曲線頂管施工引起的地表變形預(yù)測研究

張 鵬， 李志宏， 曾 聰， 馬保松

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074；2. 廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司， 廣東 廣州 510101)

曲線頂管施工引起的地表變形預(yù)測研究

張 鵬1， 李志宏2， 曾 聰1， 馬保松1

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074；2. 廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司， 廣東 廣州 510101)

為了研究曲線頂管施工引起的地表變形，通過分析拱北隧道管幕工程曲線頂管現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，得出曲線頂管地表沉降槽的偏移曲線； 在現(xiàn)有Peck和Loganathan地表變形計算公式的基礎(chǔ)上，考慮曲線頂管與隧洞的相對位置對沉降槽偏移量的影響，得出經(jīng)過沉降槽偏移修正的Peck和Loganathan地表變形預(yù)測公式。結(jié)果表明： 1)曲線頂管施工引起的地表沉降槽曲線表現(xiàn)為非對稱，最大沉降點(diǎn)可能出現(xiàn)在軌跡彎曲內(nèi)側(cè)，也可能偏向外側(cè)； 2)曲線頂管與隧洞相對位置引起的土體損失變化是造成沉降槽偏移的主要原因，相對位置與頂管穿越地層性質(zhì)、頂進(jìn)力、注漿壓力和軌跡曲率半徑等因素有關(guān)； 3)修正的Peck公式可以較好地反映砂層和淤泥質(zhì)土層中曲線頂管施工地面沉降槽偏移效應(yīng)和最大沉降量。

曲線頂管； 地表變形； 變形預(yù)測； 土體損失； 沉降槽偏移

Abstract: The field deformation data monitored in curved pipe jacking of Gongbei Tunnel are analyzed; and the deviation curve of the ground settlement groove is obtained. And then ground settlement prediction formulas of Peck and Loganathan modified by deviation of ground settlement groove are obtained based on existing Peck and Loganathant formulas considering influence of relative position of curved pipe jacking and tunnel on deviation of ground settlement groove. The results show that: 1)The pipe jacking induced ground settlement groove curve shows asymmetry; and the maximum settlement point would occur to inside/outside of the curve. 2)The deviation of ground settlement groove mainly lies on soil loss induced by relative position of curved pipe jacking and tunnel; and the relative position of curved pipe jacking and tunnel can be affected by ground properties, jacking force, grouting pressure and curvature radius. 3) The modified Peck formula can well reflect the deviation of ground settlement groove and maximum settlement during pipe jacking in sandy stratum and silt soil stratum.

Keywords: curved pipe jacking; ground deformation; deformation prediction; soil loss; deviation of ground settlement groove

0 引言

隨著我國地下設(shè)施不斷增多，新建地下工程施工(如地鐵隧道、地下管網(wǎng)等)必然面臨擁擠的地下空間限制的問題，并可能會對已有地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。曲線頂管作為一種非開挖地下工程施工技術(shù)，由于可以使管道沿設(shè)計曲線軌跡頂進(jìn)，被廣泛應(yīng)用于城市供排水、油氣、通信電力以及地鐵等管道和隧道工程中。

然而，在曲線頂管施工過程中，會不可避免地引起周邊地層變形。目前，國內(nèi)外學(xué)者對于直線頂管引起的土體變形進(jìn)行了深入研究，主要考慮土體損失、正面附加推力、管道與巖土體側(cè)摩阻力以及注漿壓力等因素的影響，采用經(jīng)驗(yàn)公式法、隨機(jī)介質(zhì)理論、彈性力學(xué)解析法和數(shù)值模擬等方法對土體變形進(jìn)行了詳細(xì)研究，其結(jié)果均表明直線頂管施工引起的地表變形曲線關(guān)于隧洞軸線對稱。

然而，目前對曲線頂管引起土體變形方面的研究較少，并且不同學(xué)者得出的結(jié)論存在明顯差異。由廣明等[1]通過建立三維曲線頂管有限元模型和現(xiàn)場監(jiān)測研究曲線頂管土體變形規(guī)律，得出了由于管道外側(cè)存在土體抗力，地面沉降槽并不關(guān)于隧洞軸線對稱，最大值偏向曲線圓心一側(cè)。潘同燕[2]對現(xiàn)場曲線頂管管土接觸壓力監(jiān)測研究也表明管道彎曲內(nèi)側(cè)潤滑泥漿壓力大于外側(cè)，可見管道彎曲內(nèi)側(cè)間隙大于外側(cè)，也證明了管道向軌跡曲線外側(cè)偏移。然而，同樣對于曲線頂管引起的地表變形問題，陳思甜等[3]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的研究結(jié)果表明，地表沉降槽不關(guān)于隧洞軸線對稱，但是最大沉降點(diǎn)卻偏向頂管軌跡彎曲外側(cè)，與由廣明等[1]的研究結(jié)果恰好相反。綜上所述，可以確定的是曲線頂管引起的地表沉降槽具有不對稱的特點(diǎn)，但是沉降槽具體偏移方向研究結(jié)論尚不明確，說明引起偏移的本質(zhì)因素還有待進(jìn)一步研究。

本文在現(xiàn)場曲線頂管施工地表變形監(jiān)測的基礎(chǔ)上，提出頂管與隧洞相對位置引起的土體損失變化是造成沉降槽偏移的原因，上述2種偏移方向都可能出現(xiàn)，其偏移方向受地層性質(zhì)、頂進(jìn)力、潤滑注漿壓力和曲率半徑等參數(shù)影響；在考慮土體損失造成的沉降槽偏移基礎(chǔ)上，對直線頂管地表變形公式進(jìn)行修正，得出曲線頂管土體變形預(yù)測公式。

1 現(xiàn)場監(jiān)測研究

1.1工程概況與測點(diǎn)布置

1.1.1 工程概況

港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道暗挖段采用曲線管幕支護(hù)與凍結(jié)止水相結(jié)合的創(chuàng)新技術(shù)下穿拱北口岸。管幕斷面如圖1所示，暗挖段長度為255 m，平面線形由88 m緩和曲線與167 m圓曲線組成；管幕上部平均埋深為4～5 m，總體高度約為23.8 m，寬度約為22.2 m，開挖面積達(dá)到336.8 m2。整個管幕由36根直徑1 620 mm的鋼管組成，其中上層17根鋼管壁厚20 mm，下層19根鋼管壁厚24 mm，管間距355～358 mm，采用F型接頭連接。所有鋼管通過東、西2個工作井實(shí)現(xiàn)雙向頂進(jìn)[4-7]。

為了對整個管幕頂管關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行前期驗(yàn)證，在全面頂進(jìn)施工前，現(xiàn)場頂進(jìn)2根試驗(yàn)管(0#和5#管)。其中0#試驗(yàn)管為附加頂管，平面布置如圖2所示，其頂部覆土厚度為5.5～6.5 m，由東工作井始發(fā)，西工作井接收； 5#試驗(yàn)管為管幕原位頂管，頂進(jìn)方向與0#試驗(yàn)管相反。

圖1 拱北隧道曲線頂管管幕剖面圖(單位： m)

Fig. 1 Cross-section of curved jacking pipe roofing of Gongbei Tunnel (unit: m)

圖2 0#試驗(yàn)管平面圖

1.1.2 測點(diǎn)布置

為監(jiān)測整個管幕施工過程中的地面變形，現(xiàn)場沿管幕軸線方向共布置24個監(jiān)測斷面，相鄰2個監(jiān)測斷面之間的距離為10 m，每個監(jiān)測斷面上共設(shè)置16個監(jiān)測點(diǎn)，相鄰2個監(jiān)測點(diǎn)距離2 m，如圖3所示，采用水準(zhǔn)儀監(jiān)測各點(diǎn)沉降值。由于受口岸中車輛和人流影響，只對部分?jǐn)嗝孢M(jìn)行了完整監(jiān)測，同時考慮0#試驗(yàn)管主要穿越砂層和淤泥質(zhì)土，因而選取代表性監(jiān)測斷面CJ4和CJ20進(jìn)行研究。2個監(jiān)測斷面地層情況如表1所示，頂管在CJ4斷面主要穿越砂層，而CJ20位于淤泥質(zhì)土層。CJ4-6測點(diǎn)距離0#管中心距離t為0.12 m，CJ20-6測點(diǎn)與0#管中心距離t為-0.41 m(t正值為軌跡外側(cè)，負(fù)值軌跡內(nèi)側(cè))。

圖3 某監(jiān)測斷面地表變形部分測點(diǎn)布置圖

表1 監(jiān)測斷面地層參數(shù)

1.2變形監(jiān)測結(jié)果

頂管穿越砂層和淤泥質(zhì)層引起的地表變形如圖4所示(正值表示沉降變形，負(fù)值表示隆起變形)。由圖4可知： 曲線頂管施工引起的地面沉降槽曲線并不關(guān)于隧洞軸線對稱，最大沉降點(diǎn)存在一定的水平偏移，沉降值隨著兩側(cè)水平距離的增大而減小。砂層中最大沉降為4.1 mm，偏向頂管軌跡曲線外側(cè)，沉降槽曲線具有一定對稱性。隨著水平距離增大，曲線兩側(cè)對稱性不明顯，頂管軌跡曲線內(nèi)側(cè)沉降槽相對外側(cè)更寬緩，沉降值也相對較小，說明外側(cè)受頂管擾動更顯著； 淤泥質(zhì)層中最大沉降為1.8 mm，偏向頂管軌跡曲線內(nèi)側(cè)，整個沉降槽曲線沒有明顯對稱性，頂管軌跡曲線內(nèi)側(cè)沉降槽相對外側(cè)更窄，沉降值相對外側(cè)也較小，表現(xiàn)為輕微隆起，說明外側(cè)受頂管擾動更顯著。

圖4 不同地層地面沉降槽實(shí)測曲線

Fig. 4 Measured ground settlement curves in different formations

以上監(jiān)測結(jié)果表明，對于曲線頂管地表沉降槽偏轉(zhuǎn)方向并不是固定不變的。即使對于同一根頂管管道，隨著頂進(jìn)距離和穿越地層的不同，其沉降槽偏移方向也可能不同。而文獻(xiàn)[1，3]中都認(rèn)為其存在單一方向的偏移模式，顯然是不全面的，其偏移方向與施工參數(shù)和地層等因素相關(guān)。

2 變形公式推導(dǎo)

2.1現(xiàn)有公式

目前，常用于直線頂管地表變形預(yù)測的公式主要為Peck經(jīng)驗(yàn)公式和鏡像法解析公式，二者都將土體損失作為頂管施工導(dǎo)致土體變形的主要因素，以下對2種公式做簡要說明。

2.1.1 經(jīng)驗(yàn)公式

Peck[8]在大量統(tǒng)計隧道施工地表變形的基礎(chǔ)上，采用正態(tài)分布曲線來擬合地面沉降槽，認(rèn)為土體變形僅由土體損失造成。假定土體不排水、體積不可壓縮(泊松比μ=0.5)，則沉降槽體積等于土體損失體積，得出隧道施工引起的橫向地面沉降經(jīng)驗(yàn)公式，并被擴(kuò)展到頂管和盾構(gòu)領(lǐng)域。

(1)

(2)

式(1)—(2)中：x為距隧洞軸線的水平距離；S(x)為x處地面沉降量；Smax為隧洞軸線上方最大地面沉降量；Vloss為頂管單位長度的土體損失量；i為地面沉降槽寬度系數(shù)，即沉降槽曲線拐點(diǎn)離隧洞軸線的水平距離。

O′Reilly等[9]通過統(tǒng)計各種地質(zhì)條件下開挖隧道引起地面沉降實(shí)測值，得到3 m

黏土：i=0.43h+1.1；

(3)

粒狀土：i=0.28h-0.1。

(4)

式(3)—(4)中h為隧道中心埋深，m。

2.1.2 解析公式

Sagaseta[10]假定土體損失為沿隧道軸向均勻分布的圓柱體，同樣在土體不排水、體積不可壓縮的條件下，采用等量徑向移動模式，利用鏡像法得到地面沉降計算公式。Verruijt等[11]利用Sagaseta的方法，考慮隧道表面的均勻徑向位移和隧道長期橢圓變形影響，得到任意泊松土體半平面條件下豎向和水平位移解析解。Loganathan等[12]在結(jié)合Verruijt等解析解的基礎(chǔ)上，采用橢圓形非等量徑向土體移動模式提出改進(jìn)的地面沉降計算公式

(5)

式中Rt為隧洞半徑。

上述2種土體變形預(yù)測公式均以土體損失為影響因素，因此隧道單位長度內(nèi)土體損失體積Vloss是關(guān)鍵計算參數(shù)。目前其計算方法主要有2種： 1)經(jīng)驗(yàn)方法。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)和參數(shù)反演得到合適的土體損失百分率η來估算土體損失的大小，因此，土體損失體積可表示為式(6)。 2)根據(jù)Lee等[13]提出的等效土體損失參數(shù)g按照式(7)進(jìn)行計算。

(6)

(7)

2.2沉降槽偏移計算

曲線頂管過程中，管節(jié)受力及其與隧洞孔壁的相互作用如圖5所示，相鄰管節(jié)偏角為β。對于第n根管節(jié)，其受到后續(xù)管節(jié)的頂力Fjn，前方第n-1管節(jié)的頂力反作用Fj(n-1)，內(nèi)側(cè)壓力Fin，外側(cè)壓力FOn以及摩阻力f?，F(xiàn)場管土壓力實(shí)測表明其內(nèi)外側(cè)壓力并不相等，因此，當(dāng)外側(cè)壓力、頂進(jìn)力和管節(jié)偏角較小時，且FOn>Fin+Fj(n-1)sinβ，則管節(jié)向軌跡曲線內(nèi)側(cè)偏移，管節(jié)與隧洞孔壁內(nèi)側(cè)接觸。此時，在孔壁穩(wěn)定的條件下，其管節(jié)外側(cè)壓力僅為潤滑泥漿壓力，而管節(jié)與孔壁接觸一側(cè)接觸壓力為土壓力和潤滑泥漿壓力的總和。反之，當(dāng)管節(jié)外側(cè)壓力較小，頂進(jìn)力和管節(jié)偏角較大時，其偏轉(zhuǎn)方向相反。因此，曲線頂管與隧洞的相對位置及偏移方向取決于潤滑泥漿壓力、頂進(jìn)力及軌跡曲率的大小，在這三者影響下，管節(jié)既可能發(fā)生外偏也可能發(fā)生內(nèi)偏，而之前的研究往往僅基于管節(jié)外偏的假設(shè)，認(rèn)為管節(jié)與隧洞孔壁外側(cè)接觸，土體抗力僅存在于管節(jié)外側(cè)，引起的地面沉降槽向內(nèi)側(cè)偏移，顯然并不全面。

圖5 曲線頂管管節(jié)受力示意圖

圖6 沉降槽偏移計算示意圖

(8)

(9)

(10)

式(8)—(10)中： ΔR為管道軸向偏移距離；Rp為頂管管道半徑；L為沉降槽偏移隧洞中心距離。

將Rt=0.838 m、Rp=0.81 m帶入非線性方程式(10)中，可得管道偏移量與沉降槽偏移量的關(guān)系曲線，如圖7所示。由圖7可知： 沉降槽偏移距離隨著管道軸向偏移增大而增大，當(dāng)ΔR=Rt-Rp時，沉降槽偏移距離為0.52 m。

圖7 沉降槽偏移與管道軸線偏移關(guān)系曲線

Fig. 7 Curve of relationship between deviation of ground settlement groove and that of pipe axis

2.3曲線頂管地表變形預(yù)測公式

雖然在頂管施工中影響土體變形的因素很多，但大部分施工參數(shù)在施工過程中波動比較劇烈，并且現(xiàn)場缺乏有效的記錄，考慮到土體損失為引起土體變形的主要因素，因此本文僅考慮土體損失對頂管施工地表變形的影響。

2.3.1 土體損失體積計算

關(guān)于土體損失的計算，本文采用式(6)，通過前人總結(jié)的不同地層土體損失百分率η，對現(xiàn)場變形實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反算，選取一個合理的η值。魏綱[14]對土體損失率的統(tǒng)計分析表明，主要集中在0.20%～2.0%，對于黏土η通常為0.5%～2.5%，對于砂層η為0.97%～3.01%；而文獻(xiàn)[15]結(jié)果表明淤泥質(zhì)層實(shí)測反算值η為0.22%～1.22%。因此，后續(xù)計算中土體損失率取平均值，其中砂層η=1.67%，淤泥質(zhì)層η=0.72%。

2.3.2 考慮偏移的地表變形公式

考慮上述分析中曲線頂管與孔壁的相對位置引起的沉降槽偏移規(guī)律，在采用Peck公式預(yù)測曲線頂管土體變形計算時，可引入偏移量L對式(1)進(jìn)行修正，可得：

(11)

式(11)中除L以外的其他參數(shù)計算與直線頂管情況下相同； 坐標(biāo)系原點(diǎn)為隧道中心，x軸正方向?yàn)轫敼苘壽E彎曲外側(cè)，負(fù)方向?yàn)閺澢鷥?nèi)側(cè)；L根據(jù)式(10)計算，取值規(guī)定為管節(jié)偏向頂管軌跡內(nèi)側(cè)時，L取正值，反之取負(fù)值。

同樣，對于Loganathan和Poulos提出的橢圓形非等量徑向土體移動下的地面沉降按式(5)進(jìn)行偏移量修正：

(12)

2.4工程實(shí)例對比分析

為驗(yàn)證本文修正公式的可靠性，將修正的Peck公式(11)和修正的Loganathan公式(12)與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，由于頂管上覆主要為人工填土，地表沉降槽寬度系數(shù)i采用式(3)計算。具體計算參數(shù)取值：Rt=0.838 m，Rp=0.81 m，ΔR=Rt-Rp=0.028 m，h=6 m，i=3.68 m；砂土層η=1.67%，μ=0.3，L=-0.52 m； 淤泥質(zhì)土層η=0.72%，μ=0.42，L=0.52 m。地面沉降計算與實(shí)測結(jié)果的對比如圖8所示。

(a) 砂層 (b) 淤泥質(zhì)土層

圖8地面沉降計算與實(shí)測對比圖

Fig. 8 Comparison between calculated ground settlement and monitored results in stratum

由圖8(a)可得，通過偏移修正的Peck公式和Loganathan公式沉降槽偏移規(guī)律與實(shí)測值基本一致，2個公式在距離軸線較遠(yuǎn)處沉降值相差不大，但在軸線附近相差較大，修正的Loganathan公式計算值明顯大于修正的Peck公式計算值。與實(shí)測值相比，修正的Peck公式計算值在最大沉降計算值附近十分吻合，但在兩側(cè)較遠(yuǎn)處，計算值略小于實(shí)測沉降值，說明對于砂土層，修正的Peck公式可以描述曲線頂管地表沉降槽偏移效應(yīng)，并可預(yù)測最大沉降點(diǎn)附近的地表變形。

由圖8(b)可得，經(jīng)過偏移修正的Peck公式和Loganathan公式計算的沉降槽曲線數(shù)值上相差不大，但修正的Peck公式最大沉降計算值與實(shí)測值更接近。二者計算值右側(cè)曲線與實(shí)測值比較吻合，但左側(cè)相差較大，實(shí)測值表現(xiàn)為輕微隆起，說明對于淤泥質(zhì)土層，采用修正的Peck公式同樣可以描述曲線頂管地表沉降槽偏移效應(yīng)，并預(yù)測最大沉降值。

3 結(jié)論與討論

通過對曲線頂管施工引起的地表變形進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測和分析，得到以下結(jié)論：

1)現(xiàn)場地表變形監(jiān)測結(jié)果表明，曲線頂管施工引起的地表沉降槽曲線表現(xiàn)為非對稱，最大沉降點(diǎn)既可能出現(xiàn)在軌跡彎曲內(nèi)側(cè)，也可能出現(xiàn)在外側(cè)。砂層中沉降槽偏向頂管軌跡曲線外側(cè)，而在淤泥質(zhì)土層中沉降槽卻偏向內(nèi)側(cè)，其偏移方向并不是固定的。

2)曲線頂管管節(jié)和隧洞的相對位置與頂管穿越地層性質(zhì)、頂進(jìn)力、注漿壓力和軌跡曲率半徑等因素相關(guān)，且曲線頂管管節(jié)與隧洞的相對位置引起土體損失重新分布是導(dǎo)致最大沉降點(diǎn)偏移的主要原因。

3)基于沉降槽偏移修正的Peck公式可以較好地反映砂層和淤泥質(zhì)層中沉降槽的偏移效應(yīng)和最大沉降量，可以作為預(yù)測相應(yīng)地層曲線頂管地表變形的依據(jù)。

4)由于本文主要考慮頂管施工土體損失引起的地層變形，后續(xù)有待進(jìn)一步開展曲線頂管由于管周非均勻的注漿壓力及土壓力引起的地層變形。

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PredictionofGroundDeformationInducedbyCurvedPipeJacking

ZHANG Peng1, LI Zhihong2, ZENG Cong1, MA Baosong1

(1.FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan),Wuhan430074,Hubei,China; 2.GuangdongNanyueTransportationInvestment&ConstructionCo.,Ltd.,Guangzhou510101,Guangdong,China)

U 455.4

A

1672-741X(2017)09-1120-06

2017-01-17;

2017-04-26

交通運(yùn)輸部項(xiàng)目(201331J11300)

張鵬(1988—)，男，山西大同人，中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)工程專業(yè)在讀博士，研究方向?yàn)轫敼艿确情_挖技術(shù)和理論。E-mail： cugpengzhang@163.com。 *通信作者： 馬保松， E-mail： mabaosong@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.09.009