多排平行頂管施工對(duì)地表沉降影響的模型試驗(yàn)分析

胡 聰，曹廣勇，鄧文杰，余世祥，楊俊峰，楊祖兵

(1. 安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，合肥 230601；2. 安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230601；3. 中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司，合肥 230601)

近年來，城市化步伐的加快以及對(duì)地下空間開發(fā)規(guī)模的擴(kuò)大，近距離多排頂管工程越來越多。相對(duì)于單排頂管，多排平行頂管由于相鄰頂管管道距離較近，相互影響大，若沉降控制不當(dāng)，特別在復(fù)雜的城市環(huán)境中會(huì)對(duì)周圍建筑物造成較大危害。因此，分析多排近距離水平平行頂管施工所引起的地面沉降量及擾動(dòng)影響對(duì)頂管工程施工有著重要意義。

目前，諸多學(xué)者采用數(shù)值模擬、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法，對(duì)單排頂管施工的沉降分析及擾動(dòng)影響范圍等進(jìn)行詳實(shí)的研究[1-7]。魏新江[8]結(jié)合工程實(shí)例，分析單根頂管施工及水平平行頂管施工的地面沉降計(jì)算方法，提出一種新的后頂管地面沉降計(jì)算方法。李樹峰[9]通過離心模型試驗(yàn)分析三管并行盾構(gòu)隧道近接施工時(shí)的圍巖壓力，稱其內(nèi)力和地表為一的分布規(guī)律。李博[10]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析在不同注漿條件下，頂管頂進(jìn)時(shí)頂力的變化、土體表面變形、地層劈裂和新頂進(jìn)頂管對(duì)既有平行頂管管道產(chǎn)生的影響?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及有限元模擬結(jié)果指出[11-15]，當(dāng)兩頂管軸線距離較近時(shí)，后頂管施工所引起的地面沉降曲線是不均勻的。

文中在傳統(tǒng)頂管機(jī)的基礎(chǔ)上將刀盤削切裝置以及螺旋出土裝置引入本試驗(yàn)系統(tǒng)，探究在注漿及出土條件下三排水平平行頂管隧道施工所引起的地表沉降規(guī)律，并就擾動(dòng)機(jī)理方面分析曲線幅值狀況，得出相關(guān)意見與結(jié)論，為后續(xù)同類型工程施工提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過對(duì)三排管節(jié)不同順序的頂進(jìn)，模擬現(xiàn)實(shí)情況下的短間距多排頂管施工對(duì)相鄰頂管的影響，可以獲得不同間距下的頂管對(duì)既有頂管的影響，以及對(duì)地層沉降的影響。

本試驗(yàn)的設(shè)備主要有砂土頂管試驗(yàn)箱、液壓頂進(jìn)系統(tǒng)、壓力注漿系統(tǒng)、螺旋出土裝置、刀盤削切系統(tǒng)和激光監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1.1 頂管試驗(yàn)箱系統(tǒng)

試驗(yàn)箱如圖1所示，試驗(yàn)箱尺寸為1.5 m×0.8 m×0.8 m。試驗(yàn)箱尺寸根據(jù)Peck公式對(duì)砂土地表沉降槽形狀的預(yù)測(cè)范圍制定，目的是使砂土地表沉降在激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)范圍內(nèi)。試驗(yàn)箱兩面為透明玻璃，便于觀察砂土平面高度。

圖1 頂管試驗(yàn)箱

1.2 壓力注漿系統(tǒng)

壓力注漿系統(tǒng)如圖2所示，該系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、調(diào)壓閥和壓力容器三部分組成。在頂管前部注漿孔頂入土體后，開啟空氣壓縮機(jī)給壓力容器加壓，通過控制調(diào)壓閥以及排氣裝置使得壓力容器內(nèi)氣壓恒定在43.7 kPa，使膨潤土泥漿以恒定均勻的速度壓入頂管內(nèi)部注漿管道。

圖2 壓力注漿系統(tǒng)

1.3 螺旋出土裝置

螺旋出土裝置由電動(dòng)機(jī)以及一個(gè)長條螺旋狀的齒條組成。該構(gòu)件位于頂管內(nèi)部空間的下方，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)攜帶出頂管前部刀盤所切削的土體,該系統(tǒng)如圖3所示。

1.4 刀盤削切系統(tǒng)

刀盤的實(shí)物如圖4所示。刀盤由后方電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可根據(jù)不同地層發(fā)射不同指令調(diào)整不同轉(zhuǎn)速，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)所削切下來的土可由螺旋出土系統(tǒng)排出。

圖4 刀盤實(shí)物

模型實(shí)驗(yàn)共頂進(jìn)3根試驗(yàn)頂管，頂進(jìn)順序?yàn)?號(hào)管節(jié)、3號(hào)管節(jié)，最后是2號(hào)管節(jié)，相鄰兩根頂管間距為100 mm。

試驗(yàn)箱填鋪：將砂在10 cm高度均勻填入箱內(nèi)，每填筑10 cm，平整1次砂平面，直至設(shè)計(jì)高度。激光位移計(jì)采用對(duì)稱布置，共計(jì)14個(gè)。2號(hào)頂管軸線方向每間隔11 cm設(shè)置1個(gè)激光位移計(jì)，共計(jì)6個(gè)。橫向方向每隔15 cm設(shè)置1個(gè)激光位移計(jì)，共計(jì)8個(gè)。試驗(yàn)箱平面監(jiān)測(cè)長度為160 cm，如圖5所示。

圖5 激光監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 縱向地表沉降分析

圖6(a)為頂進(jìn)1號(hào)頂管時(shí)所測(cè)得的地表軸線測(cè)點(diǎn)沉降曲線，可以看出：在頂管頂進(jìn)初期，各測(cè)點(diǎn)處有不同程度的隆起，而在切口切入距測(cè)點(diǎn)約100 mm時(shí)地表位移由隆起轉(zhuǎn)下沉。切口到達(dá)時(shí)，沉降量已達(dá)0.1 mm；切口通過時(shí)，測(cè)點(diǎn)急劇沉降。在切口通過后，沉降速率明顯趨于緩和，且沉降出現(xiàn)一定程度回彈; 當(dāng)切口距測(cè)點(diǎn)150 mm時(shí)，沉降基本穩(wěn)定，最大沉降量發(fā)生在頂進(jìn)至700 mm時(shí)的測(cè)點(diǎn)12，為0.26 mm。

圖6(b)為頂進(jìn)3號(hào)頂管所測(cè)得的地表軸線測(cè)點(diǎn)沉降曲線，可以看出：與1號(hào)頂管頂進(jìn)所引起的沉降情況相類似，3號(hào)頂管頂進(jìn)在切口到達(dá)前所引起的縱向地表沉降曲線表現(xiàn)為先隆起后下沉。在切口到達(dá)時(shí)地表沉降迅速擴(kuò)大，曲線出現(xiàn)明顯落差。在切口通過后，沉降速率趨于緩和，且伴隨著一定程度回彈; 最大沉降量發(fā)生在頂進(jìn)至700 mm時(shí)的測(cè)點(diǎn)11，為0.31 mm。

圖6(c)為頂進(jìn)2號(hào)頂管所測(cè)得的地表軸線測(cè)點(diǎn)沉降曲線，可以明顯地看出2號(hào)頂管頂進(jìn)所造成的沉降曲線與前兩根頂管頂進(jìn)所造成的沉降曲線出現(xiàn)很大差異。主要表現(xiàn)在：

(a)1號(hào)頂管頂進(jìn)所引起地表軸線測(cè)點(diǎn)沉降曲線

1) 靠前方的測(cè)點(diǎn)9、10、11、12出現(xiàn)微微隆起后馬上很大程度地下沉，表現(xiàn)尤為明顯的為測(cè)點(diǎn)10。

2) 出現(xiàn)大規(guī)模下沉后，又立即產(chǎn)生較大程度的地表隆起，表現(xiàn)尤為明顯的為測(cè)點(diǎn)12。

1、2、3號(hào)頂管最初地表隆起的原因主要是前期頂進(jìn)速度大于出土速度，造成刀盤前方土體受到擠壓，從而引起地面出現(xiàn)少量隆起，使得沉降值出現(xiàn)正值。

1、2、3號(hào)頂管在縱向地表沉降趨于平緩過程中，沉降值出現(xiàn)少量的回彈，這與李方楠[16]提出的一種關(guān)于頂管施工過程中注漿引起土體隆起的計(jì)算方法所揭示的規(guī)律一致。

2號(hào)頂管頂進(jìn)初期測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的沉降值激增是因?yàn)槠叫许敼苁┕み^程中，先施工頂管會(huì)在其頂進(jìn)方向產(chǎn)生45°+φ/2的卸荷擾動(dòng)區(qū)，再次進(jìn)行頂管施工時(shí)又將產(chǎn)生45°+φ/2的卸荷擾動(dòng)區(qū)。由于本試驗(yàn)頂管間距較小，擾動(dòng)區(qū)將不可避免地產(chǎn)生重疊，所以此時(shí)將會(huì)產(chǎn)生沉降值的激增[13]。

2.2 橫向地表沉降分析

圖7(a)為1號(hào)頂管頂進(jìn)時(shí)所測(cè)得的地表橫向測(cè)點(diǎn)沉降曲線，可以看出：沉降曲線整體偏向左側(cè)，在頂管頂進(jìn)初期，各測(cè)點(diǎn)沉降值均比較小，在頂距為150 mm時(shí)沉降值開始顯著增大。在頂距為700 mm時(shí)達(dá)到最大沉降為0.67 mm。

圖7(b)為頂進(jìn)3號(hào)頂管時(shí)所測(cè)得的地表橫向測(cè)點(diǎn)沉降曲線，可以看出：沉降曲線整體偏向右側(cè)，在頂距為100 mm時(shí)沉降值開始顯著增大。在頂距為750 mm時(shí)達(dá)到最大沉降為0.86 mm。

圖7(c)為頂進(jìn)2號(hào)頂管所測(cè)得的地表橫向測(cè)點(diǎn)沉降曲線，可以明顯看出2號(hào)頂管頂進(jìn)所造成的沉降曲線與前兩根頂管頂進(jìn)所造成的沉降曲線出現(xiàn)很大差異，主要表現(xiàn)在：

(a)1號(hào)頂管隧道頂進(jìn)所引起橫向測(cè)點(diǎn)沉降曲線

1)在頂距為200～300 mm所測(cè)得的地表軸線測(cè)點(diǎn)沉降值為正值，最大隆起高度為0.31 mm。

2)最大沉降發(fā)生在頂距為650 mm處，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前兩次所測(cè)得的結(jié)果，為0.22 mm。

1、3號(hào)頂管橫向測(cè)點(diǎn)沉降曲線大致呈對(duì)稱分布，但由于1號(hào)頂管比較靠近試驗(yàn)箱右側(cè)，所以1號(hào)頂管所測(cè)得的橫向測(cè)點(diǎn)沉降曲線的大致對(duì)稱軸偏向測(cè)點(diǎn)一側(cè)。而3號(hào)頂管偏向比較靠近試驗(yàn)箱左側(cè)，所以3號(hào)頂管所測(cè)得的橫向測(cè)點(diǎn)沉降曲線的大致對(duì)稱軸偏向測(cè)點(diǎn)5一側(cè)。

3號(hào)頂管施工引起的沉降要大于1號(hào)頂管單獨(dú)施工時(shí)所引起的沉降，這又在另一側(cè)面印證魏剛[17]提出的平行頂管施工時(shí)，中間區(qū)域受到雙重?cái)_動(dòng)會(huì)造成較大沉降這一結(jié)論。

橫向測(cè)點(diǎn)是布置在頂距為400 mm處，但是由圖可知橫向地表最大沉降并非發(fā)生在此處，而是發(fā)生在更加靠后的區(qū)段，這是由于頂管頂進(jìn)是對(duì)土體持續(xù)施加擾動(dòng)的過程，因此，在切口通過頂距為400 mm后的比較長的一段距離土體將會(huì)繼續(xù)發(fā)生沉降[18]，最后趨于穩(wěn)定。

2.3 試驗(yàn)擾動(dòng)機(jī)理分析

如圖8所示，由于2號(hào)頂管頂進(jìn)所引起的橫向地表沉降以及縱向地表沉降均出現(xiàn)異常波動(dòng)，現(xiàn)就該現(xiàn)象做出以下分析：由于頂管施工對(duì)周圍土體的擠壓、剪切及注漿等擾動(dòng)，根據(jù)前人對(duì)頂管施工擾動(dòng)的研究[19-20]，1、3號(hào)頂管頂進(jìn)將會(huì)產(chǎn)生與水平面呈45°+φ/2夾角的卸荷擾動(dòng)區(qū)。該擾動(dòng)區(qū)將不可避免地在2號(hào)頂管上方產(chǎn)生重疊，而2號(hào)頂管頂進(jìn)時(shí)將再次對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，此時(shí)將會(huì)出現(xiàn)三重?cái)_動(dòng)區(qū)，使得土體的固結(jié)程度和整體性提高。而在本試驗(yàn)中為了維持實(shí)驗(yàn)的唯一變量原則，頂進(jìn)速度及注漿壓力均未發(fā)生改變，因此，在2號(hào)頂管頂進(jìn)的初期會(huì)出現(xiàn)較大程度的隆起，但隨著頂距的擴(kuò)大，切口漸進(jìn)測(cè)點(diǎn)的下方時(shí)，擾動(dòng)引起的沉降要大于頂進(jìn)引起的隆起，此時(shí)地表沉降曲線表現(xiàn)為下沉[21]。

(a)縱向擾動(dòng)

3 結(jié) 論

文中通過砂土室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)探究多排頂管施工對(duì)地表沉降的變化規(guī)律，得出如下結(jié)論：

1) 頂管切口到達(dá)前，地表沉降曲線呈先隆起后下沉的形態(tài)，切口到達(dá)后的地表橫向沉降曲線基本符合Peck公式。地表沉降主要發(fā)生在切口到達(dá)及頂管通過的過程中。

2) 后施工頂管所造成的沉降值要大于先施工頂管。先施工頂管對(duì)周圍土體產(chǎn)生的擾動(dòng)會(huì)使后施工頂管施工時(shí)產(chǎn)生的沉降加劇，使得后施工頂管引起的最大地面沉降和沉降槽寬度都要變大，且地面沉降曲線不對(duì)稱，其橫向沉降曲線偏向先施工頂管方向。

3) 膨潤土泥漿的壓入會(huì)使土體沉降值趨于穩(wěn)定后出現(xiàn)少量回彈，回彈值約為0.02 mm，即頂管施工過程中注漿會(huì)引起土體隆起。

4) 削切裝置及出土裝置的引入可有效減少頂管施工中的地表隆起現(xiàn)象。三排水平平行頂管隧道施工時(shí)，應(yīng)考慮到兩邊頂管隧道開挖對(duì)中間土體擾動(dòng)的疊加作用，頂進(jìn)速度應(yīng)適當(dāng)減緩，以防止地面隆起開裂，對(duì)周圍建構(gòu)筑物造成不良影響。

5) 卸荷擾動(dòng)區(qū)的疊加會(huì)使土體性質(zhì)發(fā)生改變，若仍以相同頂進(jìn)速度施工，將會(huì)造成地面先隆起后下沉，對(duì)地面建構(gòu)筑物造成比僅下沉或僅隆起情況下更大的危害。就擾動(dòng)機(jī)理方面分析，若要在實(shí)際工況下減輕多排頂管頂進(jìn)所造成的沉降效果的疊加危害，可以考慮減緩頂進(jìn)速度，以減小地面沉降。