某超大直徑斷面頂管施工引起的地層位移分析①

王劍，鄧宗偉

(湖南城市學(xué)院土木工程學(xué)院，湖南益陽(yáng)413000)

隨著我國(guó)城市人口的不斷增加，地下管道的數(shù)量也隨著增加，頂管法作為一種先進(jìn)的鋪管技術(shù)，以開(kāi)挖量小、對(duì)周?chē)h(huán)境影響小以及施工速度塊等顯著優(yōu)點(diǎn)而被越來(lái)越多的應(yīng)用［1－2］。頂管施工誘發(fā)的地層環(huán)境損傷問(wèn)題，即地表變位的預(yù)測(cè)與控制成為亟待研究和解決的課題。

針對(duì)隧道施工引起的地層位移，各國(guó)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，常用方法包括Peck公式、解析法、數(shù)值分析法等。Peck［3］認(rèn)為地表沉降曲線(xiàn)呈高斯分布;郭延華等［4］基于南京地鐵2#大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及地質(zhì)條件，采用修正的Peck公式獲得良好的預(yù)測(cè)效果;盧海林等［5］根據(jù)地層損失與注漿量的空間分布規(guī)律，應(yīng)用鏡像方法，對(duì)盾構(gòu)法隧道推進(jìn)產(chǎn)生的土體位移與應(yīng)力進(jìn)行空間分析，得到隧道周?chē)馏w的位移與應(yīng)力分布;張海波等［6］通過(guò)對(duì)某地鐵隧道盾構(gòu)施工過(guò)程的模擬，分析了盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中隧道周?chē)暗乇硗馏w的位移和變形以及橫斷面不同深度上的沉降分布規(guī)律。本文基于隨機(jī)介質(zhì)理論，依據(jù)某超大直徑斷面頂管隧道現(xiàn)場(chǎng)施工地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演地層2個(gè)基本計(jì)算參數(shù)tanβ和ΔA;采用隧道變形均勻收斂模型、非均勻收斂模型以及Peck公式計(jì)算地表沉降，分析得到最適用于該隧道地表沉降預(yù)測(cè)的方法并預(yù)測(cè)隧道穿越后的累計(jì)地表變形和位移，評(píng)估隧道施工對(duì)民房結(jié)構(gòu)的影響程度。對(duì)隧道埋深、開(kāi)挖斷面大小、地層條件和施工條件4個(gè)對(duì)地表移動(dòng)和變形的影響因素進(jìn)行定量分析，為以后類(lèi)似的工程實(shí)踐提供理論參考。

1 隨機(jī)介質(zhì)基本理論及簡(jiǎn)化過(guò)程

1.1 隨機(jī)介質(zhì)理論及簡(jiǎn)化

隨機(jī)介質(zhì)理論將巖土視為一種“隨機(jī)介質(zhì)”，隧道開(kāi)挖對(duì)地表影響可等效為構(gòu)成這一開(kāi)挖的無(wú)限多個(gè)微小單元開(kāi)挖的影響總和。在目前的隨機(jī)介質(zhì)理論研究中，一般基于假定隧道產(chǎn)生均勻收斂，以計(jì)算地層位移。但是，隧道斷面的收斂形式受多種復(fù)雜因素(例如地層應(yīng)力的分布、土體各向異性、施工步驟等)的影響，實(shí)際的收斂變形情況并不是嚴(yán)格均勻的。表1為單孔橢圓隧道均勻與非均勻收斂模式的對(duì)比示意圖。

Verruijt和Booker的研究表明:假定隧道開(kāi)挖斷面發(fā)生均勻徑向收縮時(shí)，計(jì)算的地表沉降槽曲線(xiàn)比實(shí)測(cè)結(jié)果要寬，且側(cè)向變形偏大［7］;韓煊等［9］將以上不均勻收斂模式引入隨機(jī)介質(zhì)理論，通過(guò)算例分析，表明該收斂模式比均勻收斂模式計(jì)算結(jié)果更為精確;伍振志［10］對(duì)隧道開(kāi)挖斷面均勻收斂模式及底部土體位移不為0mm的非均勻收斂模式進(jìn)行了探討。

本文在前人工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)本工程的地質(zhì)條件，考慮底部為0 mm的非均勻模式對(duì)頂管隧道進(jìn)行分析與計(jì)算。

1.2 Peck經(jīng)驗(yàn)公式理論

在隧道掘進(jìn)工程中產(chǎn)生地層損失，不考慮土體排水固結(jié)與蠕變的情況下，地層移動(dòng)是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，在隧道掘進(jìn)過(guò)程中地表形成的橫向槽為近似正態(tài)分布曲線(xiàn)，其預(yù)測(cè)地表沉降分布公式為:

式中:S(x)和S(x)max為距離隧道中心軸為x處地表沉降值及最大值;Vs為隧道單位長(zhǎng)度地層損失; i為地表沉降槽寬度系數(shù)。

表1 非均勻與均勻收斂模型對(duì)比(單孔橢圓截面隧道)Table 1 Comparison of uniform and non－uniform convergence model(single elliptical tunnel)

2 頂管施工監(jiān)測(cè)概況

2.1 工程概況

某超大直徑斷面頂管水系改造工程，一邊為地勢(shì)低洼垸子，原有建筑基本都為磚混結(jié)構(gòu)，另一邊緊靠圍山渠，頂管從路正中間穿過(guò)，埋深較淺，僅4.9 m，頂管的直徑又較大，內(nèi)徑達(dá)2.6 m，外徑達(dá)3.07 m，且穿越的主要土層為素填土，上覆土層淺且開(kāi)挖面上下土性差別較大，該管道所處位置及各土層分布如圖2所示，具體巖層參數(shù)如表2所示。

周邊民房基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)剛度差，有些老民房的承重墻和橫梁在頂管穿越前已出現(xiàn)輕微結(jié)構(gòu)損傷現(xiàn)象。本次穿越工程難度大、風(fēng)險(xiǎn)高且缺乏可供借鑒的工程實(shí)例，擬將大部被征用民房地段作為“試驗(yàn)段”，對(duì)隧道施工引起的地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，預(yù)測(cè)隧道施工引起的橫向地表變形和位移，評(píng)估隧道施工對(duì)周?chē)h(huán)境的影響程度，據(jù)以為制定施工地表變位控制措施提供參考借鑒。

2.2 施工監(jiān)測(cè)概況

為得到地面沉降曲線(xiàn)以及頂管施工對(duì)地面豎向位移的影響范圍，在“試驗(yàn)段”，沿軸線(xiàn)和斷面布置了17個(gè)地面沉降觀測(cè)點(diǎn)，各觀測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。

表2 地層物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physico－mechanical parameters

圖2 頂管施工斷面圖Fig.2 Excavation cross section

圖3 地表沉降觀測(cè)點(diǎn)平面位置圖Fig.3 Layout of ground settlementmonitoring points

3 計(jì)算參數(shù)反演與變形預(yù)測(cè)

3.1 計(jì)算參數(shù)反演

利用前述的Matlab計(jì)算程序進(jìn)行隧道開(kāi)挖引起的地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)，對(duì)于一個(gè)具體的隧道工程，在某一段中，隧道的埋深H和開(kāi)挖半徑D都是確定的，但需確定2個(gè)基本計(jì)算參數(shù):tanβ和ΔA。其中tanβ為開(kāi)挖主要影響角的正切，取決于隧道開(kāi)挖所處的地層條件，是地層巖土體特性的綜合反映;ΔA為隧道斷面半徑收斂值，是隧道施工條件的綜合反映。由于這2個(gè)參數(shù)分別是開(kāi)挖條件和地層條件綜合作用的結(jié)果，無(wú)法用簡(jiǎn)單的方法加以確定，而其取值正確與否是準(zhǔn)確預(yù)計(jì)地表移動(dòng)和變形的關(guān)鍵。

綜合考慮地質(zhì)條件影響及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整性，本文利用現(xiàn)場(chǎng)“試驗(yàn)段”實(shí)測(cè)的地表位移值，利用Matlab程序，采用“方向加速法”算法編寫(xiě)計(jì)算文件，反分析求算所需的地表移動(dòng)和變形2個(gè)基本計(jì)算參數(shù)，并且經(jīng)過(guò)后驗(yàn)差檢驗(yàn)，檢驗(yàn)其擬合精度。擬合得到的△A=33.92 mm，tanβ=0.475，經(jīng)過(guò)后驗(yàn)差檢驗(yàn)擬合精度為優(yōu)級(jí)，如表4所示。

3.2 地表變形預(yù)測(cè)比較分析

為驗(yàn)證本文模型的科學(xué)合理性，采用編寫(xiě)的反分析程序?qū)Σ煌哪Ｐ蛥?shù)進(jìn)行了反演計(jì)算，如表5所示，各種收斂模式下的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值對(duì)比情況如圖4所示。由圖4可知:底部為0 mm的收斂模式預(yù)測(cè)精度最高，Peck公式預(yù)測(cè)精度次之，均勻收斂模式精度最低。

表3 “試驗(yàn)段”斷面監(jiān)測(cè)及計(jì)算數(shù)據(jù)Table 3 Monitoring and calculation of data“measurement”section

表4 計(jì)算參數(shù)計(jì)算后驗(yàn)差檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of postcrior－variance－test of

表5 各種收斂模式的反演參數(shù)Table 5 Parameters for back－analysis based on three convergencemodes

3.3 累計(jì)地表變位預(yù)測(cè)

采用以上反演參數(shù)，對(duì)頂管施工導(dǎo)致的累計(jì)地表變位進(jìn)行了預(yù)測(cè)計(jì)算，并將地表變位最大值由表6列出。根據(jù)表6中列出的地表變位最大值，以及參照磚混結(jié)構(gòu)建筑物破壞等級(jí)［11－12］比較可見(jiàn):地表曲率過(guò)大，達(dá)到破壞等級(jí)Ⅳ級(jí)水平。因此，必須參考該斷面，對(duì)隧道周?chē)穹枯^多地段的施工進(jìn)行參數(shù)匹配和必要的保護(hù)措施。

圖4 不同收斂模式預(yù)測(cè)曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)曲線(xiàn)對(duì)比圖Fig.4 Settlement curve based on three convergencemodes

表6 地表變位最大值Table 6 Max deformation of the ground

4 地表變形影響因素的分析

隧道施工引起的地表移動(dòng)和變形與隧道的影響因素主要有:隧道的埋深H、開(kāi)挖斷面大小(開(kāi)挖直徑D)、開(kāi)挖后隧道的斷面收斂值ΔA和隧道開(kāi)挖所處的地層條件tanβ。分析隧道開(kāi)引起的地表移動(dòng)和變形的影響因素，對(duì)于在不同的地質(zhì)和施工條件下，采取有效的工程措施減少開(kāi)挖對(duì)周?chē)h(huán)境的影響具有重要的意義。本文通過(guò)采用變化一個(gè)參數(shù)取值，固定其他3個(gè)參數(shù)取值的方法，基于本工程具體實(shí)踐，分別取以下4種情況，如表7所示。

表7 影響因素取值Table 7 The parameters for different excavation conditions

4.1 開(kāi)挖深度的影響

圖5 不同開(kāi)挖深度地表沉降分布Fig.5 Settlement distribution of under different H

由圖5可知，在其他條件不變時(shí)，隨隧道開(kāi)挖深度增大時(shí)，地表最大沉降值減小;圖6為計(jì)算最大地表沉降值與隧道開(kāi)挖深度之間的關(guān)系曲線(xiàn)，最大沉降值隨開(kāi)挖深度的增加呈對(duì)數(shù)衰減規(guī)律。同時(shí)，當(dāng)隧道埋深增大時(shí)，地表的最大水平位移和變形值也都相應(yīng)減小，因此增大隧道的埋深有助于減少地表位移和變形，對(duì)地面設(shè)施的保護(hù)有利。對(duì)于淺埋隧道，更應(yīng)注意采取工程措施，減少開(kāi)挖對(duì)地表可能造成的不利影響。但隨著隧道深度的增大，開(kāi)挖對(duì)地表的影響范圍越大，即開(kāi)挖引起的地表沉降槽的寬度也越大。

圖6 最大沉降值與開(kāi)挖深度之間的關(guān)系Fig.6 Relationship betweenmax settlement and H

4.2 開(kāi)挖斷面大小的影響

由圖7和圖8表明:在其他條件不變時(shí)，地表沉降值、沉降槽的寬度均隨隧道開(kāi)挖直徑增大而增大，地表最大沉降值與隧道斷面尺寸之間近似呈線(xiàn)性關(guān)系。

圖7 不同開(kāi)挖直徑時(shí)地表沉降分布Fig.7 Settlement distribution under different D

圖8 地表沉降值與頂管直徑的關(guān)系Fig.8 Relationship betweenmax settlement and D

4.3 地層條件的影響

地層條件不僅影響地表移動(dòng)和變形值，而且直接影響著隧道施工方法的選擇。地層條件的不同，在地表移動(dòng)和變形計(jì)算公式中，反映在開(kāi)挖的主要影響角的不同。由計(jì)算表明，在其他條件不變時(shí)，地表沉降隨tanβ值的增加而增加，而開(kāi)挖影響范圍隨tanβ的增大而減小，如圖9所示。同時(shí)，最大地表沉降值隨tanβ的增加而增大，兩者之間近似呈線(xiàn)性關(guān)系(如圖10所示)。

4.4 施工條件的影響

頂管施工的方法很多，有手掘式頂管、泥水盾構(gòu)式和土壓平衡式。不同的施工方法、施工水平對(duì)地表移動(dòng)和變形的綜合影響可由隧道開(kāi)挖半徑收斂值ΔA來(lái)反映。由圖11表明:在其他條件不變時(shí)，地表沉降值隨ΔA值的增加而增加。圖12給出了地表最大沉降值與隧道半徑收斂值ΔA之間的關(guān)系，可見(jiàn)地表最大沉降值隨ΔA的增加而增大，兩者近似呈線(xiàn)性關(guān)系。

圖9 不同tanβ值時(shí)的地表沉降分布Fig.9 Settlement distribution under different tanβ

圖10 最大地表沉降值與tanβ關(guān)系Fig.10 Relationship between max settlement and tanβ

圖11 不同△A收斂值時(shí)的地表沉降分布Fig.11 Settlement distribution under different△A

圖12 最大地表沉降值與收斂值△A的關(guān)系Fig.12 Relationship curve between max settlement and△A

在城市頂管隧道中，為了控制隧道開(kāi)挖對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件、隧道的功能、地層條件合理選擇施工方法與工藝，如選擇合適的頂管方法，注漿材料等。本文所采用的預(yù)測(cè)方法，由于方法簡(jiǎn)單，在礦山與盾構(gòu)隧道［13］中已得到廣泛應(yīng)用而存在一定的實(shí)用價(jià)值。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)該工程實(shí)踐以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)3種收斂模式計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析可知:非均勻收斂模式的預(yù)測(cè)精度要高于均勻收斂模式及Peck公式，說(shuō)明了該收斂模式在頂管工程(淺埋、大型)中的科學(xué)合理性及應(yīng)用價(jià)值。

(2)本文采用隨機(jī)介質(zhì)理論定量分析了影響頂管隧道施工地表變形的因素，計(jì)算結(jié)果表明:最大沉降值隨開(kāi)挖深度H的增加呈對(duì)數(shù)衰減規(guī)律，地表最大沉降值隨隧道直徑D、地層影響角正切值tanβ、開(kāi)挖斷面收斂ΔA的增加而呈線(xiàn)性增長(zhǎng)。研究表明，對(duì)于淺埋軟土地層中開(kāi)挖的超大直徑斷面，極易產(chǎn)生較大的變形，因此在周?chē)h(huán)境復(fù)雜時(shí)，應(yīng)采取嚴(yán)格的地表變形控制措施。

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