地下頂管施工中頂管線(xiàn)沉降問(wèn)題研究

杜　君　張開(kāi)銀　陸　曼

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院　武漢　430070)

地下頂管施工中頂管線(xiàn)沉降問(wèn)題研究

杜君張開(kāi)銀陸曼

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院武漢430070)

摘要為了研究地下頂管施工引起的地表沉降規(guī)律，根據(jù)具體施工情況及監(jiān)測(cè)規(guī)范，在頂管推進(jìn)線(xiàn)上布設(shè)橫縱向監(jiān)測(cè)斷面，結(jié)合地表沉降理論和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出管線(xiàn)在不同階段時(shí)的沉降原因。通過(guò)監(jiān)測(cè)得出地表沉降大小隨時(shí)間和頂管推進(jìn)距離的變化曲線(xiàn)，呈現(xiàn)出管線(xiàn)地表的沉降機(jī)理，并提出頂管施工建議。

關(guān)鍵詞頂管實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地表沉降

1工程慨況

南京定淮門(mén)大橋過(guò)街通道屬于江東北路定淮門(mén)大街節(jié)點(diǎn)改造工程的一部分，為龍津路北端定淮門(mén)大街交叉口過(guò)街通道，垂直下穿定淮門(mén)大街，共設(shè)置2處出入口，北側(cè)出入口位于定淮門(mén)大橋西端北側(cè)，清江花苑南門(mén)外；南側(cè)出入口位于南京市鼓樓區(qū)人民檢察院北側(cè)綠地內(nèi)。主通道長(zhǎng)約42 m，采用頂管法施工。通道所處地下水位較高，地下水埋深為1.8～3.2 m。采用矩形管節(jié)尺寸為6.50 m×4.30 m，壁厚50 cm，單節(jié)縱向長(zhǎng)度為1.50 m，頂管段頂板最大覆土5.71 m，管道位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土中。頂管施工地質(zhì)斷面見(jiàn)圖1，土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1　頂管施工地質(zhì)斷面圖(單位：m)

土層名稱(chēng)厚度/m含水量/%重度/(g·cm-3)孔隙比液壓指數(shù)壓縮系數(shù)壓縮模量/MPa泊松比淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土13.2237.51.841.0991.180.6043.60.42粉砂2.6830.21.860.8890.820.3725.40.30粉質(zhì)粘土7.6831.31.850.9300.850.4694.30.40

2測(cè)點(diǎn)布置原則

每個(gè)獨(dú)立的監(jiān)測(cè)網(wǎng)應(yīng)設(shè)置不少于3個(gè)穩(wěn)固可靠的基準(zhǔn)點(diǎn)，理應(yīng)設(shè)置在沉降變形影響范圍以外的穩(wěn)定位置，便于長(zhǎng)期保存，工作基點(diǎn)也應(yīng)設(shè)置在比較穩(wěn)定的位置[1]。對(duì)觀測(cè)條件較好或觀測(cè)項(xiàng)目較少的項(xiàng)目，可不設(shè)立工作基點(diǎn)，在基準(zhǔn)點(diǎn)上直接測(cè)量沉降變形。

沉降變形觀測(cè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)立在沉降變形體上能反映沉降變形特征的位置處[2]。

綜合考慮，自始發(fā)井沿頂管軸線(xiàn)每5 m布設(shè)1個(gè)地表沉降點(diǎn)(DB13-2～DB19-2)，且在DB13～DB19處設(shè)置7個(gè)垂直于頂管軸線(xiàn)的監(jiān)測(cè)橫斷面，每個(gè)橫斷面上設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，頂管線(xiàn)地表監(jiān)測(cè)布點(diǎn)見(jiàn)圖2，其中“DB”表示地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖2　頂管線(xiàn)地表監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖

3實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1　頂管橫斷面地表沉降

取頂管線(xiàn)中部的一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面DB15為研究對(duì)象，斷面DB15距始發(fā)井僅17 m,表2為頂管橫斷面DB15工況。

表2　頂管橫斷面DB15工況表

備注：表中“s”為監(jiān)測(cè)點(diǎn)距頂管中軸線(xiàn)距離；“DB”為地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)

由表2可知，頂管施工監(jiān)測(cè)從頂管機(jī)刀盤(pán)距監(jiān)測(cè)斷面5 m處開(kāi)始，前期由于頂管機(jī)刀盤(pán)振動(dòng)和切削作用，開(kāi)挖面失穩(wěn)[3-4]，監(jiān)測(cè)斷面DB15地表會(huì)有少量沉降，即地表沉降前期波動(dòng)階段。頂管向前推進(jìn)距監(jiān)測(cè)斷面7.5m處，監(jiān)測(cè)斷面DB15地表開(kāi)始隆起且隆起速率較大，即隆起階段，此階段中由于施工技術(shù)和地質(zhì)差別等各方面的原因，位于同一斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB15-3較DB15-1稍晚進(jìn)入隆起階段，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)隆起峰值平均20 mm；隨著頂管機(jī)的繼續(xù)向前推進(jìn)，刀盤(pán)經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)斷面DB15，監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表位移開(kāi)始以較大速率下沉，且沉降速率基本與第二階段地表隆起時(shí)的速率大小相同，即施工期沉降階段，6月12日頂管機(jī)刀盤(pán)距監(jiān)測(cè)斷面10 m遠(yuǎn)處，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表沉降速率明顯減小，直至6月18日，頂管管片拼接完成，主通道貫通，監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB15-2累計(jì)沉降量最大，達(dá)到-34.38 mm，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量平均-32 mm；此后管片附近的土體不再受頂管施工的擾動(dòng)作用，由于土體的固結(jié)作用，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表會(huì)持續(xù)沉降一段時(shí)間，但沉降量和沉降速率沉降曲線(xiàn)都趨近于平緩，沉降基本穩(wěn)定，即后期固結(jié)沉降階段[5]。數(shù)據(jù)分析表明施工期間的地表沉降量約占總沉降量的90%。橫斷面DB15隨頂管推進(jìn)沉降曲線(xiàn)見(jiàn)圖3，橫斷面DB15地表沉降累計(jì)變化量曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖3　橫斷面DB15隨頂管推進(jìn)沉降曲線(xiàn)

圖4　橫斷面DB15地表沉降累計(jì)變化量曲線(xiàn)

3.2　頂管縱斷面地表沉降

取頂管軸線(xiàn)上由監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB14-2～DB17-2組成的縱斷面為研究對(duì)象，根據(jù)工況表3和監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)圖5、圖6可知，6月9日上午，頂管機(jī)掘進(jìn)至監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB14-2附近，監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB14-2已經(jīng)進(jìn)入隆起階段，且由于頂管機(jī)刀盤(pán)的切削和振動(dòng)作用，頂管機(jī)前方軸線(xiàn)方向的土體體積收縮[6]，監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB15-2～DB17-2地表開(kāi)始有少量沉降；6月9日下午，頂管機(jī)刀盤(pán)經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB14-2，此時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB14-2垂直位移達(dá)到峰值27.35 mm；至6月10日下午，監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB14-2進(jìn)入施工期沉降階段且沉降變化量最大，與此同時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB15-2也進(jìn)入隆起階段并在頂管機(jī)刀盤(pán)經(jīng)過(guò)其下方時(shí)垂直位移達(dá)到峰值22.84 mm；6月9日下午至6月10日上午，頂管機(jī)繼續(xù)向接收井方向推進(jìn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB16-2，DB17-2也依次進(jìn)入隆起階段且垂直位移分別達(dá)到峰值39.07 mm和36.18 mm，之后均以較大沉降速率進(jìn)入施工沉降期。頂管施工前期由于管片周?chē)酀{中水份流失過(guò)快且后續(xù)注漿量不足，導(dǎo)致管片周?chē)嗨畨毫^(guò)小，造成監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB14-2的地表沉降量較大，后經(jīng)過(guò)調(diào)整，監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB15-2～DB17-2在施工期沉降階段的地表沉降量較DB14-2明顯減??；直至頂管施工結(jié)束，監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB14-2～DB17-2地表沉降速率大幅減小，趨近平緩[7]。數(shù)據(jù)分析表明，隨著頂管機(jī)的推進(jìn)，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地表沉降規(guī)律基本相同，其中沉降主要發(fā)生在施工期沉降階段。頂管縱斷面工況見(jiàn)表3；縱斷面地表沉降累計(jì)變化量曲線(xiàn)見(jiàn)圖5；縱斷面地表隨頂管推進(jìn)曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。

表3　頂管縱斷面工況表

備注：表中“L”為監(jiān)測(cè)點(diǎn)距始發(fā)井水平距離；“DB”為地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖5　縱斷面地表沉降累計(jì)變化量曲線(xiàn)

圖6　縱斷面隨頂管推進(jìn)沉降曲線(xiàn)

4結(jié)論

(1) 頂管施工過(guò)程中頂管推進(jìn)方向上的地表沉降會(huì)經(jīng)歷4個(gè)階段：前期波動(dòng)階段、隆起階段、施工期沉降階段和后期固結(jié)沉降階段。

(2) 由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知：①前期波動(dòng)階段發(fā)生在頂管機(jī)距測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，此階段中由于頂管推進(jìn)姿態(tài)良好，從而造成的地表沉降較??；②隆起階段發(fā)生在頂管機(jī)接近監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，此階段中地表隆起值較大，表明頂管機(jī)頂進(jìn)速度過(guò)快或者泥水壓力設(shè)定值偏大;③施工期沉降階段發(fā)生在頂管機(jī)到達(dá)并經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)直至頂管施工結(jié)束這段期間，此階段中地表沉降變化量最大，沉降量約占整個(gè)施工過(guò)程中總沉降量的85%～90%，由于前期頂管推進(jìn)過(guò)程中后續(xù)注漿不足，導(dǎo)致管片周?chē)嗨畨毫ζ?，個(gè)別地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量過(guò)大;④后期固結(jié)沉降階段發(fā)生在頂管施工結(jié)束之后，此階段中地表沉降趨于穩(wěn)定，但由于管片周?chē)酀{中水份的逐漸流失和土體的固結(jié)作用，將會(huì)有一段時(shí)間的后續(xù)沉降，沉降量約占總沉降量的10%～15%。

(3) 對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，隆起階段和施工期沉降階段造成的地表沉降變化最大，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注此階段，其中頂管機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)、注漿量、后續(xù)注漿等因素都會(huì)對(duì)頂管施工的地表沉降造成影響，為保證頂管施工的安全穩(wěn)定進(jìn)行，應(yīng)在頂管機(jī)接近監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)適當(dāng)調(diào)整頂管機(jī)的操作和掘進(jìn)速度等，以保證頂管機(jī)良好的掘進(jìn)姿態(tài)；其次，泥土壓力偏大會(huì)造成地表隆起，偏小會(huì)造成地表大幅度沉降，建議同步優(yōu)化注漿量和后續(xù)注漿，保證泥土壓力的正常穩(wěn)定，從而保證頂管掘進(jìn)及周邊環(huán)境的安全。

參考文獻(xiàn)

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Research on the Problems in Pipeline of Underground Pipe-Jacking

DuJun,ZhangKaiyin,LuMan

(Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Abstract：Ground settlement due to underground pipe jacking construction was researched. The horizontal and vertical monitoring cross sections were laid according to the construction situation and monitoring specification. The reasons of pipe jacking settlement at different stages are got in combination with the theoretical knowledge and measured data. The settlement mechanism is clearly exhibited through the settlement curve with time and distance. And reference opinions to pipe jacking construction are provided ultimately.

Key words:Pipe jacking; monitor; ground settlement

收稿日期：2015-09-18

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.020