矩形頂管隧道群施工對(duì)后背土體擾動(dòng)規(guī)律的初步研究

王 寧， 高 毅， 于少輝， 李 洋

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司地下空間設(shè)計(jì)研究院， 河南 鄭州 450016)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市化水平逐漸提高，城市規(guī)模不斷增大，城市人口數(shù)量與機(jī)動(dòng)車保有量迅速增加，使得城市地面可利用空間資源愈加短缺，開發(fā)利用城市地下空間的呼聲越來越高，需求越來越大[1-2]。然而，城市地下空間開發(fā)面臨地面既有建筑拆除與地下管線改遷成本高、進(jìn)度慢、對(duì)周邊環(huán)境影響大等一系列問題。最大限度地減小對(duì)周邊環(huán)境的影響，以及更加高效地利用城市地下空間資源是當(dāng)前地下空間開發(fā)技術(shù)的發(fā)展方向。頂管法作為非開挖技術(shù)中的一種，施工時(shí)可顯著減小對(duì)周邊管線、臨近建筑與交通的影響[3-4]，利用多條矩形頂管隧道組成的矩形頂管隧道群可在對(duì)周邊環(huán)境幾乎無影響的條件下形成大斷面地下空間，進(jìn)而更加高效、環(huán)保地開發(fā)與利用地下空間資源。

矩形頂管隧道群施工中頂管機(jī)需多次在工作井中始發(fā)頂進(jìn)，巨大的頂推力通過工作井后背墻多次作用在后背土體上，而后背土體的變化情況又將直接影響到頂管施工的質(zhì)量與安全。因此，對(duì)頂管隧道群施工中后背土體的變化情況展開研究非常重要。

現(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于頂管工作井后背土體在頂推過程中變化情況的研究較少，文獻(xiàn)[5-6]依據(jù)地基塑性區(qū)理論及土體剪切破壞條件提出了對(duì)應(yīng)的后背土體壓力計(jì)算式； 文獻(xiàn)[7-11]通過數(shù)值模擬對(duì)頂管工作井變形與后背土體抗力進(jìn)行了研究； 文獻(xiàn)[12-13]對(duì)頂管頂推力的計(jì)算方法與工作井后靠設(shè)計(jì)等進(jìn)行了詳細(xì)闡述?，F(xiàn)有研究大多采用數(shù)值模擬、理論分析等方法，且研究對(duì)象多為常規(guī)頂管工程，針對(duì)頂管機(jī)在工作井中多次始發(fā)頂進(jìn)對(duì)后背土體產(chǎn)生影響的研究更為罕見。為此，本文依托具體工程案例，通過改進(jìn)現(xiàn)有頂管頂推力計(jì)算公式，對(duì)該工程中頂管頂推力與后背土體承載力進(jìn)行理論計(jì)算，對(duì)現(xiàn)場1#、2#、3#區(qū)間隧道施工中后背土體的深層水平位移與土壓力實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究與總結(jié)頂管機(jī)多次始發(fā)頂進(jìn)情況下后背土體的變化規(guī)律，以期為同類工程提供參考。

1 工程概況

本工程位于某公司綜合辦公大樓前廣場內(nèi)，場地北側(cè)為綜合辦公樓，南側(cè)為技術(shù)中心，西側(cè)為聯(lián)合廠房，東側(cè)毗鄰市政道路。場地周邊管線調(diào)查結(jié)果顯示，未發(fā)現(xiàn)敷設(shè)燃?xì)?、熱力管線及軍用光纜，僅在地下較淺位置埋設(shè)少量給、排水管，消防管道及電力線路等，對(duì)頂管段施工無影響。

工程采用7條下穿樓前廣場的平行隧道頂管法施工，東端為始發(fā)工作井，平面尺寸為36.5 m×12.0 m； 西端為接收工作井，平面尺寸為36.5 m×11.2 m，工作井深9.1 m，井壁厚500 mm，場地地下水位埋深較深(在底板結(jié)構(gòu)以下)。頂進(jìn)施工過程中，在工作井相應(yīng)位置安裝可拆卸式鋼制后靠背，頂進(jìn)方向由東向西，采用1臺(tái)5 m×5.7 m頂管機(jī)頂推中間5跨，其余2個(gè)邊跨待頂管機(jī)改裝成斷面尺寸為5 m×2.85 m后再分別從東向西頂進(jìn)。隧道頂進(jìn)長度為61.5 m，由41環(huán)預(yù)制鋼筋混凝土型鋼組合管節(jié)組成，管節(jié)尺寸為5 m×5.7 m，中間5跨相鄰隧道軸線間距為5.73 m，外側(cè)2跨間距為4.305 m，管節(jié)頂、底部高程分別為-3.10 m與-8.10 m。工程布置簡圖如圖1所示，隧道施工順序?yàn)?#—7#。場地內(nèi)各土層分布及主要巖土參數(shù)見表1。

(a) 頂管工程平面圖

(b) 頂管工程斷面圖 (c) 始發(fā)工作井?dāng)嗝鎴D

圖1 頂管工程現(xiàn)場布置示意圖(單位： m)Fig. 1 Field layout of pipe jacking project (unit: m)

2 頂管頂推力與后背土體承載力計(jì)算

頂管工程的頂推力(p頂)通?？紤]由頂管機(jī)機(jī)頭端阻力(p端)和頂管管節(jié)與周邊土體的側(cè)摩阻力(p側(cè))組成：

p頂=p側(cè)+p端。

(1)

《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范(試行)》中頂管側(cè)摩阻力計(jì)算公式如下：

(2)

式中：f為管節(jié)在頂進(jìn)過程中與周圍土體的摩擦因數(shù)，按《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范(試行)》中表9.1.1取值;γ為頂管管節(jié)穿越土層的重度，kN/m3；D1為頂管外徑，m；H為頂管管節(jié)上部覆土厚度，m；φ為頂管管節(jié)穿越土層的內(nèi)摩擦角，°；ω為頂管管節(jié)單位長度自重，kN/m；l為頂管頂進(jìn)長度，m。

式(2)適用對(duì)象為圓斷面頂管，對(duì)于矩形頂管不能直接使用。在式(2)的基礎(chǔ)上通過推導(dǎo)得到適用于矩形頂管的側(cè)摩阻力計(jì)算公式如下：

(3)

式中：l1為頂管管節(jié)平面寬度，m；l2為頂管管節(jié)平面高度，m。

對(duì)于端阻力，文獻(xiàn)[14]給出的計(jì)算公式為：

(4)

對(duì)于矩形頂管，通過推導(dǎo)得到：

(5)

依據(jù)《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范(試行)》中后背反力的相關(guān)假定，后背土體承載力計(jì)算公式如下：

(6)

式中：α為系數(shù)，取值范圍是1.5～2.5；B為后背墻的寬度，m；γ′為后背土體容重，kN/m3；H′為后背墻高度，m；Kp為被動(dòng)土壓力系數(shù)，Kp=tan2(45°+φ/2)；c為后背土體的黏聚力，kPa；h為后背墻頂與地面之間土體厚度，m。

將相關(guān)計(jì)算參數(shù)取值如下：B=7.6 m、γ=16.8 kN/m3、H=6.4 m、Kp=2.14、c=9.5 kPa、h=2.7 m。代入式(6)后，計(jì)算出本工程后背土體的承載力R=26 839.49 kN。后背土體承載力(頂推反力承載力)R約為頂管施工所產(chǎn)生頂推力p頂?shù)?.4倍，滿足頂管施工中相關(guān)安全要求，所以本工程未對(duì)后背土體采取加固措施。

3 后背土體施工監(jiān)測

3.1 測點(diǎn)布置

現(xiàn)場工作井后背土體測斜管及土壓計(jì)測點(diǎn)布置如圖2所示。測點(diǎn)T-3、T-4、T-5所用土壓計(jì)在基坑施工過程中同步埋設(shè)，埋設(shè)過程中土壓計(jì)壓力測試面豎向設(shè)置，使其面向后靠墻； 測點(diǎn)C-3、C-4、C-5測斜管通過鉆孔法埋設(shè)。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定測斜管管底標(biāo)高為-13.0 m，所有儀器埋設(shè)前均按照相關(guān)規(guī)定及技術(shù)規(guī)范進(jìn)行檢測。

3.2 后背土體土壓力

依據(jù)現(xiàn)場土壓計(jì)實(shí)測數(shù)據(jù)，繪制出1#、2#、3#區(qū)間隧道施工過程中測點(diǎn)T-3、T-4、T-5土壓力隨施工頂推力變化曲線如圖3—5所示。

(a) 平面圖

(b) 剖面圖

圖3測點(diǎn)T-3、T-4、T-5土壓力隨1#區(qū)間隧道頂推力變化曲線

Fig. 3 Variation curves of earth pressure at T-3,T-4 and T-5 with jacking force at section #1 tunnel

圖4 測點(diǎn)T-4、T-5土壓力隨2#區(qū)間隧道頂推力變化曲線

Fig. 4 Variation curves of earth pressure at T-4 and T-5 with jacking force at section #2 tunnel

圖5 測點(diǎn)T-3、T-4土壓力隨3#區(qū)間隧道頂推力變化曲線

Fig. 5 Variation curves of earth pressure at T-3 and T-4 with jacking force at section #3 tunnel

對(duì)比圖3—5可知：

1)各測點(diǎn)土壓力隨頂推力增加而變化的曲線具有相同的特征，即土壓力隨著1#、2#、3#區(qū)間隧道頂推力的增加而逐漸增大。

2)隨著與頂推力直接作用位置距離的增加，施工中頂推力對(duì)左右兩側(cè)相鄰區(qū)間隧道后背土體的影響逐漸減弱。1#區(qū)間隧道整個(gè)施工中測點(diǎn)T-4處土壓力由0.5 kPa增加至25.6 kPa，測點(diǎn)T-3處土壓力由0.86 kPa增加至5.21 kPa，測點(diǎn)T-5處土壓力由0.34 kPa增加至4.93 kPa。

3)2#、3#區(qū)間隧道頂推施工中測點(diǎn)T-3、T-4、T-5處土壓力均由一個(gè)非零值開始變化，表明在1#區(qū)間隧道施工完畢后，后背土體中土壓力并未隨作用在后背土體上頂推力的消失而歸零，卸載后后背土體中存在殘余應(yīng)力。

4)2#、3#區(qū)間隧道頂進(jìn)施工對(duì)相鄰測點(diǎn)T-4均存在影響，但其影響效果逐漸減弱。2#區(qū)間隧道施工中測點(diǎn)T-4處土壓力由初始值2.8 kPa增加至7.6 kPa，3#區(qū)間隧道施工中測點(diǎn)T-4處土壓力由4.5 kPa增加至7.8 kPa。同時(shí)也可看出，在頂推力多次加載與卸載作用后，后背土體中殘余應(yīng)力具有累積性。

上述現(xiàn)象可總結(jié)為： 隨著與頂推力直接作用位置處距離增加，頂推力對(duì)后背土體的影響減弱；后施工區(qū)間隧道頂推力對(duì)相鄰已完工區(qū)間后背土體影響逐漸減弱；頂推力作用消除后，后背土體存在殘余應(yīng)力，并且后背土體中殘余應(yīng)力具有累積性。

3.3 后背土體水平位移

整理1#區(qū)間隧道施工過程中后背土體測斜數(shù)據(jù)，繪制圖6—8，圖中數(shù)據(jù)表示在1#區(qū)間隧道施工中頂推力分別為12 170、14 640、15 950、22 366 kN時(shí)，測點(diǎn)C-3、C-4、C-5不同深度處土體水平位移變化情況。由圖6—8可知： 后背土體在頂推力作用下呈上、下部水平位移較小而中部水平位移較大的弓形分布，距地面以下5.5 m深度處(即隧道中心線深度處)出現(xiàn)土體水平位移最大值。因此，可選用各測點(diǎn)-5.5 m深度處土體水平位移作為研究對(duì)象，以反映測點(diǎn)C-3、C-4、C-5在1#、2#、3#區(qū)間隧道頂進(jìn)施工中后背土體水平位移變化情況。繪制水平位移變化曲線如圖9—11所示，圖6—11中位移負(fù)值表示后背土體沿背離頂進(jìn)方向一側(cè)產(chǎn)生位移。

圖6 1#區(qū)間隧道施工中測點(diǎn)C-3水平位移變化曲線

Fig. 6 Variation curves of horizontal displacement of C-3 during construction in section #1 tunnel

圖7 1#區(qū)間隧道施工中測點(diǎn)C-4水平位移變化曲線

Fig. 7 Variation curves of horizontal displacement of C-4 during construction in section #1 tunnel

圖8 1#區(qū)間隧道施工中測點(diǎn)C-5水平位移變化曲線

Fig. 8 Variation curves of horizontal displacement of C-5 during construction in section #1 tunnel

圖9 隧道頂進(jìn)中5.5 m深度處C-4土體水平位移曲線

Fig. 9 Curves of horizontal displacement of C-4 soil at depth of 5.5 m during tunnel jacking

圖10 隧道頂進(jìn)中5.5 m深度處C-5土體水平位移曲線

Fig. 10 Curves of horizontal displacement of C-5 soil at depth of 5.5 m during tunnel jacking

圖11 隧道頂進(jìn)中5.5 m深度處C-3土體水平位移曲線

Fig. 11 Curves of horizontal displacement of C-3 soil at depth of 5.5 m during tunnel jacking

由圖9—11可知：

1)1#區(qū)間隧道頂進(jìn)過程中隨著頂推力的增加，測點(diǎn)C-3、C-4、C-5處后背土體水平位移逐漸增大，但增長速度在施工后期逐漸減小。

2)隨著與頂推力直接作用位置距離的增加，頂推力對(duì)相鄰區(qū)間隧道后背土體的影響逐漸減小。1#區(qū)間隧道整個(gè)頂進(jìn)施工期間，測點(diǎn)C-4水平位移變化幅度為8.9 mm，與其相距5 m的測點(diǎn)C-3水平位移變化幅度為5.2 mm，與測點(diǎn)C-4相距6 m的測點(diǎn)C-5處后背土體水平位移變化幅度僅為2.95 mm。

3)隨著2#、3#區(qū)間隧道開始頂進(jìn)施工，2條隧道軸線對(duì)應(yīng)測點(diǎn)C-5、C-3處后背土體水平位移開始進(jìn)一步增大，測點(diǎn)C-5處水平位移最大值為-10.71 mm，測點(diǎn)C-3在3#區(qū)間隧道頂進(jìn)結(jié)束時(shí)的最終水平位移為-11.5 mm；2#、3#區(qū)間隧道頂進(jìn)施工對(duì)相鄰1#區(qū)間隧道測點(diǎn)C-4處后背土體也產(chǎn)生了影響，測點(diǎn)C-4處水平位移從1#區(qū)間隧道頂進(jìn)結(jié)束時(shí)的-8.9 mm逐漸增加至2#區(qū)間隧道施工完成時(shí)的-10.36 mm，最終在3#區(qū)間隧道頂進(jìn)施工完成時(shí)水平位移增長至-11.2 mm。此現(xiàn)象表明2#、3#區(qū)間隧道頂推力對(duì)測點(diǎn)C-4的影響在逐漸減弱。

4)各測點(diǎn)在隧道頂進(jìn)施工完畢即頂推力撤除后，存在土體水平位移“回彈”現(xiàn)象。C-4測點(diǎn)在2#、3#區(qū)間隧道開始施工時(shí)水平位移分別為-7.2、-8.58 mm,而非1#、2#區(qū)間隧道施工結(jié)束時(shí)的-8.9、-10.36 mm； C-5測點(diǎn)在2#區(qū)間隧道開始施工時(shí)的水平位移為-2.74 mm，較1#區(qū)間隧道施工結(jié)束時(shí)的-2.95 mm減小了0.21 mm； C-3測點(diǎn)處水平位移由1#區(qū)間隧道施工結(jié)束時(shí)的-5.50 mm 減小到3#區(qū)間隧道開始頂進(jìn)時(shí)的-5.21 mm。此現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是外荷載作用消失后，后背土體作為彈塑性材料，恢復(fù)了水平位移中的彈性變形部分。

上述現(xiàn)象可總結(jié)為： 伴隨著頂進(jìn)距離增大而增加的頂推力對(duì)后背土體的影響越來越顯著；后施工區(qū)間隧道的頂推力對(duì)與之相鄰的已完工區(qū)間隧道處后背土體影響逐漸減弱；后背土體一旦產(chǎn)生位移，在二次頂推力直接作用下會(huì)產(chǎn)生更為顯著的變化；隧道頂進(jìn)施工完成后，后背土體存在水平位移“回彈”現(xiàn)象。

同時(shí)，本次1#、2#、3#區(qū)間隧道施工過程中后背土體實(shí)測水平位移最大值為11.2 mm，規(guī)范監(jiān)測報(bào)警值為±15 mm，據(jù)此可判定后背土體在頂管施工過程中是安全的。

3.4 后背土體監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與分析

將1#、2#、3#區(qū)間隧道施工中土壓力、土體水平位移實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到后背土體壓力、土體水平位移隨頂推壓力的變化曲線，如圖12所示。

采用統(tǒng)計(jì)方法將頂推壓力與水平位移、頂推壓力與土壓力之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過擬合得到頂推壓力與土體水平位移、土壓力之間的擬合曲線如圖12所示。

得到頂推壓力與后背土體水平位移的擬合公式為：

S=-2×10-11p5+2×10-8p4-1×10-5p3+
0.003 1p2-0.342 4p+17.607。

(7)

頂推壓力與后背土體壓力的擬合公式為：

p土=-5×10-9p4+5×10-6p3-0.001 5p2+

0.201 2p-2.555 7。

(8)

式(7)—(8)中：p為隧道頂進(jìn)過程中的頂推壓力，kPa；S為隧道軸線中心處后背土體水平位移，mm；p土為后背土體土壓力，kPa。

圖12 1#、2#、3#區(qū)間隧道施工中后背土體水平位移與土壓力變化曲線

Fig. 12 Variation curves of horizontal displacement and soil pressure of soil behind working shaft during construction of tunnel #1, #2 and #3

將1#、2#、3#區(qū)間隧道現(xiàn)場頂進(jìn)施工中的實(shí)測頂推力，與本文前述根據(jù)頂推力計(jì)算公式所得的頂推力理論計(jì)算值隨隧道頂進(jìn)距離變化的情況進(jìn)行整理，得到變化曲線如圖13所示。

圖13 實(shí)測頂推力與理論計(jì)算頂推力隨頂進(jìn)距離變化曲線

Fig. 13 Changing curves of measured jacking force and theoretical calculation results with jacking distance

由圖13可知，理論計(jì)算值與實(shí)測值變化趨勢一致，均隨著頂進(jìn)距離增加而增大。理論計(jì)算值與2#、3#區(qū)間隧道施工實(shí)測頂推力較為接近。1#區(qū)間隧道實(shí)測頂推力與2#、3#區(qū)間隧道實(shí)測頂推力以及理論計(jì)算值均存在一定偏差，1#區(qū)間隧道頂推力較2#、3#區(qū)間隧道頂推力大9.3%，同時(shí)較理論計(jì)算值大15.91%。分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因?yàn)椋?1#區(qū)間隧道施工期間管節(jié)減摩措施并未充分發(fā)揮作用，隧道管節(jié)側(cè)摩阻力大導(dǎo)致頂推力較大，而在后續(xù)2#、3#區(qū)間隧道施工中通過改進(jìn)、調(diào)整減摩措施使得管節(jié)側(cè)摩阻力減小，施工頂推力相應(yīng)下降。頂推力理論計(jì)算值較2#、3#區(qū)間隧道實(shí)測數(shù)值僅偏差6.03%，可認(rèn)為本文所述理論計(jì)算公式是可靠的。同時(shí)應(yīng)當(dāng)注意理論計(jì)算公式中摩擦因數(shù)的選取是重點(diǎn)，對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大影響。本次計(jì)算中摩擦因數(shù)依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選取，與工程現(xiàn)場實(shí)際施工情況存在一定差異，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果存在偏差，建議在條件允許情況下通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定摩擦因數(shù)，以保證理論計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確。

由圖13可知： 該頂管工程中實(shí)測頂推力最大值發(fā)生在1#區(qū)間隧道施工后期，為22 366 kN，經(jīng)計(jì)算為后背土體承載力(頂推反力承載力)的83.3%，滿足頂管施工中相關(guān)安全性規(guī)范要求。因此，在不對(duì)后背土體采取加固措施的條件下，進(jìn)行本頂管工程施工是安全、可行的。

4 結(jié)論與討論

1)基于現(xiàn)有公式推導(dǎo)出矩形頂管頂推力理論計(jì)算公式，并將理論計(jì)算結(jié)果與1#、2#、3#區(qū)間隧道頂管施工中頂推力實(shí)測值進(jìn)行比較，對(duì)理論算式的正確性、可行性以及產(chǎn)生偏差的原因進(jìn)行分析，所得理論計(jì)算公式可為同類型頂管工程頂推力計(jì)算提供參考。

2)隨著與頂推力直接作用位置處距離增加，頂推力對(duì)后背土體的影響減弱；頂推力作用結(jié)束后，后背土體中存在殘余應(yīng)力且殘余應(yīng)力具有累積性。

3)后背土體在頂推力作用下土體水平位移呈上下小、中部大的弓形分布，最大水平位移發(fā)生在隧道中心線深度處；后施工區(qū)間隧道的頂推力對(duì)相鄰已完工區(qū)間隧道后背土體影響逐漸減弱；后背土體一旦產(chǎn)生位移，在二次頂推力直接作用下會(huì)產(chǎn)生更為顯著的變化；隧道頂進(jìn)施工完畢后，后背土體存在水平位移“回彈”現(xiàn)象。

4)通過對(duì)頂管施工中后背土體水平位移、土壓力與頂推壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、整理，得到頂推壓力與后背土體水平位移、土壓力的經(jīng)驗(yàn)公式，可為后續(xù)類似工程設(shè)計(jì)提供一定參考。

5)頂推力計(jì)算公式中的摩擦因數(shù)對(duì)理論計(jì)算結(jié)果有較大影響，不同地層、不同減摩措施條件下摩擦因數(shù)的選取變化范圍較大。因此，接下來建議針對(duì)摩擦因數(shù)進(jìn)行深入研究。