淺埋矩形頂管整體背土效應(yīng)的原因分析與處理措施

豆小天， 王賀昆， 曹偉明， 王晉波， 趙李勇， 冉敬鵬

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司， 河北 三河 065201)

0 引言

近年來，伴隨著我國地下工程的快速發(fā)展，淺埋矩形頂管工程越來越多。矩形頂管隧道主要應(yīng)用于地鐵出入口、市政過街通道、地下商業(yè)街人行通道和市政隧道等工程。由于頂管掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭、管節(jié)與周邊土體間存在摩擦作用，且摩擦接觸面積大，在頂管頂進(jìn)施工過程中頂管掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭、管節(jié)因過大的摩擦力帶動(dòng)其上方土體向前移動(dòng)，形成頂管背土現(xiàn)象。國內(nèi)學(xué)者對頂管背土進(jìn)行了大量研究，并取得了豐富的研究成果。余彬泉等[1]最早將頂管背土概念引入國內(nèi)；洪開榮[2]、彭立敏等[3]在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上對頂管背土進(jìn)行了深入研究；魏綱等[4-5]在小變形假定、Mindlin解的基礎(chǔ)上，分別對單個(gè)頂管頂進(jìn)的擠土效應(yīng)、多個(gè)頂管頂進(jìn)的附加荷載進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了相應(yīng)的量化分析；葉藝超等[6]、喻軍等[7]基于彈性力學(xué)半無限空間柱形圓孔擴(kuò)展理論和黏性流體力學(xué)平板模型理論，考慮減摩泥漿的觸變性，提出了新的頂管頂力計(jì)算方法；張鵬等[8]、王雙等[9]、熊翦[10]采用協(xié)調(diào)表面Persson接觸模型分析管土接觸角度和接觸壓力分布規(guī)律，考慮了管漿摩阻力影響，并提出了相應(yīng)的頂管頂力計(jì)算方法；綜上所述，國內(nèi)學(xué)者針對淺埋頂管背土理論的研究成果比較豐富，但在淺埋頂管背土破壞處理技術(shù)方面的研究較少。

余彬泉、洪開榮、高毅等學(xué)者在總結(jié)現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，提出了背土效應(yīng)的概念；在原有背土效應(yīng)研究的基礎(chǔ)上，高毅等[11]依托實(shí)際工程首次提出“整體背土”概念，并通過建立破壞模型對整體背土進(jìn)行了量化分析，認(rèn)為整體背土是淺埋矩形頂管在頂進(jìn)過程中，隨著頂程逐漸增大，正上方土體與管節(jié)接觸面積越來越大，同時(shí)受土層特性、頂管姿態(tài)、土艙壓力等因素的影響，工具管節(jié)周邊土體受到的作用力越來越大，超出了周邊土體的整體約束能力，導(dǎo)致正上方土體伴隨管節(jié)整體位移的突發(fā)破壞現(xiàn)象。

現(xiàn)有的整體背土破壞處理措施通常采用在管節(jié)四周注入觸變泥漿的方法，理想狀態(tài)下會(huì)在頂管管節(jié)四周形成一圈泥漿套，從而增大土體與管節(jié)之間的潤滑作用，以此來減小頂管機(jī)、頂管管節(jié)與周邊土體間的摩擦力。工程實(shí)踐表明，對于淺埋矩形頂管，采用該方法時(shí)觸變泥漿套雖然可以減小頂管與上部土體間的摩阻力，但泥漿套受現(xiàn)場頂管施工水平的影響較大，當(dāng)泥漿套作用發(fā)揮不佳時(shí)，仍有可能發(fā)生整體背土現(xiàn)象。本文依托鄭州某地下停車場項(xiàng)目，以工程現(xiàn)場出現(xiàn)的整體背土現(xiàn)象為研究對象，對淺埋矩形頂管整體背土效應(yīng)進(jìn)行研究。

1 整體背土理論

1.1 整體背土的概念

文獻(xiàn)[1-3]將整體背土效應(yīng)歸納為： 矩形頂管機(jī)在頂進(jìn)過程中，上部卸載拱高度以內(nèi)的土體受周圍土體約束較弱，直接塌附于頂管機(jī)上部，隨著頂進(jìn)距離的增加，塌附范圍越來越大，塌附土體越來越多，造成頂管頂進(jìn)困難，同時(shí)引起影響范圍內(nèi)地表土體隆沉的現(xiàn)象。

原有的背土效應(yīng)概念基本闡明了淺埋矩形頂管對正上方土體影響的現(xiàn)象和原因。但依托試驗(yàn)工程正上方土體的整體破壞現(xiàn)象，認(rèn)為淺埋矩形頂管在頂進(jìn)過程中，隨著頂程逐漸增大，正上方土體與管節(jié)接觸面積越來越大，在摩擦因數(shù)一定的情況下，正上方土體與管節(jié)的總摩阻力越來越大，超出了周邊土體的整體約束能力，導(dǎo)致正上方土體伴隨管節(jié)整體位移的突發(fā)破壞現(xiàn)象，稱為整體背土破壞。

1.2 整體背土模型

高毅等[11]通過建立簡化模型，引入4個(gè)假定，總結(jié)得出了整體背土現(xiàn)象的發(fā)生規(guī)律，認(rèn)為受到工具管節(jié)一般較后續(xù)管節(jié)大、頂管姿態(tài)調(diào)整、局部摩阻力不均等不利因素的誘導(dǎo)，頂管背土不可避免[11-12]。圖1示出整體背土的力學(xué)模型，由圖1可知： 管節(jié)上部小體積背土在頂進(jìn)方向上受到底部摩阻力的作用，同時(shí)受到兩側(cè)土體的剪切約束作用。

1.3 力學(xué)分析

當(dāng)管節(jié)頂部土體所受抗力難以抵擋其與管節(jié)的摩阻力時(shí)，將會(huì)發(fā)生整體背土現(xiàn)象?？紤]到土體直接剪切破壞較被動(dòng)剪切破壞所需的位移小，因此發(fā)生整體背土效應(yīng)需要滿足底部摩擦力大于雙側(cè)剪切約束力的前提條件，當(dāng)其差值大于前端土體抗力時(shí)即發(fā)生整體背土破壞，如式(1)所示。

(1)

式中：Ff為頂管前端正上方土體受到的總管節(jié)摩阻力；Fu為頂管前端正上方土體單側(cè)剪切極限約束力；Fs為頂管前端正上方土體單側(cè)剪切滑移約束力；R為前端土體極限抗力。

根據(jù)前文對模型的受力計(jì)算分析，結(jié)合整體背土效應(yīng)的形成過程，參考文獻(xiàn)[11]的研究成果并化簡后可得發(fā)生整體背土效應(yīng)的前提條件：

γ′dbμ+Cb-2(c′+0.5Kγ′dtanφ′),d≥0。

(2)

式中：γ′為上覆土體的有效重度；d為上部覆土厚度；b為管土接觸寬度；μ為管土摩擦因數(shù)；C為管土黏聚力；c′、φ′為有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)；K為黏性土側(cè)壓力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值。

由式(2)可知，發(fā)生整體背土效應(yīng)的前提條件與頂進(jìn)長度無關(guān)。

整體背土效應(yīng)的破壞條件：

(3)

綜上所述，式(2)—(3)為淺埋矩形頂管整體背土效應(yīng)的預(yù)判理論公式。

1.4 措施與建議

根據(jù)式(1)—(3)不難發(fā)現(xiàn)，頂管整體背土主要與頂管機(jī)的頂程、頂管埋深、管節(jié)寬度、管土摩擦因數(shù)等參數(shù)有關(guān)。因此，避免或減弱整體背土效應(yīng)的主要措施與建議如下：

1)勘察階段應(yīng)盡可能掌握工程地質(zhì)情況，確定更為準(zhǔn)確的管土摩擦因數(shù)；

2)設(shè)計(jì)階段應(yīng)根據(jù)預(yù)判理論進(jìn)行核算，確定是否存在發(fā)生整體背土的可能；

3)施工階段應(yīng)保證減摩措施的施工質(zhì)量，同時(shí)增加如管節(jié)涂蠟、采取性能優(yōu)質(zhì)減摩泥漿等措施減小整體背土效應(yīng)的影響；

4)設(shè)計(jì)制造頂管設(shè)備時(shí)，應(yīng)增加防背土裝置，如增設(shè)帽檐、優(yōu)化注漿管路等，以增強(qiáng)其防背土能力。

2 工程背景

2.1 工程概況

本工程位于鄭州市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)第六大街與南三環(huán)交叉口西北，擬采用頂管法施工。該地下停車場為地下單層6跨結(jié)構(gòu)，建筑面積約為3 288 m2，設(shè)計(jì)停車位約93個(gè)，每個(gè)建筑面積約為35.35 m2。東端為頂管始發(fā)井，尺寸為36.55 m×13.47 m(坑底，長×寬)，工作井深9.10 m；西端為頂管接收井，尺寸為36.55 m×9.47 m(坑底，長×寬)，工作井深9.1 m。頂管頂進(jìn)設(shè)計(jì)長度為61.58 m，采用1臺(tái)5.00 m×5.70 m組合式頂管機(jī)頂推中間5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)斷面隧道，兩側(cè)隧道斷面尺寸為5.00 m×2.85 m，頂管機(jī)覆土僅為3 m，從東往西頂進(jìn)。依托工程施工工序示意圖如圖2所示。

(a) 平面圖

(b) 斷面圖

該項(xiàng)目場地開闊，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。場區(qū)管線埋置較少，調(diào)查期間未發(fā)現(xiàn)敷設(shè)燃?xì)?、熱力管線及軍用光纜，僅埋設(shè)少量給、排水管，消防管道及電力線路等，且埋深較淺，對頂管段施工無影響。

2.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

本場地勘探深度范圍內(nèi)揭露的第四系(Q)沉積地層自上而下分別為： 雜填土、粉砂、粉土及粉質(zhì)黏土。地下停車場明挖基坑段及頂管施工段隧道底板最大埋深9.1 m，且全部位于粉土層，稍濕，稍密—中密，分布連續(xù)。主要巖土參數(shù)見表1。

表1 主要巖土參數(shù)

場地范圍內(nèi)地下水類型為第四系潛水，地下水主要由大氣降水補(bǔ)給，場地地下水位埋深約18 m，考慮地下水位年變幅為2 m。

2.3 組合式頂管機(jī)

頂管機(jī)根據(jù)本工程工況設(shè)計(jì)為矩形，由2臺(tái)外形尺寸相同的設(shè)備并列組合而成，單臺(tái)設(shè)備的外形尺寸為5.4 m×2.87 m×5.0 m(長×寬×高)，并列組合后設(shè)備的外形尺寸為5.4 m×5.74 m×5.0 m(長×寬×高)，如圖3所示。頂管機(jī)主要組成部件為： 刀盤、前盾、尾盾、螺旋輸送機(jī)、主頂油缸總成、始發(fā)基座、接收基座、環(huán)形頂鐵、后靠墻等。

由于工程設(shè)計(jì)階段并未考慮到整體背土破壞的可能性，因此該頂管機(jī)除了安裝正常的減摩注漿系統(tǒng)外并未進(jìn)行專門防背土設(shè)計(jì)。

圖3 組合式頂管機(jī)

3 整體背土現(xiàn)象

3.1 現(xiàn)場概述

本工程頂管機(jī)掘進(jìn)至第2條隧道32環(huán)(共44環(huán)，每環(huán)寬度為1.5 m)時(shí)，發(fā)現(xiàn)距離始發(fā)洞口較近地表出現(xiàn)塌陷，頂推力急劇增大，頂管機(jī)立即停止掘進(jìn)。將地表回填夯實(shí)，繼續(xù)頂管施工時(shí)，原塌陷部位再次發(fā)生沉降，且頂管機(jī)前方位置出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，頂管正上方土體發(fā)生整體背土現(xiàn)象，如圖4所示。

(a) 始發(fā)洞口附近

(b) 頂管頂進(jìn)方向

3.2 原因分析

3.2.1 相鄰隧道施工的影響

施工工序斷面示意圖如圖2(b)所示，首先施工中間第1條隧道，完成后再進(jìn)行相鄰左側(cè)第2條隧道施工。根據(jù)以往施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，頂管施工中均或多或少地存在整體背土效應(yīng)，尤其是淺埋矩形頂管施工。第2條隧道掘進(jìn)時(shí)，隧道上部土體已受到第1條隧道施工擾動(dòng)影響，導(dǎo)致第2條隧道掘進(jìn)時(shí)喪失右側(cè)剪切約束力，左側(cè)剪切約束力與前端土體抗力下降，在第2條隧道管節(jié)上部土體承受的底部約束力不變的情況下，更易產(chǎn)生整體背土現(xiàn)象。

現(xiàn)場地表監(jiān)測點(diǎn)布置如圖5所示。監(jiān)測斷面間距約5.00 m，監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)于每條隧道中心線正上方。隧道地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2，監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線見圖6。

由表2和圖6可知：

1)相同斷面位置，第2條隧道的沉降值明顯小于第1條隧道。

2)第1條隧道從D1-8位置開始出現(xiàn)隆起；第2條隧道從D2-6位置開始出現(xiàn)隆起，隆起出現(xiàn)位置更為靠前，隆起發(fā)展更快。

3)采取措施后，整體背土效應(yīng)明顯減弱。

圖5 地表監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

第1條隧道監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降值/mm第2條隧道監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降值/mmD1-1-5.01D2-1-0.01D1-2-5.22D2-2-1.27D1-3-5.63D2-3-2.14D1-4-6.08D2-4-1.76D1-5-5.36D2-5-0.84D1-6-3.76D2-60.51D1-7-1.22D2-74.32D1-80.32D2-810.53D1-90.86D2-915.36D1-101.16D2-1014.68D1-111.33D2-1112.41

注： 表中均為隧道掘進(jìn)時(shí)的地表監(jiān)測數(shù)據(jù)；“+”表示隆起，“-”表示沉降。

圖6 隧道地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線圖

3.2.2 姿態(tài)調(diào)整的影響

第2條隧道始發(fā)時(shí)，基座標(biāo)高呈水平姿態(tài)，當(dāng)?shù)侗P及前盾進(jìn)入土體時(shí)，由于前盾質(zhì)量比尾盾大(約3倍)，頂管機(jī)出現(xiàn)栽頭現(xiàn)象。隨后在進(jìn)行頂管機(jī)姿態(tài)調(diào)整時(shí)關(guān)閉上部油缸，依靠下部油缸調(diào)節(jié)姿態(tài)，且調(diào)節(jié)緩慢。

上述姿態(tài)調(diào)整方式可能會(huì)引起淺埋矩形頂管管節(jié)頂部土體擾動(dòng)加劇。相鄰管節(jié)錯(cuò)臺(tái)使管節(jié)頂部呈鋸齒狀，將會(huì)刮剪管節(jié)頂部土體，增加四周土體的摩阻力，如圖7所示。隨后施工中，通過將第1環(huán)管節(jié)與頂管機(jī)盾尾相連接，增大盾尾質(zhì)量，栽頭現(xiàn)象減弱。

圖7 姿態(tài)調(diào)整影響示意圖

3.2.3 頂管機(jī)停機(jī)

頂管機(jī)掘進(jìn)第2條隧道時(shí)，受外界環(huán)境影響，頂管機(jī)出現(xiàn)了短時(shí)間停機(jī)。頂管機(jī)停機(jī)期間由于沒有及時(shí)補(bǔ)充漿液、泥漿滲漏、失水等原因，導(dǎo)致管節(jié)與頂部土體間隙逐漸減小，減摩泥漿作用減弱，致使頂管上部土體與管節(jié)之間的摩阻力逐漸增大。待頂管機(jī)重新開始掘進(jìn)時(shí)，管節(jié)與其正上方土體的摩擦因數(shù)增大，背土效應(yīng)加劇。隨著頂管機(jī)逐漸頂進(jìn)，管節(jié)正上方土體逐漸擺脫四周土體的約束，形成整體背土現(xiàn)象。

3.2.4 減摩泥漿滲漏

本工程采用新型鋼筋混凝土-鋼結(jié)構(gòu)組合管節(jié)作為永久結(jié)構(gòu)的頂板；底板為鋼筋混凝土構(gòu)件，作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)的部分為鋼結(jié)構(gòu)，各構(gòu)件間采用高強(qiáng)螺栓連接，如圖8所示。由于管節(jié)側(cè)面鋼結(jié)構(gòu)未設(shè)置全封防水條，當(dāng)減摩泥漿通過預(yù)埋注漿孔注入管節(jié)與土體的間隙時(shí)，泥漿極易從管節(jié)側(cè)面鋼結(jié)構(gòu)拼縫處流失，無法形成完整的泥漿套，底部摩阻力無法得到有效控制，這也是整體背土效應(yīng)發(fā)生的重要原因之一，如圖9所示。

圖8 組合管節(jié)示意圖(單位： mm)

圖9 減摩泥漿滲漏

4 整體背土處理措施

4.1 注漿管路排查

為排查減摩泥漿注入情況，首先將注漿管路所有開關(guān)關(guān)閉，然后依次從頂管機(jī)前盾至最后管節(jié)進(jìn)行排查。具體施工組織情況如下。

1)人員安排： ①掘進(jìn)操作人員負(fù)責(zé)頂管機(jī)注漿操控； ②值班人員負(fù)責(zé)監(jiān)督閘閥開關(guān)及泥漿泄露情況； ③泥漿拌制人員1名； ④洞內(nèi)具體施工人員3名； ⑤測量人員對地面頂管行徑路線每隔5 m測取注漿壓力初始值。

2)注漿施工： 首先綜合考慮預(yù)配置泥漿性能、土體特性、注漿間隙、填充率等因素以及工程實(shí)際情況，確定減摩泥漿的配合比與每次拌制量，該工程每次拌制6 m3左右。以第2條隧道施工為例，洞內(nèi)施工人員依次對頂管機(jī)首節(jié)至末節(jié)每個(gè)閘閥進(jìn)行開、關(guān)排查，施工過程中由值班員監(jiān)控閘閥開關(guān)及漏漿情況并及時(shí)匯報(bào)，由掘進(jìn)操作人員記錄每個(gè)閘閥的注漿參數(shù)(包括注漿壓力、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間及閘閥漏漿情況)。

3)待上述注漿施工完畢，將漏漿附近閘閥保持關(guān)閉狀態(tài)，開啟剩余閘閥開始進(jìn)行減摩注漿。待注入10 min后開始掘進(jìn)(掘進(jìn)過程中保持注漿，可采用注入5 min、停止3 min的方式)，掘進(jìn)速度控制在5 mm/min，測量組每掘進(jìn)30 cm對注漿參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并將測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)匯總分析。

4)注入減摩泥漿時(shí)，洞內(nèi)安排2名施工人員巡視鋼側(cè)壁漏漿情況，發(fā)現(xiàn)滲漏應(yīng)及時(shí)采用防水膠封堵鋼側(cè)壁拼縫。

5)頂管機(jī)停機(jī)過程中每隔30 min持續(xù)注入3～5 min減摩泥漿。

4.2 刀盤前方背土位置堆載

將頂管機(jī)刀盤前4 m、頂管機(jī)兩側(cè)范圍及盾尾前3環(huán)管節(jié)位置進(jìn)行標(biāo)識(shí)，在標(biāo)識(shí)位置使用18個(gè)油桶(200 L/個(gè)，約3.6 t)注水加載方式增加地表負(fù)重，如圖10所示。

圖10 背土位置堆載示意圖

整體背土位置堆載可通過增加管節(jié)正上方土體的前端土體抗力，避免整體背土破壞的發(fā)生。

4.3 背土位置鉆孔注水

在頂管機(jī)正上方土體范圍內(nèi)布置梅花形鉆孔，間距1 000 mm×1 000 mm。使用洛陽鏟(φ40 mm)配合風(fēng)鉆進(jìn)行鉆孔，鉆孔深度為地面至頂管機(jī)頂部，約3 200 mm(實(shí)際深度根據(jù)原地面隆起高差確定)。

截取導(dǎo)管(φ32 mm)41根，長度為3 500～4 000 mm(因?qū)Ч苄韪叱龅孛?00 mm以方便灌水，實(shí)際長度根據(jù)現(xiàn)場高差確定)，植入鉆孔位置，保證管路緊貼頂管機(jī)頂部；將水灌入導(dǎo)管內(nèi)，按每個(gè)孔注入量約5 L(每0.5 h)考慮，如圖11所示。

通過在背土位置鉆孔注水，濕潤軟化頂管機(jī)正上方土體，減小管土摩阻力。

圖11 頂管機(jī)上部鉆孔注水示意圖

Fig. 11 Sketch of drilling water injection upon pipe jacking machine

4.4 施作隔斷墻

在第2條隧道頂管機(jī)后上方2個(gè)隆起部位施作隔斷墻，如圖12—13所示。分別在鼓包前方(掘進(jìn)方向)開挖長8 000 mm、寬1 000 mm、深2 500 mm的溝槽，按構(gòu)造配筋，澆筑C30早強(qiáng)混凝土，并在隔斷墻位置布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到85%后再進(jìn)行掘進(jìn)。頂管機(jī)掘進(jìn)期間，應(yīng)隨時(shí)觀測隔斷墻及背土變化。

圖12 隔斷墻橫斷面示意圖

圖13 隔斷墻縱斷面示意圖(單位： mm)

5 結(jié)論與建議

本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合整體背土理論，依托某地下停車場項(xiàng)目，從整體背土破壞現(xiàn)象、發(fā)生原因、處理措施等多個(gè)角度對整體背土效應(yīng)進(jìn)行研究，最終得出如下結(jié)論。

1)淺埋矩形頂管發(fā)生整體背土現(xiàn)象主要是由于管節(jié)正上方土體受到的底部管土摩阻力大于管節(jié)四周的約束力引起的。

2)淺埋矩形頂管在頂進(jìn)過程中，隨著頂程逐漸增大，正上方土體與管節(jié)接觸面積越來越大，在摩擦因數(shù)一定的情況下，正上方土體與管節(jié)的總摩阻力越來越大，超出了周邊土體的整體約束能力，導(dǎo)致正上方土體伴隨管節(jié)整體位移的突發(fā)破壞現(xiàn)象，稱為整體背土破壞。

3)整體背土現(xiàn)象一旦發(fā)生，處理難度較大。本項(xiàng)目通過采取注漿孔排查、刀盤前方背土位置堆載、背土位置鉆孔注水、施作隔斷墻等措施處理整體背土現(xiàn)象，取得了良好的效果。

4)淺埋矩形頂管工程應(yīng)采取必要的措施避免整體背土現(xiàn)象的發(fā)生；在無法改變管節(jié)四周土體抗力的前提下，通過減小管土摩擦因數(shù)可有效避免整體背土現(xiàn)象的發(fā)生。

本文主要依托實(shí)際工程提出了淺埋矩形頂管整體背土效應(yīng)原因與處理措施，尚需根據(jù)更多的工程實(shí)踐進(jìn)行驗(yàn)證完善。下一步將引入巖土本構(gòu)模型，主要針對整體背土效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制展開更為深入的研究。