矩形頂管上穿地鐵隧道施工對地表變形影響研究

薛 青 松

(中鐵二十局集團(tuán)第一工程有限公司，江蘇 蘇州 215151)

0 引言

非開挖頂管法可以在不開挖或極少開挖地面的情況下穿越道路、地上建筑及地下基礎(chǔ)設(shè)施[1]。矩形頂管相對于圓形頂管具有截面利用率高，對開挖面影響較小的特點(diǎn)，兩者主要區(qū)別在于切削土體方式及頂管機(jī)頭外形[2]。

當(dāng)土體受到頂推力和注漿壓力引起水平應(yīng)力的增加量小于因開挖引起的水平應(yīng)力減小量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致掌子面土體坍塌，引起地面沉降[2,3]。目前國內(nèi)計(jì)算地面沉降的方法包括：經(jīng)驗(yàn)公式法、隨機(jī)介質(zhì)理論、分層總和法及彈性力學(xué)解析法等。其中魏綱等[3]認(rèn)為土體受擾動(dòng)主要是由于施工過程中產(chǎn)生的附加應(yīng)力引起的。李明宇等[4]發(fā)現(xiàn)地面沉降槽呈駝峰型且峰值在頂管軸線處；許有俊等[5]發(fā)現(xiàn)地面沉降最終預(yù)測只需考慮土體損失、注漿填充和失水固結(jié)；張鵬等[6]發(fā)現(xiàn)曲線頂管施工引起的地面沉降槽曲線為非對稱曲線。

頂管施工過程中注漿循環(huán)、機(jī)頭頂進(jìn)及刀盤切削會(huì)對周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，導(dǎo)致地表沉降，從而影響施工安全，因此對矩形頂管上穿既有地鐵隧道的近接穿越工程沉降監(jiān)測十分關(guān)鍵。本文依托人民路南線綜合管廊頂管工程，通過現(xiàn)場沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，探究施工對頂管上方地表沉降影響及沉降規(guī)律。

1 工程案例分析

1.1 工程概況

人民路南線綜合管廊頂管工程位于蘇州姑蘇區(qū)城北東路上，施工采用土壓平衡式非開挖矩形頂管工法。下穿人民路頂管通道為雙箱四艙型，頂進(jìn)長度均為73.6 m。通道斷面外徑尺寸為6.9 m×4.2 m，平均覆土深度4.1 m。頂管通道在人民路路口上跨軌道交通2號線，頂管底部與軌道交通2號線盾構(gòu)區(qū)間豎向距離2.767 m，水平距離23 m～27 m。頂進(jìn)過程中軌道交通2號線處于正常運(yùn)營階段。

如圖1所示，頂管施工區(qū)域工程地質(zhì)條件自上而下依次為①雜填土、②粉質(zhì)黏土、③粉質(zhì)黏土夾粉層、④粉土夾粉砂、⑤粉砂、⑥粉質(zhì)黏土。其中②粉質(zhì)黏土和③粉質(zhì)黏土夾粉層為頂管隧道所在土層。

1.2 監(jiān)測內(nèi)容及方案

如圖2所示，在垂直頂管軸線地面上方布設(shè)地表沉降監(jiān)測斷面13組，其間距為5 m，每組監(jiān)測斷面布設(shè)5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，間距約為3 m～6 m。在垂直軌道2號線地面上方頂管范圍外側(cè)布設(shè)地表沉降監(jiān)測斷面4組，間距為15 m,每組監(jiān)測斷面布設(shè)5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，間距約為5 m,共計(jì)85個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，編號為DB1-1～DB17-5。

人民路南線頂管自8月16日開始頂進(jìn)，以頂管機(jī)進(jìn)入不同區(qū)域?qū)壍澜煌?號線的影響劃分為5個(gè)重要階段，見表1。對17個(gè)監(jiān)測斷面分別按照垂直頂管隧道軸線方向、垂直軌道交通2號線軸線方向進(jìn)行分組，即DB1～DB13，DB14～DB17。

表1 頂進(jìn)階段表

DB1～DB13斷面中選擇頂管軸線正上方監(jiān)測點(diǎn)，即3號監(jiān)測點(diǎn)；DB14～DB17斷面中選擇軌道上、下行線軸線正上方監(jiān)測點(diǎn)，即4號，2號監(jiān)測點(diǎn)。

1.3 現(xiàn)場監(jiān)測與結(jié)果分析

1.3.1DB1～DB13監(jiān)測斷面分析

由圖3可知，隨著頂管機(jī)的頂進(jìn)距離的增加，DB1～DB13斷面中3號監(jiān)測點(diǎn)沉降量均在不斷增加，且不同階段下各監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)位移的增幅不一致；各階段最大沉降量出現(xiàn)在DB13-3監(jiān)測點(diǎn)，且DB13-3監(jiān)測點(diǎn)在階段五有沉降最大值，最大值為-3.98 mm。

通過對同一監(jiān)測點(diǎn)不同階段監(jiān)測數(shù)據(jù)對比：頂管機(jī)始發(fā)至進(jìn)入上行線影響區(qū)，對DB12-3，DB13-3監(jiān)測點(diǎn)沉降量影響相對較大，沉降量分別為-1.61 mm，-1.90 mm；頂管機(jī)進(jìn)入上行線影響區(qū)至上行線正上方，DB9-3，DB10-3監(jiān)測點(diǎn)沉降量增幅較大，相對階段一沉降量的增量分別為0.75 mm，0.89 mm；頂管機(jī)進(jìn)入上行線正上方至下行線正上方，DB7-3，DB8-3監(jiān)測點(diǎn)沉降量增幅較大，相對階段二沉降量的增量分別為0.91 mm，0.81 mm；頂管機(jī)進(jìn)入下行線正下方至駛出下行線影響區(qū)、再到頂管完全貫通，對應(yīng)階段下DB1-3，DB2-3監(jiān)測點(diǎn)沉降量增幅較大。

由監(jiān)測斷面圖所示，上行線影響區(qū)、上行線正上方、下行線正上方、下行線影響區(qū)所在位置分別對應(yīng)DB11,DB8,DB6,DB4監(jiān)測斷面。結(jié)合同一監(jiān)測點(diǎn)不同階段監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，可得結(jié)論：在頂進(jìn)過程中，頂管機(jī)已通過斷面沉降量>已到達(dá)斷面沉降量>未到達(dá)斷面沉降量，且在已通過斷面中，位于已到達(dá)斷面之后的兩個(gè)斷面沉降增幅較大。主要原因在于頂管機(jī)頭與后續(xù)管節(jié)存在外徑差，導(dǎo)致在機(jī)頭已通過斷面上管節(jié)外徑與土體之間存在空隙，周圍土體有向空隙移動(dòng)的趨勢，故沉降量較大。

取沉降量對軌道交通影響較大的三個(gè)監(jiān)測斷面，即DB6～DB8監(jiān)測斷面。由圖4～圖6所示，DB5～DB8監(jiān)測斷面沉降量最大值出現(xiàn)在對應(yīng)監(jiān)測斷面3號監(jiān)測點(diǎn)，最大值分別為-3.65 mm,-3.21 mm,-3.25 mm。地鐵隧道上三監(jiān)測斷面顯示，上行線正上方至下行線正上方階段中沉降量增幅最大。

監(jiān)測斷面沉降變形曲線大致符合以下規(guī)律：在沉降變形曲線出現(xiàn)較大增幅后，各階段沉降變形曲線關(guān)于頂管軸線近似對稱，即同一斷面下其余監(jiān)測點(diǎn)沉降量關(guān)于3號監(jiān)測點(diǎn)沉降量近似對稱分布；各監(jiān)測點(diǎn)沉降量隨著離頂管軸線距離越遠(yuǎn)沉降量越??；不同階段下沉降變形曲線增幅趨于平緩，在之后階段增加量大致相等。

1.3.2DB14～DB17監(jiān)測斷面分析

如圖7，圖8所示，隨著頂管機(jī)不斷頂進(jìn)，各監(jiān)測點(diǎn)沉降變形不斷增加。下行線軸線沉降變形最大值出現(xiàn)在頂管貫通后DB16-2監(jiān)測點(diǎn)，最大值為-3.20 mm；在同一階段下DB16-2監(jiān)測點(diǎn)沉降變形較大，DB17-2監(jiān)測點(diǎn)沉降變形較小，且沉降變形相差不大；DB14-2，DB17-2監(jiān)測點(diǎn)沉降變形在階段三至階段四中增幅較大，DB15-2，DB16-2監(jiān)測點(diǎn)沉降變形在階段二至階段三增幅較大。

而上行線軸線沉降變形最大值出現(xiàn)在頂管貫通后DB16-4監(jiān)測點(diǎn)，最大值為-3.64 mm；同一階段中，DB16-4監(jiān)測點(diǎn)沉降變形較大，DB17-4監(jiān)測點(diǎn)沉降變形較??；DB14-4～DB17-4監(jiān)測點(diǎn)沉降變形階段二至階段三中增幅較大。

2 地表變形控制措施

頂管施工時(shí)，頂進(jìn)姿態(tài)、頂進(jìn)推力、頂進(jìn)速度和注漿工藝等會(huì)對地表變形產(chǎn)生影響。矩形頂管上穿地鐵隧道施工由于其特殊性，可以采取以下措施以控制影響地表變形：

1)矩形頂管管節(jié)內(nèi)部施加荷載：在隧道上方管節(jié)內(nèi)部堆放黃砂、型鋼、混凝土塊等重物，來平衡下部隧道豎直方向受力。隨著頂管機(jī)頂進(jìn)前行，管節(jié)也會(huì)向前移動(dòng)，帶動(dòng)管節(jié)內(nèi)重物前移。本項(xiàng)目采用在管節(jié)內(nèi)施加荷載的方法，在管節(jié)內(nèi)兩側(cè)布設(shè)滑軌，放置多個(gè)被鋼絲繩牽引的重量為1 t的混凝土塊進(jìn)行配重，如圖9所示。

2)隧道上方地面堆加荷載：該方法有點(diǎn)類似頂管過河段施作抗浮板，不同的是地面堆放重物更容易實(shí)施，常見的重物有矩形頂管管節(jié)、混凝土塊以及型鋼等。

3)向管節(jié)與地層之間空隙注入觸變泥漿：既可以減小管節(jié)與地層間的摩阻力，從而減小頂進(jìn)力，又可以支撐周圍土體，從而減輕地面沉降程度[7]。特別是矩形頂管施工中容易產(chǎn)生“背土”現(xiàn)象[8]，加入泥漿性能參數(shù)良好的觸變泥漿，在管節(jié)與土體之間形成相對密實(shí)的泥漿套，可大幅減少土體坍落到管節(jié)上。

3 結(jié)論

本文結(jié)合蘇州人民路南線綜合管廊頂管工程，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)按照對同一監(jiān)測斷面不同監(jiān)測點(diǎn)及同一監(jiān)測點(diǎn)不同斷面的原則進(jìn)行沉降變形數(shù)據(jù)對比，得到以下結(jié)論：

1)在頂進(jìn)過程中，頂管機(jī)已通過斷面沉降量>已到達(dá)斷面沉降量>未到達(dá)斷面沉降量，且在已通過斷面中，位于已到達(dá)斷面之后的兩個(gè)斷面沉降增幅較大。

2)沉降變形曲線關(guān)于頂管軸線近似對稱，即同一斷面下監(jiān)測點(diǎn)沉降量關(guān)于3號監(jiān)測點(diǎn)沉降量近似對稱分布且隨著離頂管軸線距離越遠(yuǎn)沉降量越小。

3)通過隧道上方地面堆加荷載及矩形頂管管節(jié)內(nèi)部施加荷載方法來控制地表沉降，采取該堆載措施后沉降值控制在允許范圍內(nèi)，成功地保證了周邊管線、地鐵及建筑物的安全。