矩形頂管管節(jié)內(nèi)力變化及地表沉降規(guī)律分析

周載延 何 燕 陳俞嘉

（西南科技大學(xué)，四川 綿陽(yáng) 621000）

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，對(duì)地下交通的需求不斷加大。地鐵作為地下交通的主要方式，穿越城市密集區(qū)，無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模的開(kāi)挖施工。頂管是一種較為成熟的非開(kāi)挖技術(shù)，相較于盾構(gòu)法施工具有工藝簡(jiǎn)單、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，適用于短距離施工，被廣泛應(yīng)用于市政管線工程。在相同截面面積下矩形頂管比圓形頂管利用率高20%[1]，被廣泛用于工程實(shí)踐。

盾構(gòu)施工時(shí)在盾構(gòu)機(jī)處安裝管片，后續(xù)施工基本不會(huì)對(duì)已施工完成部分造成影響。頂管施工則需在始發(fā)井處通過(guò)千斤頂將每節(jié)頂管持續(xù)頂入土體，所需頂力較大且整個(gè)施工過(guò)程中都會(huì)對(duì)已施工完成部分造成影響。因此，對(duì)于頂管工程來(lái)說(shuō)，頂力及地表沉降均是需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

現(xiàn)有的頂力現(xiàn)場(chǎng)研究多是采集頂力隨頂程變化的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)頂力數(shù)據(jù)的擬合得到頂力計(jì)算公式[2,3,4,5]，為頂力預(yù)估提供理論指導(dǎo)，未關(guān)注頂管施工時(shí)管節(jié)的內(nèi)力變化規(guī)律，未能揭示管節(jié)內(nèi)力與管節(jié)頂力的變化規(guī)律。鑒于此，本文通過(guò)在管節(jié)間安裝土壓力盒，監(jiān)測(cè)施工時(shí)管節(jié)內(nèi)力，通過(guò)對(duì)管節(jié)內(nèi)力的分析闡述管節(jié)內(nèi)力與頂力關(guān)系。

已有的針對(duì)矩形頂管施工對(duì)地表的影響規(guī)律研究、大多基于某一監(jiān)測(cè)斷面位移沉降監(jiān)測(cè)開(kāi)展，研究該斷面處地表沉降與距頂管軸線距離的變化規(guī)律[6,7,8]，揭示頂管工程某一截面處地表的沉降。但頂管頂進(jìn)是一個(gè)持續(xù)過(guò)程，不僅要關(guān)注頂管某一截面地表沉降規(guī)律，還需對(duì)整個(gè)頂管頂進(jìn)過(guò)程進(jìn)行研究?；诖?，本文通過(guò)監(jiān)測(cè)頂管頂進(jìn)過(guò)程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表位移變化規(guī)律，闡釋頂管施工地表沉降變化規(guī)律。

1 工程概況

昆明軌道交通4號(hào)線菊華站位于官渡區(qū)菊華立交橋與昆河米軌黑土凹站東側(cè)，貴昆路與金馬路丁字路口處昆河米軌下方。共設(shè)5個(gè)出入口，其中A、B號(hào)出入口采用6.9m×4.9m矩形頂管法施工。

頂管通道凈尺寸為6.0m×4.0m，采用6.9m×4.9m多刀盤(pán)土壓平衡式矩形頂管機(jī)掘進(jìn)施工。A號(hào)出入口頂進(jìn)長(zhǎng)度暫定46.0m，覆土深度約4.5m，頂進(jìn)方向由東北向西南推進(jìn)；B號(hào)出入口頂進(jìn)長(zhǎng)度暫定53.0m，覆土深度約5.0m，頂進(jìn)方向由西南向東北推進(jìn)，如圖1所示。

圖1 工程總平面圖

2 地表沉降規(guī)律研究

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

菊華站A2及B出入口上方為城市主干道彩云北路，此路段交通繁忙，無(wú)法因施工對(duì)道路交通進(jìn)行管制，為了保證道路上車(chē)輛的運(yùn)行安全，需要對(duì)頂管施工沿線進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，防止因頂管施工造成道路沉降過(guò)大危及行車(chē)安全，對(duì)B號(hào)出入口頂管監(jiān)測(cè)布點(diǎn)如圖2所示，監(jiān)測(cè)布點(diǎn)每隔8m間隔設(shè)置一列，起始監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在始發(fā)井樁基之外（DBC-B-10），每列設(shè)置三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中第二個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置于頂管軸線處，其余兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置于頂管側(cè)墻內(nèi)側(cè)。

圖2 B號(hào)出入口地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置圖

2.2 現(xiàn)場(chǎng)沉降處置措施

現(xiàn)場(chǎng)地勘表明，頂管結(jié)構(gòu)上覆土依次為：素填土、細(xì)砂，頂管整體主要位于粉質(zhì)粘土，頂管結(jié)構(gòu)下部為粉砂。場(chǎng)地地下水位埋深淺，土的天然含水率較高，滲透性弱，抗剪強(qiáng)度很低，其靈敏度一般在2.0～4.1，屬于中靈敏度土層，受擾動(dòng)后強(qiáng)度將大幅降低，產(chǎn)生較大不均勻沉降，施工中難以控制土層沉降以及頂管機(jī)頭的的偏差控制。

針對(duì)菊華站富水軟土地層、工程地質(zhì)復(fù)雜、施工工期緊張的情況，為保證隧道施工安全，采用高壓填充技術(shù)的頂管沉降控制方法。

施工時(shí)，通過(guò)高壓注漿泵將土體通過(guò)預(yù)留注漿孔壓入改良土，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制地層沉降，避免地層沉降超標(biāo)，保證施工安全，確保工程效益，具體情況如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)人工高壓填土

2.3 沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

頂進(jìn)施工前13天，開(kāi)始對(duì)頂管上方地表進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果如下：

（1）圖4為監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降—時(shí)間曲線，從圖中可以看出，在頂管頂進(jìn)施工前，地面沉降值在2mm以?xún)?nèi)，觀察每列監(jiān)測(cè)點(diǎn)，均可以發(fā)現(xiàn)頂管軸線處監(jiān)測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)2）的位移均大于兩側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)1、3）的位移，且兩側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移大體相等，規(guī)律與Peck提出地面沉降預(yù)測(cè)的Peck公式的近似高斯曲線一致。

（2）圖4（a）為布置于始發(fā)井加固區(qū)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移隨時(shí)間變化曲線，從圖中可以看出，在開(kāi)始頂進(jìn)施工的前15d內(nèi)，始發(fā)井處地表位移均很小，基本為零，第一節(jié)頂管頂進(jìn)時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處地表出現(xiàn)上浮，原因是頂管機(jī)刀頭會(huì)對(duì)土體擠壓扭轉(zhuǎn)。當(dāng)頂管通過(guò)該監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，此處地表出現(xiàn)下沉，沉降值均在1mm左右，隨著頂管施工的不斷進(jìn)行，位移均在2mm范圍內(nèi)波動(dòng)。

（3）隨著頂管的頂進(jìn)，在第18日頂進(jìn)（頂進(jìn)8m）至9號(hào)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)，其地表沉降情況如圖4（b）所示，從圖中可以看出，此時(shí)地表出現(xiàn)上浮位移，當(dāng)頂進(jìn)施工過(guò)了該監(jiān)測(cè)點(diǎn)，地表則出現(xiàn)了沉降位移，同樣，在頂進(jìn)到達(dá)第8號(hào)及第7號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，也出現(xiàn)一樣的現(xiàn)象。隨著頂管繼續(xù)頂進(jìn)，發(fā)現(xiàn)管節(jié)及頂管機(jī)出現(xiàn)“低頭”現(xiàn)象，遂采取調(diào)整始發(fā)井處千斤頂頂力（頂鐵上側(cè)千斤頂力保持不變，加大下側(cè)千斤頂頂力），進(jìn)行糾偏處理，故圖4（a）~（c）均在第25日出現(xiàn)了較大的上浮位移，經(jīng)不斷糾偏后，頂管機(jī)及管節(jié)偏差減小，地表上浮位移逐漸減小。圖4（d）為第6號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位于頂管糾偏段之后，因此頂管糾偏對(duì)其影響較小。到達(dá)第30日時(shí)整個(gè)頂管已全線貫通，但從圖中看出，地表繼續(xù)下沉，原因是施工時(shí)注入的觸變泥漿沉淀固結(jié)，體積減小。為減小地表沉降，工程中通過(guò)將泥漿置換成水泥漿，故圖4中第45日后地表沉降值不斷減小。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表沉降-時(shí)間曲線

3 管節(jié)內(nèi)力分布研究

3.1 內(nèi)力監(jiān)測(cè)

頂力是頂管施工中必須確定的一個(gè)重要參數(shù)，它直接影響工作井后背設(shè)計(jì)、管節(jié)的強(qiáng)度要求、中繼環(huán)的配置數(shù)量和間距，以及頂進(jìn)設(shè)備的選擇。目前，一些文獻(xiàn)對(duì)頂力的計(jì)算給出了各種理論公式，但由于影響頂力的因素復(fù)雜多變，這些公式很難定量考慮諸如軸向偏差、注漿工藝以及土質(zhì)變化等因素對(duì)頂力的影響，所以導(dǎo)致各自適用條件并不明確，計(jì)算結(jié)果差異較大。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，可獲得頂管工程中管節(jié)間頂力隨頂程變化規(guī)律的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。掌握昆明地區(qū)地質(zhì)條件下頂管施工過(guò)程中注漿方法、頂管工藝及對(duì)臨近建筑物的影響規(guī)律，可進(jìn)一步完善相關(guān)計(jì)算方法和施工工藝。現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)在頂管管節(jié)間安裝土壓力盒，測(cè)試管節(jié)間的內(nèi)力，土壓力盒具體布置情況如圖5所示。

圖5 土壓力盒布置情況

3.2 內(nèi)力測(cè)試結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)力測(cè)試時(shí)，分別監(jiān)測(cè)了不同頂進(jìn)長(zhǎng)度管節(jié)內(nèi)力，圖6為安裝在第7節(jié)頂管后土壓力記錄的管節(jié)內(nèi)力（前7節(jié)頂管頂力）隨頂進(jìn)施工過(guò)程變化曲線。

圖6 管節(jié)內(nèi)力隨頂進(jìn)施工過(guò)程變化曲線

圖6中波峰為頂管頂進(jìn)時(shí)監(jiān)測(cè)到的內(nèi)力，波谷為停機(jī)卸土?xí)r監(jiān)測(cè)到的內(nèi)力，由檢測(cè)結(jié)果分析可知：

（1）從曲線中可以看出，頂管截面上的頂力分布不均勻，截面外側(cè)的頂力總是大于截面內(nèi)側(cè)的頂力，且外側(cè)的頂力相對(duì)變化較大，因?yàn)榻孛嫱鈧?cè)直接與土體接觸，受到較大的側(cè)摩阻力，頂管內(nèi)側(cè)應(yīng)力由外側(cè)傳遞形成，管節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)，可將管節(jié)內(nèi)外側(cè)按照不同強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

（2）隨著頂管不斷地向前頂進(jìn)，內(nèi)力在不斷變化，表明管節(jié)所受側(cè)摩阻力在不斷變化，即當(dāng)頂管頂程一定時(shí)，頂力并不是定值。

（3）對(duì)比管節(jié)各部位內(nèi)力變化可發(fā)現(xiàn)：管節(jié)底部?jī)?nèi)力大于頂部?jī)?nèi)力，頂部?jī)?nèi)力大于兩側(cè)內(nèi)力，這與管節(jié)各部位所受土壓力正相關(guān)，即所受土壓力大的部位，相應(yīng)的所受側(cè)摩阻力大，相應(yīng)的內(nèi)力大，頂力也較大。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)頂管施工過(guò)程中地表沉降及頂管內(nèi)力監(jiān)測(cè)，得出了以下結(jié)論：

（1）頂管軸線處地表位移大于兩側(cè)地表位移，且兩側(cè)位移基本相同；頂管施工時(shí)掌子面處受到刀盤(pán)的擠壓扭轉(zhuǎn)，掌子面上方地表呈現(xiàn)上浮情況；頂管機(jī)后方地表呈現(xiàn)下沉趨勢(shì)。

（2）當(dāng)頂管機(jī)機(jī)頭出現(xiàn)“低頭”（頂管機(jī)機(jī)頭下沉），通過(guò)安裝在尾部的千斤頂進(jìn)行糾偏，糾偏過(guò)程中會(huì)使得已施工段地表整體上浮。

（3）頂管頂進(jìn)完成后，管-土之間注入的觸變泥漿因固結(jié)體積減小，頂管上側(cè)地表下沉，后期通過(guò)水泥漿置換泥漿，填充土體與管節(jié)之間的縫隙，土體會(huì)上浮。

（4）通過(guò)對(duì)管節(jié)內(nèi)力監(jiān)測(cè)可知：管節(jié)同一位置外側(cè)內(nèi)力大于內(nèi)側(cè)內(nèi)力，管節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)可以依據(jù)其內(nèi)力分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（5）頂程一定時(shí)，頂力不是定值；對(duì)比管節(jié)各部位內(nèi)力變化可發(fā)現(xiàn)：管節(jié)底部?jī)?nèi)力大于頂部?jī)?nèi)力，頂部?jī)?nèi)力大于兩側(cè)內(nèi)力，表明頂進(jìn)時(shí)底部所需頂力大于頂部所需頂力，頂部所需頂力大于側(cè)墻。