩組沉降變化規(guī)律相似，符合整個(gè)工程沿頂管軸線位置大致對(duì)稱的規(guī)律；④測(cè)點(diǎn)K2-2與K2-4沉降略有差距，可能是由測(cè)點(diǎn)布置不完全對(duì)稱而導(dǎo)致的。

圖6 K1斷面地表位移

圖7 K2斷面地表位移

從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，固定斷面隨頂管頂進(jìn)的沉降變化主要分為5個(gè)階段：①當(dāng)頂管機(jī)頂進(jìn)至A段時(shí)，頂管對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的影響較輕；②當(dāng)頂管機(jī)頂進(jìn)至B、C段時(shí)，土體主要受頂管頂力、開挖面支護(hù)壓力共同作用，地表迅速沉降，沉降值約為10 mm；③當(dāng)頂管機(jī)頂進(jìn)至C段時(shí)為機(jī)身通過的平緩段(頂管機(jī)身長(zhǎng)約4.0 m)，土體既未受到土倉(cāng)壓力的擠壓作用，也未受到同步注漿壓力的影響，因此沉降沒有繼續(xù)發(fā)展，此時(shí)地表沉降達(dá)到最大值；④當(dāng)頂管機(jī)頂進(jìn)至C段時(shí)，對(duì)管節(jié)超挖位置進(jìn)行同步注漿導(dǎo)致地表被抬起,這是引起該段土體變形的主要原因；⑤當(dāng)頂管機(jī)頂進(jìn)至D段時(shí)，注漿完成后，土體由于固結(jié)作用產(chǎn)生沉降。

圖8 測(cè)點(diǎn)K1-3與K2-3隨頂管頂進(jìn)地表位移

2.2 監(jiān)測(cè)斷面沉降槽

圖9及圖10為K1、K2監(jiān)測(cè)斷面處各測(cè)點(diǎn)頂管頂至不同位置時(shí)的沉降值，直觀展示了頂管施工各階段的沉降槽。沉降槽大致沿軸線對(duì)稱，呈現(xiàn)中間位置沉降大，兩側(cè)沉降小的特點(diǎn)。觀察K1-1、K1-5、K2-1、K2-5四組測(cè)點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，在頂管頂至不同位置時(shí)各測(cè)點(diǎn)沉降變化不大。這說明土體在距頂管軸線9 m處(即約3倍頂管截面寬度處)受到的影響已經(jīng)很小。

圖9 K1斷面沉降槽

圖10 K2斷面沉降槽

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 理論公式對(duì)比驗(yàn)證

隨機(jī)介質(zhì)理論認(rèn)為，隧道斷面開挖造成的地表沉降可以由若干個(gè)無限小開挖單元dξdη(ξ、η分別為x、z方向的積分變量)造成的地表沉降積分得到[8-9]。因頂管長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其寬度，可將每個(gè)小單元的計(jì)算簡(jiǎn)化為如圖11所示的二維平面問題。

圖11中單元體的開挖引起的Se(x)為：

圖11 二維單元開挖示意圖

(1)

式中：

Se(x)——橫坐標(biāo)x處的地表沉降；

r(η)——水平面上主要影響半徑。

(2)

式中：

z0——單元體距離地表的距離;

β——上部巖層主要影響角。

矩形頂管隧道不均勻收斂模式如圖12所示。文獻(xiàn)[10]認(rèn)為不均勻收斂模式更適合應(yīng)用于矩形頂管施工造成的地表沉降。

注：Ω、ω——隧道開挖斷面及建成后隧道截面；Δd——隧道開挖斷面與建成后隧道截面之間的空隙；h、b——分別為建成隧道截面的高、寬。

根據(jù)疊加原理，地表總沉降S(x)由隧道開挖斷面面積SΩ(x)減去建成后隧道截面面積Sω(x),即：

S(x)=SΩ(x)-Sω(x)

(3)

由式(1)—式(3)，通過對(duì)陰影部分開挖單元引起的地表沉降進(jìn)行積分，得到頂管施工引起的地表沉降為：

(4)

of rectangular jacked tunnel

在實(shí)際施工中，由于同步注漿等措施的作用，隨機(jī)介質(zhì)模型不均勻收斂模式中的空隙并不會(huì)達(dá)到圖12所示Δd的大小。因此,需引入地層損失折減系數(shù)ρ進(jìn)行折減[11]，間隙按Δdr=(1-ρ)Δd(Δdr=(1-ρ)Δd)計(jì)算。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，ρ取40%。將積分域坐標(biāo)由幾何關(guān)系算得,并代入式(4)，有：

(5)

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，有：

(6)

i=Kz0

(7)

式中：

i——地表沉降槽寬度；

K——地表沉降槽寬度參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.6[7]。

經(jīng)計(jì)算，tanβ=0.66。

分析圖13可知：

圖13 沉降的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

1)淺埋矩形頂管上方土體軸線位置沉降大，兩側(cè)沉降小；實(shí)測(cè)沉降槽大致同Peck公式法及隨機(jī)介質(zhì)法預(yù)測(cè)的變形規(guī)律一致。

2)Peck公式法的沉降計(jì)算曲線呈窄而深的特點(diǎn)；實(shí)測(cè)沉降最大值小于理論值，實(shí)測(cè)沉降槽寬度大于理論沉降槽寬度。這是由于上述參數(shù)取值多參考深埋、圓形盾構(gòu)隧道施工的經(jīng)驗(yàn)值，并不能準(zhǔn)確反映出淺埋矩形頂管施工造成的地表沉降。

3)隨機(jī)介質(zhì)法的最大沉降計(jì)算值大于實(shí)測(cè)值，計(jì)算的沉降槽寬度與實(shí)測(cè)值類似。這是由于根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取得的ρ偏小導(dǎo)致的。

上述比較結(jié)果表明，本工程的施工控制措施行之有效。

3.2 既有案例統(tǒng)計(jì)分析

與深埋隧道不同，淺埋矩形頂管管節(jié)正上方土體是受施工影響最大的區(qū)域。淺埋矩形頂管通常應(yīng)用于軟土地區(qū)，其正上方覆土層往往只有較厚的填土。填土的物理力學(xué)參數(shù)常采用經(jīng)驗(yàn)值，并不能準(zhǔn)確反映土層的工程性質(zhì)，因此假定淺埋矩形頂管施工造成的地表沉降主要影響因素為頂管截面尺寸及埋深。本文選取類似淺埋矩形頂管施工造成的沉降槽案例進(jìn)行分析，如圖14所示。圖14中，4個(gè)案例的頂管埋深為4.3～7.0 m，頂管截面寬度為6.0～7.0 m、高度為4.0～5.0 m。計(jì)算可得，頂管施工的橫向沉降范圍大致為頂管截面寬度的3倍，與文獻(xiàn)[6]的結(jié)論一致。

圖14 淺埋矩形頂管沉降槽案例

本文通過分析頂管管節(jié)寬、高及埋深同地表最終沉降的關(guān)系，并進(jìn)行量綱一化處理，得到矩形頂管單位沉降比λ：

(8)

式中：

S——地表沉降值；

z0——頂管隧道埋深。

計(jì)算得到λ值如表2所示。表2中，λ值為2.36×10-3～4.81×10-3，較為集中。計(jì)算圖14中各測(cè)點(diǎn)的λ值，結(jié)果如圖15所示。雖然圖14中各測(cè)點(diǎn)沉降差異很大，而圖15中各測(cè)點(diǎn)沉降在量綱一化后得到的λ趨于一致。

表2 淺埋矩形頂管參數(shù)及λ值

圖15 地表位移量綱一化后的λ

4 結(jié)語

以蘇州5號(hào)線某車站過街通道頂管工程為例，通過分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，總結(jié)了淺埋矩形頂管施工過程中的地表沉降規(guī)律。將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與以往淺埋矩形頂管工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，結(jié)果表明：

1)在淺埋式矩形頂管頂進(jìn)過程中，地表變形經(jīng)歷了微擾動(dòng)、迅速沉降、注漿抬升、固結(jié)沉降四個(gè)階段；監(jiān)測(cè)斷面施工階段最大沉降值為15.97 mm，最終沉降值為13.72 mm；頂管施工沿頂管軸線方向引起土體沉降的范圍大致為距掘進(jìn)面7.5 m以內(nèi)。

2)淺埋矩形頂管施工造成的地表沉降橫向范圍大致為3倍頂管截面寬度；沉降槽大致符合Peck公式法以及隨機(jī)介質(zhì)理論法預(yù)測(cè)的變形規(guī)律；然而，Peck公式法將由深埋盾構(gòu)圓形隧道得出的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)用于淺埋矩形頂管，使得沉降槽計(jì)算寬度偏小，最大沉降值偏大；隨機(jī)介質(zhì)理論法計(jì)算的最大沉降值同樣偏大；本文進(jìn)一步采用類比統(tǒng)計(jì)的辦法，將各工程案例中的沉降值量綱一化處理，最終得到了統(tǒng)一的地表沉降規(guī)律。