大斷面矩形頂管施工對周圍土體擾動實測分析

郭靜 馬保松 趙陽森 陳雪華 哉鴻鑫

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院 430074;2.廣州金土巖土工程技術(shù)有限公司 510610;3.中鐵上海工程局集團華海工程有限公司 201101)

引言

隨著城市化進程的加快及城市規(guī)模的不斷擴大,城市的建設(shè)逐漸從地面轉(zhuǎn)入地下。矩形頂管作為一種市政建設(shè)的非開挖技術(shù),由于其綜合成本低、開挖斷面利用率高、施工效率高、施工不中斷城市交通及減少各地下專業(yè)管線的遷移等優(yōu)點,逐漸廣泛應用于城市地下人行通道、地鐵及出入口、綜合管廊、地下車庫等城市地下工程的建設(shè)領(lǐng)域,并具有廣闊的發(fā)展前景。

矩形頂管頂進施工對頂進軸線周圍的土體產(chǎn)生一定的擾動,引起周圍土體應力應變狀態(tài)的改變,導致臨近建(構(gòu))筑物開裂及影響地下管線的安全。所以有必要研究矩形頂管施工期間擾動區(qū)域內(nèi)土體的應力應變變化狀況,從而為周圍建(構(gòu))筑物采取有效的保護及防護措施提供科學依據(jù)。

目前,國內(nèi)外文獻對盾構(gòu)及圓形頂管施工引起的土體擾動做了較多的研究[1-3],針對施工擾動問題進行了大量理論、數(shù)值及實測分析[4-6],并提出了一些相應的評價方法及指標。白廷輝等[7]通過監(jiān)測上海軟土地區(qū)盾構(gòu)施工,發(fā)現(xiàn)推進速度對周圍土壓力及變形有較大影響。馮海寧等[8]通過分析直徑為1.2m 圓形頂管的土體擾動監(jiān)測數(shù)據(jù),得到了圓形頂管土體擾動規(guī)律,喻軍等[9]運用數(shù)值模擬方法分析了曲線頂管對地表沉降影響,得到摩阻力、機頭壓力、土體抗力等參數(shù)對地表沉降的影響規(guī)律。

圓形頂管一般斷面較小,外徑一般小于4m,而矩形頂管斷面一般大于6m ×4m,所以矩形頂管斷面遠大于圓形斷面,又由于其斷面不規(guī)則,與圓形頂管對土體擾動規(guī)律差異較大。目前主要對矩形頂管施工期間地表變形進行了監(jiān)測及數(shù)值分析,魏綱等[10]基于Peck 公式、應力釋放理論及應力傳遞理論,推導了矩形頂管地表總沉降量的計算方法。王曉睿等[11]采用MIDAS 數(shù)值模擬軟件分析了矩形頂管地表變形規(guī)律,并提出了相應減小地表路面沉降的措施。

綜上所述,目前缺乏對矩形頂管土體擾動的分析研究,尤其是軟土地區(qū)大斷面頂管工程深層土體擾動分析相關(guān)研究及實測數(shù)據(jù)較少。本文針對矩形頂管施工的特性,結(jié)合蘇州市某矩形頂管建造綜合管廊隧道實測數(shù)據(jù)。分析研究矩形頂管施工各階段對周圍土體孔隙水壓力、土壓力、深層土體水平位移、地表沉降等數(shù)據(jù)的影響,研究矩形頂管施工對頂進軸線周圍土體的擾動特性,以期為越來越多地區(qū)采用大斷面矩形頂管建造綜合管廊施工提供指導意見。

1 工程概況

蘇州市某穿越河流矩形頂管建造綜合管廊隧道工程,頂進長度為233m,為目前國內(nèi)最長距離的矩形頂管工程,管段上表面平均覆土深度為9m,屬淺埋頂管隧道。管節(jié)采用預制矩形鋼筋混凝土管節(jié),管節(jié)接口采用“F”型承插式,管節(jié)外斷面尺寸為5.5m×9.1m(高度×寬度),內(nèi)徑為4.2m×7.8m,屬于大斷面矩形頂管工程;管節(jié)壁厚為650mm,長度為1.5m/節(jié),單節(jié)約重66.8t。采用了組合式多刀盤土壓平衡矩形頂管機進行掘進施工,頂管機外徑為9.12m×5.52m,頂管機長度為6.14m。

根據(jù)地質(zhì)勘查資料,矩形頂管隧道穿越地層自上而下為: ①素填土、②粘土、③粉質(zhì)粘土夾粉土、④粉砂夾粉土、⑤粉砂,頂管主要穿越地層為粉砂夾粉土、粉土層。場區(qū)地下水豐富,水位埋深為0.5m～2.5m。地層具體物理力學參數(shù)如表1 所示。

表1 地層物理力學性質(zhì)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical properties of strata

工程從2017年8月初開始頂進,持續(xù)4 個月左右隧道貫通。頂進日期與里程曲線見圖1。

圖1 頂管日期與里程關(guān)系Fig.1 Relationship between pipe jacking date and mileage

2 測試內(nèi)容與測點布置

現(xiàn)場監(jiān)測的內(nèi)容主要為土體孔隙水壓力、土壓力、深層土體水平位移、地表沉降等項目?，F(xiàn)場監(jiān)測總平面圖如圖2 所示,各監(jiān)測項目均在9月2 日頂進里程為35m 時開始測試。

圖2 現(xiàn)場監(jiān)測總平面布置Fig.2 Layout plan for site monitoring

2.1 深層土體水平位移測點布置

監(jiān)測斷面距離始發(fā)井為64m,在頂管右側(cè)布置測斜管,主要監(jiān)測矩形頂管周圍土體的深層土體水平位移,分析頂管施工對土體的變形擾動影響?，F(xiàn)場布置3 個測孔,分別距頂管軸線7m、11m、15m,測孔深均為16m,如圖3 所示。

2.2 土壓力、孔隙水壓力測點布置

通過在矩形頂管軸線橫斷面單側(cè)布置土壓力計和孔隙水壓力計,監(jiān)測施工期間土體內(nèi)壓力的變化,為研究矩形頂管施工對土體的附加荷載提供依據(jù)。

圖3 測斜孔布置(單位： m)Fig.3 Layout of inclinometer hole(unit: m)

土壓力、孔隙水壓力計布置在距離始發(fā)井69m的橫斷面上。土壓力的監(jiān)測采用鋼弦式土壓力盒。平面上共布置3 個測孔,分別距頂管軸線距離為0、7m、20m,孔號分別為TYK-0、TYK-7、TYK-20,孔深分別為7.92m、11.67m、11.67m。

各土壓力盒和孔隙水壓力計的埋設(shè)位置見圖4(圖中標注為土壓力計的位置,孔隙水壓力計安裝在土壓力計上方0.3m 處)?？梢钥闯?TY-1、TY-3 兩個測點主要監(jiān)測黏土層的土壓力變化,而TY-2、TY-4、TY-5 主要測量不同位置粉砂層的土壓力變化,TY-1～TY-5 均配有相應的孔隙水壓力計,分別為KY-1～KY-5。KY-6 距頂管水平距離較遠,用于監(jiān)測擾動微小的粉砂層孔隙水壓力的變化來作為對比。

圖4 土壓力計、孔隙水壓力計布置(單位： m)Fig.4 Layout of soil pressure gauge and pore water pressure gauge(unit: m)

2.3 地表沉降測點布置

監(jiān)測斷面距離始發(fā)井為67m,共布置23 個沉降監(jiān)測點,相對于頂管軸線對稱,其中CJ +0～CJ+5每隔1m 設(shè)置1 個測點,而CJ + 5～CJ+17每隔2m 設(shè)置1 個測點,即編號數(shù)字對應該測點到頂管軸線距離,測點布置如圖2 所示。主要監(jiān)測在頂管機到達前、通過時和通過后監(jiān)測斷面的沉降量,分析矩形頂管沉降槽的橫向?qū)挾群托螤畹陌l(fā)展規(guī)律,研究地表測點隨頂進過程的地表變形發(fā)展規(guī)律。

3 測試結(jié)果分析與討論

3.1 深層土體水平位移分析

1.總體趨勢

深層土體水平位移曲線為正值表示測點土體向管壁方向移動,為負值則向遠離管壁方向移動?，F(xiàn)場測試的深層土體水平位移曲線的總體形態(tài)為: 在深度為0～2m 范圍內(nèi),曲線為0～2mm范圍內(nèi)的負值曲線,而深度在3m～14m 范圍內(nèi),曲線為0～7mm 范圍內(nèi)的正值曲線。如圖5 所示,圖中曲線標簽為日期與頂進里程。

圖5 CX-7 測孔深層土體水平位移隨時間變化曲線Fig.5 Curves of horizontal displacement of deep soil in CX-7 borehole with time

頂管機機頭未到監(jiān)測斷面時,曲線基本呈豎直狀態(tài),如圖5 中9月9 日～9月12 日的曲線所示。

頂管機機頭斷面到達監(jiān)測斷面時,周圍土體發(fā)生較大變形。如9月13 日測試曲線,3m～14m范圍內(nèi)的土體向著頂管管壁方向移動,表明頂管機在粉砂地層掘進時,由于地層較為松散,頂管機在該地層掘進發(fā)生了超挖現(xiàn)象,而現(xiàn)場監(jiān)測到的實際出土量大于理論出土量也印證了這一觀點。而且深度為4m～7m 范圍內(nèi)土體變形最大,達4.5mm,而深度為9m～11m 范圍內(nèi)土體變形次之,為3mm 左右。說明頂管附近土體最大變形發(fā)生在距頂管上表面2m～4m 范圍內(nèi),而不同于圓形頂管發(fā)生在頂管上表面附近的土體。而頂管軸線平面的土體變形比最大變形小2mm 左右。

頂管機機頭通過監(jiān)測斷面時土壓力發(fā)生變化。9月13 日～9月16 日,隨著頂管機機頭及后續(xù)管節(jié)逐漸通過監(jiān)測斷面,距頂管機上表面2m～4m附近處的土體一直向正向移動,即一直向頂管機管壁方向移動,在9月17 日才停止了這一現(xiàn)象。這說明頂管機刀盤的出土及后續(xù)管節(jié)的摩擦剪切作用對這一區(qū)域的土體只存在卸荷擾動的影響。而頂進施工對頂管軸線附近的土體擾動要復雜得多。9月13 日～9月14 日,頂管機逐漸通過監(jiān)測斷面,頂管機軸線附近處的土體相對于9月13 日的土體向負方向移動,說明長6m左右的頂管機通過該斷面時逐漸對周圍土體產(chǎn)生擠土效應。而9月14 日～9月16 日,隨著頂管機盾尾通過監(jiān)測斷面,頂管機軸線附近處的土體相對于9月14 日的土體向正方向移動,頂管軸線附近處土體向頂管管壁方向移動,這是由于頂管機比后續(xù)管節(jié)在壁厚上多20mm 的間隙,所以盾尾通過后周圍土體有向頂管管壁填補這一間隙的趨勢。而9月16 日～9月17 日之后,隨著后續(xù)管節(jié)向頂管外壁環(huán)狀間隙注漿的影響,監(jiān)測到頂管管壁附近處的土體逐漸向負方向移動,即附近土體受注漿的影響逐漸向遠離管壁方向移動。

2.施工停頓對深層土體水平位移的影響

由于9月27 日到10月6 日施工停頓,頂管機未頂進,如圖6 所示,相比于9月26 日正常頂進時的深層土體水平位移曲線,9月29 日到10月5 日,深度從7m 到14m 的深層土體水平位移為正向增大,表面監(jiān)測斷面附近土體向著頂管管壁方向移動,說明隨著頂管的停止頂進,剪切擾動及注漿影響減弱,頂管周圍受擾動土體擾動程度逐漸減弱。

圖6 施工停頓深層土體水平位移變化曲線Fig.6 Curve of horizontal displacement of deep soil during construction

恢復頂進施工后,相對于停頓期間的10月5日的深層土體水平位移曲線,10月7 日的曲線深度從7m 到14m 的深層土體水平位移向負方向變化,恢復到與正常頂進時9月26 日幾乎重合的曲線狀態(tài),說明隨著施工停頓后啟動,伴隨著管節(jié)周圍注入膨潤土泥漿,使管節(jié)周圍土體向外移動,繼續(xù)對頂管周圍土體產(chǎn)生擾動。

3.軸線距離對深層土體水平位移的影響

如圖7 所示,分別以3 個測孔9月13 日、9月16 日頂管機頭到達及盾尾通過監(jiān)測斷面為例,來分析距離頂管軸線距離不同的土體擾動程度影響。頂管頂進對周圍土體深層土體水平位移的影響為越靠近頂管軸線,深層土體水平位移越大,CX-7 深層土體水平位移最大,最大深層土體水平位移達7mm,而CX-11 深層土體水平位移次之,最大深層土體水平位移為2mm,而CX-15深層土體水平位移最小在1.2mm 左右,即頂管對周圍土體的擾動距離軸線越近擾動程度越大,向外深層土體水平位移逐漸減小,說明土體受擾動程度也相應減小。

圖7 不同測孔深層土體水平位移曲線Fig.7 Horizontal displacement curves of deep soil with different measuring holes

3.2 土壓力分析

土壓力在頂管機機頭斷面距離監(jiān)測斷面33m時開始監(jiān)測,在頂管機距離監(jiān)測斷面較遠時,各測點的土壓力幾乎沒有發(fā)生變化;如圖8 所示,頂管機機頭距離監(jiān)測斷面12m 左右(約為管節(jié)高度2 倍)時,各測點的土壓力值都開始上升,TY-2由于距離軸線最近,受擾動程度最為劇烈,在監(jiān)測過程中受壓而損壞。而TY-1 土壓力計較其他土壓力計的土壓力值上升時間要早,在頂管機機頭距離監(jiān)測斷面25m 左右時即出現(xiàn)了土壓力值的上升。

1.頂管施工對土壓力的擾動程度

各測點的土壓力值在頂管機機頭距離監(jiān)測斷面12m 時起就出現(xiàn)了迅速上升,在頂管機機頭斷面到達監(jiān)測斷面時各土壓力值達到了一個峰值,與未擾動的土壓力值相比,各測點土壓力值出現(xiàn)了30kPa 左右的上升。而TY-3 例外,由于距離頂管軸線最遠,該處土壓力值僅上升了10kPa 左右,這說明距離頂管軸線越近,土體受擾動程度越大,而距離較遠時,受擾動程度較小。另外,說明矩形頂管對土體擾動縱斷面上的范圍大約為矩形頂管高度的2 倍,頂管對該范圍以外的土體擾動較小。

2.頂進速率對土壓力的影響

頂管機機頭斷面通過監(jiān)測斷面后,各測點的土壓力值都迅速下降,下降到與初始土壓力值相等的水平。而頂進里程為70m～85m 左右時,各測點的土壓力值也出現(xiàn)了一定幅度的上升,這是由于這一時期內(nèi)頂管頂進速率較快,說明較快的頂進速率會增加頂管周圍土體的擾動程度。頂進里程為120m 時,監(jiān)測斷面的土壓力值出現(xiàn)了一定程度的下降,這是由于在這期間,施工現(xiàn)場停工未進行頂管施工,這樣從側(cè)面說明停止頂進施工后,對土體的擾動逐漸恢復。

3.土壓力最終變化

頂進里程120m 以后繼續(xù)頂進,各測點的土壓力值變化很小,所以在頂進里程為150m 左右時停止了監(jiān)測。停止監(jiān)測時的土壓力值與初始壓力值相比,出現(xiàn)了一定的增長,如距離頂管軸線較近的TY-5、TY-4、TY-1 土壓力值增長了15kPa 左右,而距離頂管軸線較遠的TY-3 增長了5kPa 左右。

3.3 孔隙水壓力分析

各測點孔隙水壓力值的總體變化趨勢與土壓力值變化類似。如圖9 所示,當頂管機逐漸到達監(jiān)測斷面時,孔隙水壓力值逐漸增大,當頂管機機頭斷面到達監(jiān)測斷面時孔隙水壓力值達到最大,頂管機機頭通過監(jiān)測斷面后,孔隙水壓力值迅速降低。

1.軸線距離對孔隙水壓力的影響

由于KY-2 測點處于砂層,距離頂管軸線最近, 距頂管管節(jié)上表面僅為1.5m 左右, 所以KY-2 的孔隙水壓力值較其他測點的變化幅度要大, 在頂管機機頭達到監(jiān)測斷面時孔隙水壓力的峰值遠大于其他測點, 高出其他測點峰值10kPa左右。 這主要是由于測點處于砂層, 該地層滲透性較好, 且距離頂管軸線較近, 該測點受到頂管機刀盤注漿滲流的影響, 即該測點監(jiān)測到刀盤注漿對周圍土體的擾動。 而KY-1、 KY-3 監(jiān)測點距頂管軸線較遠, 所監(jiān)測到的孔隙水壓力增長幅度遠小于其他兩測點; 而距離最遠的KY -3 孔隙水壓力值的增長在時間上也要晚于其他測點,這表明了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。

2. 頂管施工對孔隙水壓力的影響程度

由圖10 可知, 由于3 個測點距離頂管軸線距離不同, 距離頂管軸線較近的KY -2 孔隙水壓力值的變化遠大于其他2 個測點, 在頂管機機頭通過該監(jiān)測斷面時, 孔隙水壓力值出現(xiàn)了50kPa 左右的變化, 而KY - 5 的變化值為30kPa 左右。 由于KY -6 距頂管軸線為20m,該測點的孔隙水壓力值在頂管頂進過程中幾乎未出現(xiàn)變化, 說明該測點土體幾乎未受到頂管施工的擾動影響。 圖10 表明, 距離頂管軸線越近, 土體的受擾動程度越高, 距離較遠時土體的擾動程度逐漸減小。

3.4 地表沉降分析

如圖11 所示, 當頂管機機頭距離監(jiān)測斷面較遠( ＞15m)時, 監(jiān)測斷面幾乎不出現(xiàn)沉降現(xiàn)象; 隨著機頭距監(jiān)測斷面從15m 逐漸靠近時, 各監(jiān)測點都逐漸向上隆起, 機頭即將到達監(jiān)測斷面時各測點隆起值達到最大, 其中距離頂管軸線距離越小, 隆起值越大, 最大隆起值為5mm。 推測是由于頂管埋深較淺, 頂管機機頭由于剪切擾動帶動上表面土體一起移動產(chǎn)生所謂的“背土效應”, 造成頂管機上方及前方土體產(chǎn)生擠壓加之頂進力的影響從而導致地表產(chǎn)生隆起變形。

機頭通過監(jiān)測斷面后, 各測點都出現(xiàn)了急劇的沉降, 并在頂管機機頭距離監(jiān)測斷面達13m(約為管節(jié)高度2 倍)時沉降達到最大, 其中距頂管軸線距離越小, 沉降值越大, CJ -1 的最大沉降為15mm, 而距離頂管軸線大于1 倍管節(jié)寬度的測點發(fā)生較小的沉降, 如CJ -9、 CJ -11 的沉降幾乎為0, 在圖12 中更能反映這種趨勢, 說明矩形頂管的沉降槽影響范圍為距離頂管軸線各1倍管節(jié)寬度。 且矩形頂管的沉降槽與圓形頂管的Peck 正態(tài)分布曲線槽存在差異, 矩形頂管的沉降槽底端為近水平的類等腰梯形槽, 水平段長度約為管節(jié)寬度。 與圓形頂管隧道沉降槽不同推測是由于矩形頂管上表面為9m 多的水平寬度, 加上受到施工注漿因素的影響, 因此矩形頂管與圓形頂管的地表沉降槽存在這樣的差異。

圖8 土壓力隨頂進里程變化曲線Fig.8 Variation curves of earth pressure with jacking mileage

圖9 孔隙水壓力隨頂進里程變化曲線Fig.9 Variation curves of pore water pressure with jacking mileage

圖10 不同測孔孔隙水壓力變化曲線Fig.10 Variation curves of pore water pressure in different measuring holes

圖11 測點隨頂進里程的變形Fig.11 Deformation chart of measuring point with jacking mileage

頂管機機頭距離軸線大于15m 之后沉降有所恢復, 并逐漸趨于穩(wěn)定。 這是由于不斷向頂管管壁壓注膨潤土泥漿, 充填了頂管壁后間隙, 減少了管節(jié)周圍土體損失, 使地面最終沉降保持在7.5mm 左右。

圖12 地表橫斷面測點變形Fig.12 Deformation map of surface cross section

4 結(jié)論

1.矩形頂管與圓形頂管對產(chǎn)生的土體擾動存在一些差異。矩形頂管附近土體最大水平位移發(fā)生在距頂管上表面一定距離處,而不同于圓形頂管發(fā)生在頂管上表面附近的土體;矩形頂管的地表沉降槽較圓形頂管的也存在較大差異,矩形頂管產(chǎn)生的地表沉降曲線底部較為平緩。

2.矩形頂管對土體的擾動與頂管機距監(jiān)測斷面位置有直接聯(lián)系,隨著頂管機逐漸靠近,土壓力、深層土體水平位移及孔隙水壓力受擾動變得劇烈,頂管機通過后土體擾動逐漸減弱;距離頂管軸線距離越近,土體受擾動程度越高。建議施工期間加強頂管機附近土體變形監(jiān)測,距離頂管軸線距離較近的構(gòu)筑物應采取保護措施。

3.頂管頂進速率越快,對周圍土體擾動越大。而施工停止后,矩形頂管對周圍土體的擾動逐漸恢復,但受管周附近土體固結(jié)影響,土體有向管壁移動趨勢。建議施工期間不能盲目加快頂進速率,且施工停頓期間不能停止向管壁壓注膨潤土泥漿,停頓后重啟時注意監(jiān)測頂進力及地表沉降變化,防止頂管重啟對周圍的劇烈擾動,以確保施工安全。

后續(xù)的大斷面矩形頂管施工時,建議采取相應措施避免這些土體擾動規(guī)律對周圍建、構(gòu)筑物的影響。建議后續(xù)采用有限元分析,結(jié)合本工程及類似工程實測數(shù)據(jù),提出合理參數(shù),對更大斷面矩形頂管復合地層土體擾動規(guī)律作進一步研究。