矩形頂管隧道下穿引起的道路沉降研究

嚴 中, 南 鈺, 馬玉祥

(1.合肥市市政設(shè)計研究總院有限公司,安徽 合肥 230041;2.安徽建筑大學 土木工程學院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

在城市地鐵修建過程中,頂管施工技術(shù)借助其“非開挖”或“少開挖”特性[1],對工程所在地的道路及周邊環(huán)境影響較小,已經(jīng)廣泛應用于城市地鐵和市政工程中,如地鐵車站出入口人行通道。然而,這種人行通道往往埋深較淺,頂管頂進過程中不可避免地會導致既有地層及建筑物的擾動甚至是產(chǎn)生破壞變形[2]。因此,根據(jù)不同的工程項目以及地質(zhì)條件,采用合理可靠的地表沉降預測方法對保證工程的安全施工具有非常重要的意義。

目前,對于頂管施工過程中的地層變形,國內(nèi)外學者也都做過一定程度的研究。Loganathan[3]假設(shè)隧道周圍土體以不等量橢圓形移動,得到了土體位移的計算公式。魏綱等[4]在對彈性力學的Mindlin解研究的基礎(chǔ)上,進一步分析類矩形盾構(gòu)的正面附加推力和土體損失等引起的土體豎向位移。鐘小春等[5]應用MIDAS GTS巖土數(shù)值軟件對地鐵出入口附近大口徑的矩形頂管施工過程進行動態(tài)分析,得出在不同因素下的地表隆起規(guī)律。薛青松[6]采用比爾鮑曼理論計算頂管上覆土壓力,并將實測值和計算值進行對比,推導出合適的頂力計算公式。馮海寧等[7]通過采用2D計算模型分析技術(shù),分析了頂管施工過程中存在支護作用下的上部土層變形以及管節(jié)本身應力變化所產(chǎn)生的影響,討論了頂管管節(jié)在頂進過程中側(cè)偏不同位置時,周邊土體變形和管節(jié)自身應力的變化情況。施成華等[8]是運用隨機介質(zhì)概念來將頂管機以及管節(jié)周邊的土體當作一種隨機介質(zhì),將土層在施工過程中的位移當作是一種隨機的過程,對隨機擾動區(qū)進行系統(tǒng)的分析。許有俊等[9]依照實際工程,通過室內(nèi)試驗,進行土壓平衡頂管機刀盤在砂性土中運作的技術(shù)進行改良,通過頂力的變化,配制符合施工情況的注漿漿液。

綜上所述,盡管國內(nèi)外許多學者都對頂管施工過程中地層沉降的規(guī)律進行過研究,但由于國內(nèi)相關(guān)項目較為稀少,因此,對于較淺覆土工況下的大斷面矩形頂管施工過程的相關(guān)研究還不充分,在前人研究的基礎(chǔ)上,本文擬針對合肥大連路管廊項目下穿包河大道段頂管工程進行分析,應用MIDAS GTS軟件對施工過程進行模擬,分析頂管在不同注漿壓力及不同寬高比例下的道路沉降規(guī)律,以期為后續(xù)相關(guān)工程提供參考與借鑒。

1 工程概況

1.1 工程背景

大連路位于駱崗生態(tài)公園內(nèi),東西走向,西起青海路,東至包河大道,道路全長約2.3 km,綜合管廊位于道路北側(cè)綠化帶下,全長約2 248 m。

下穿包河大道段采用矩形頂管法施工,頂管管片頂進66 m,縱向坡度為3‰,西高東低。預制鋼筋混凝土管片共計44環(huán),采用土壓平衡式矩形頂管機,頂管外徑尺寸為8 200 mm×4 500 mm,頂管始發(fā)井1座,頂管接收井1座。平面圖如圖1所示。

圖1 頂管平面圖

在施工過程中,通過及時調(diào)整施工參數(shù)對沿線道路進行實時監(jiān)測。因模型中監(jiān)測范圍內(nèi)受到擾動最強的位置是距離始發(fā)井最近的第一監(jiān)測斷面,所以取第一監(jiān)測斷面各點的監(jiān)測數(shù)據(jù),繪制成曲線,與模擬計算數(shù)值進行對比。

本文為方便計算,得出一般性規(guī)律,將頂管施工段土層簡化為道路和黏土層兩層,矩形頂管通道穿越第二層黏土。土層厚度及其他物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學參數(shù)

1.2 地質(zhì)條件

工程位于合肥市包河區(qū),擬建沿線場地宏觀地貌單元為江淮丘陵,微地貌單元為崗地,根據(jù)野外鉆探、測試,結(jié)合室內(nèi)巖土試驗,下穿包河大道段土層主要特征及分布為:

(1) 人工填土層(Qml):含①層粉質(zhì)黏土填土,黃褐色,松散至稍密,濕,含碎石、磚塊、植物根等;①1層雜填土,灰褐、黃褐、灰黃色、雜色等;該大層連續(xù)分布,層厚1.8～3 m,層底標高18.24～19.05 m。

水文條件為:

(1) 地表水:地表水主要為沿線溝、塘水及許小河河水,因沿線水塘較多,面積較大,水量較豐富。

(2) 地下水:主要分為兩類,一類為上層滯水,主要分布于場地周邊雜填土孔隙中,水量與含水層厚度、大氣降水及地表徑流聯(lián)系密切,排泄方式主要為蒸發(fā)和滲入低洼處,一般不豐富,場地沿線內(nèi)無統(tǒng)一地下水位,水位埋深0.5～3.2 m;二類為承壓水,該層水含水量不豐富,分布于全風化土和強風化泥質(zhì)砂巖孔隙中,受埋深影響,此次施工勘察未見。

2 計算模型建立

使用有限分析軟件MIDAS GTS建立三維數(shù)值模型,模擬頂管施工頂進過程。模型長度沿頂管頂進方向取66 m,寬度沿垂直頂進方向取60 m,深度取45 m。頂管橫斷面為矩形,尺寸為8 200 mm×4 500 mm,覆土厚度為7.8 m,模型土體采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型,相關(guān)參數(shù)按表1選取,采用混合網(wǎng)格進行幾何模型劃分,每次頂進1.5 m,模型整體示意圖如圖2所示。

圖2 頂管施工整體模型圖

根據(jù)工程案例及計算條件分析,得到如下基本假定:

(1) 將頂管施工過程中的正面頂推力等效為作用在土體上的均布荷載[10],注漿壓力等效為環(huán)形的均勻面荷載,以及摩阻力等效為沿著頂進方向的均勻面荷載[11]。

(2) 忽略地下水影響。

(3) 土體是均勻連續(xù)的彈塑性體,只考慮自重,忽略構(gòu)造應力。

(4) 只考慮施工過程中頂管擾動產(chǎn)生的沉降,不考慮時間因素導致的固結(jié)沉降。

(5) 頂進過程中不考慮頂管位置的變化情況。

3 數(shù)值模擬的有效性驗證

頂管隧道掘進貫通以后,此時道路變形是以沉降為主。沉降模擬值與實測值對比如圖3所示。模擬和實測在第一監(jiān)測斷面監(jiān)測點上的值分別為0.1 mm、-1.1 mm、-7.9 mm、-13 mm、-7.9 mm、-1.1 mm、0.1 mm和0.5 mm、-2.9 mm、-6.8 mm、-11.8 mm、-8.8 mm、-3.7 mm、0.9 mm。曲線變化趨勢基本吻合,均近似“U”形,模擬最大沉降為13 mm,實測最大沉降為11.8 mm,模擬數(shù)值比實測數(shù)值大10%左右,在合理的范圍內(nèi),因此本模型可被用于預測道路沉降。

圖3 實測與模擬對比分析圖

并且由圖3可知,橫斷面上的道路變形總趨勢總是為兩邊隆起,中間沉降,并且隨著頂管不斷頂進,道路變形程度逐漸加大,沉降槽深度加大,兩邊隆起也逐漸增大,說明注漿壓力在施工過程中的影響還是比較顯著的,實測和模擬的沉降曲線在頂管中軸線附近15 m的范圍存在較大的變化,為影響的主要區(qū)間,沉降槽的體積約占總體積的95%以上。

4 不同寬高比的數(shù)值模擬結(jié)果分析

基于原模型,對不同寬度與高度比例下的道路沉降進行模擬。將寬度設(shè)置為恒定值,按一定比例改變頂管高度,在頂管覆土厚度、寬度以及注漿壓力等因素恒定的情況下模擬頂管施工對道路沉降的影響,如圖4所示。

圖4 不同寬高比下的道路沉降曲線(貫通)

從圖4中可以看出,在寬高比為1.4時,模擬結(jié)果的最小值為8.01 mm;在寬高比為1.8時,模擬的最大沉降為10.5 mm,即隨著頂管寬高比的增加,道路沉降逐漸增大。在寬高比為2.2時,最大沉降為11.4 mm;在寬高比為2.6時,模擬結(jié)果的最大值為13 mm,此時沉降值已經(jīng)比較大了。在寬高比從1.4增加到2.6的過程中,道路的最大沉降從8.01 mm增加到13 mm,增長率依次為31.09%、8.57%和14.04%,由此可以看出隨著寬高比的增加,道路的最大沉降在逐漸增加,沉降槽寬度也在逐漸增大,但是為保障施工安全,頂管的寬度和高度的差異不宜過大,寬度與高度的比例不宜超過2.2。道路整體趨勢表現(xiàn)為沉降,隆起量非常小。

同時,沉降槽反彎點的變化在一定程度上也可以對結(jié)論進行佐證,由既有數(shù)據(jù)進行分析,隨著寬高比的增加,反彎點與隧道中軸線的距離逐漸增大,說明沉降槽的寬度是逐漸增大的,即表明頂管施工對上覆道路的影響范圍逐漸增大。結(jié)合上面對各工況下道路最大沉降值的研究,可以得出頂管寬高比在1.4到1.8之間時對施工較為有利。

5 不同注漿壓力的數(shù)值模擬結(jié)果分析

基于原模型,對不同注漿壓力和覆土重力比例下的道路沉降進行模擬。覆土重力保持為恒定值,按一定比例改變注漿壓力,在頂管覆土厚度、高度以及寬度等因素恒定的情況下,模擬頂管施工對道路沉降的影響,如圖5所示。

圖5 不同注漿壓力下的道路沉降曲線(貫通)

從圖5中可以看出,在比例為0.96時,模擬結(jié)果的最小值為4.63 mm;在比例為0.8時,模擬的最大沉降為6.75 mm,即隨著比例的減小,道路沉降逐漸增大。在比例為0.64時,最大沉降為10.5 mm;在比例為0.48時,模擬結(jié)果的最大值為13.4 mm,此時沉降值已經(jīng)比較大了。在注漿壓力與覆土重力的比值從0.48增加到0.96的過程中,道路的最大沉降從13.4 mm減小到4.63 mm,增長率絕對值依次為21.64%、35.71%和31.41%,由此可以看出隨著注漿壓力的增加,道路的最大沉降在逐漸減小,但是為保證施工的安全,注漿壓力與覆土重力差異不宜過大,否則容易出現(xiàn)冒漿等施工風險,因此兩者比例不宜超過1。

隨著注漿壓力的增加,反彎點與隧道中軸線的距離逐漸減小,即沉降槽寬度逐漸減小,表明頂管施工對上覆道路的影響范圍逐漸減小,據(jù)此可以說明增大注漿壓力有利于削弱頂管施工對上覆道路沉降的影響。再結(jié)合上文的說法,發(fā)現(xiàn)注漿壓力為0.64～0.8倍的覆土重力時,反彎點與隧道中軸線距離減小的速率最快,即削弱施工對道路沉降的影響效果最好,與前文說法一致。

6 結(jié) 論

綜上所述,可得結(jié)論如下:

(1) 通過對隧道貫通后頂管第一監(jiān)測斷面上各點數(shù)據(jù)和模擬值進行對比,發(fā)現(xiàn)趨勢基本擬合,說明本文模擬方法正確,兩者產(chǎn)生的道路沉降曲線總趨勢均為兩邊隆起中間沉降,并且在頂管中線左右15 m范圍內(nèi)對施工影響較為顯著,而兩者數(shù)值產(chǎn)生差異的原因可能是實際施工過程中的土況比較復雜,對上部道路的沉降產(chǎn)生差異有一定的影響。

(2) 引入寬高比的概念,在其他施工參數(shù)恒定以及頂管寬度不變的情況下,合理調(diào)整頂管高度,發(fā)現(xiàn)道路最大沉降隨頂管寬高比的增加而增加,并且為保證施工的安全進行,寬高比在1.4到1.8之間時對施工較為有利。

(3) 分析注漿壓力與覆土重力的比值,在其他施工參數(shù)恒定,以及覆土重力不變的情況下,合理調(diào)整注漿壓力,發(fā)現(xiàn)道路最大沉降與注漿壓力成反比的關(guān)系,并且經(jīng)過對沉降曲線以及反彎點位置的對比研究,認為注漿壓力不宜過大,應當控制在0.64～0.8倍覆土重力。