管幕-箱涵法對(duì)城市快速路變形影響研究

林立祥

(上海新地海洋工程技術(shù)有限公司，上海 200083)

1 工程概況

上海田林路下穿中環(huán)線(xiàn)地道(中環(huán)線(xiàn)交通節(jié)點(diǎn)改善工程)新建工程全長(zhǎng)約1 032.78m，地道總長(zhǎng)度696m，敞開(kāi)段長(zhǎng)約406m，其中地道穿越中環(huán)線(xiàn)采用特殊的地下工程暗挖技術(shù)，即管幕-箱涵法。管幕-箱涵段下穿中環(huán)線(xiàn)起訖里程樁號(hào)為K0+663—K0+749，穿越長(zhǎng)度86m。地道下穿中環(huán)線(xiàn)采用管幕-箱涵施工工藝，其工程范圍如圖1所示。

圖1 管幕-箱涵穿越中環(huán)線(xiàn)平面布置

工作井位于田林路中環(huán)線(xiàn)西側(cè)路口，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻，平面外包尺寸27.2m×27.2m，內(nèi)部?jī)舫叽?4.0m×24.0m；接收井位于田林路中環(huán)線(xiàn)東側(cè)路口，平面外包尺寸27.2m×13.2m，內(nèi)部?jī)舫叽?4.0m×10.0m。

管幕為口字形，由62根帶鎖口Q235B鋼管組成(上部鋼管24根，兩側(cè)各7根，下部24根)，每根鋼管長(zhǎng)86m，內(nèi)徑800mm，壁厚12mm。鋼管頂覆土厚度約6.3m(見(jiàn)表1)。管幕外包寬度為21.648m，垂直高度為8.148m。

表1 場(chǎng)地土層物理力學(xué)指標(biāo)

穿越段箱涵外包尺寸19.8m×6.4m，管幕與箱涵間的建筑空隙擬定為：上部為10cm，下部為0，左、右兩側(cè)各為10cm?？紤]箱涵穿越過(guò)程中施工措施及井內(nèi)地道結(jié)構(gòu)，實(shí)際箱涵制作總長(zhǎng)度89.5m。在始發(fā)井內(nèi)分5節(jié)制作，首節(jié)13.5m，后4節(jié)均為19m，采用自主研制的土壓平衡式箱涵掘進(jìn)機(jī)在管幕內(nèi)開(kāi)挖掘進(jìn)(見(jiàn)圖2)。

圖2 管幕-箱涵剖面布置

2 鋼管及箱涵頂進(jìn)阻力計(jì)算

2.1 鋼管頂進(jìn)阻力計(jì)算

對(duì)泥水平衡式掘進(jìn)機(jī)，鋼管頂進(jìn)的總阻力由機(jī)頭迎面阻力、機(jī)頭外壁摩阻力、管壁外側(cè)摩阻力3部分組成。

2.1.1機(jī)頭迎面阻力

機(jī)頭頂進(jìn)時(shí)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)切削的迎面阻力按下式估算：

Ff=0.25πD2Pt

(1)

Pt=γ(H+2D/3)tan2(45°+φ/2)

(2)

式中：D為頂管掘進(jìn)機(jī)外徑(m)；Pt為機(jī)頭底部以下D/3處的被動(dòng)土壓力(kN/m2)；γ為土的天然重度(kN/m3)；H為機(jī)頭上覆土層厚度(m)；φ為土體內(nèi)摩擦角(°)。

本項(xiàng)目上排管幕在③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中頂進(jìn)，下排管幕在④層淤泥質(zhì)黏土中頂進(jìn)。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告、機(jī)頭參數(shù)，機(jī)頭迎面阻力計(jì)算結(jié)果為：Ff上=126.7kN，F(xiàn)f下=200.9kN。

2.1.2機(jī)頭外壁摩阻力

機(jī)頭外壁摩阻力可按下式估算：

Fs1=πDL0f0

(3)

式中：D為鋼管外徑(m)；L0為機(jī)頭長(zhǎng)度(m)；f0為機(jī)頭與土層間摩阻力(kN/m2)。

本項(xiàng)目③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中摩阻力f0取15kN/m2，④層淤泥質(zhì)黏土中摩阻力f0取20kN/m2，機(jī)頭外壁摩阻力計(jì)算結(jié)果為：Fs1上= 155.2kN，F(xiàn)s1下= 207.0kN。

2.1.3管壁外側(cè)摩阻力

由于鋼管頂進(jìn)距離較長(zhǎng)，地表沉降控制嚴(yán)格，為減少管壁摩阻并填充管周孔隙，控制地層沉降，在頂進(jìn)過(guò)程中向管壁外側(cè)同步注入特殊配合比的觸變泥漿，起到潤(rùn)滑和支撐作用。

管壁外側(cè)摩阻力按下式估算：

Fs2=πDLf

(4)

式中：D為鋼管外徑(m)；L為鋼管頂進(jìn)長(zhǎng)度(m)；f為采用注漿工藝時(shí)管壁與土層間摩阻力(kN/m2)，管道外壁與土的平均摩阻力宜取2～7kN/m2，考慮鎖口對(duì)泥漿套形成的影響，取3.5kN/m2。

管壁外側(cè)摩阻力計(jì)算結(jié)果為：Fs2上=Fs2下=778.8kN。

2.1.4頂進(jìn)總阻力

根據(jù)機(jī)頭迎面阻力、機(jī)頭外壁摩阻力及管壁外側(cè)摩阻力計(jì)算的頂進(jìn)總阻力為：

F上=Ff上+Fs1上+Fs2上=1 061kN

F下=Ff下+Fs1下+Fs2下=1 186kN

頂進(jìn)設(shè)備采用4臺(tái)250t雙沖程千斤頂左、右對(duì)稱(chēng)布置，其提供的頂力可滿(mǎn)足一次頂進(jìn)86m要求。

2.2 箱涵頂進(jìn)阻力計(jì)算

2.2.1工具頭迎面阻力

工具頭迎面阻力按下式估算：

NF=γh0tan2(45°+φ/2)BH

(5)

式中：γ為天然土重度(kN/m3)，取18kN/m3；h0為工具頭中心點(diǎn)埋深，本工程中的計(jì)算值為10.424m；φ為土體內(nèi)摩擦角(°)，取15°(③層及④層土平均值)；B為箱涵外包寬度(m)，取19.8m；H為箱涵外包高度(m)，取6.4m。

計(jì)算得工具頭迎面阻力NF=41 220kN。

2.2.2箱涵周邊摩阻力

箱涵周邊摩阻力按下式估算：

Na=[Ca(B+2H)+μ(Gk+γhB)]L

(6)

式中：Ca為箱涵與管幕之間平均摩阻力(kN/m2)，取最大值10kN/m2；μ為箱涵底部摩擦系數(shù)，取0.15；Gk為單位長(zhǎng)度箱涵自重標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m)，根據(jù)設(shè)計(jì)資料取1 423.2kN/m；h為箱涵頂部埋深(m)，取7.224m；L為箱涵頂進(jìn)長(zhǎng)度(m)，取86m。

計(jì)算得箱涵周邊摩阻力Na=79 608kN。

2.2.3總頂進(jìn)阻力

總頂進(jìn)阻力按下式估算：

Fa=γFNF+γaNa

(7)

式中：γF，γa均為分項(xiàng)系數(shù)，分別取1.2，1.3。

計(jì)算得箱涵總頂進(jìn)阻力Fa=153 000kN。

3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及監(jiān)測(cè)方法

3.1 中環(huán)路面豎向位移監(jiān)測(cè)

中環(huán)路面在垂直頂管-箱涵軸向共布置12個(gè)地表監(jiān)測(cè)斷面，其中D1～D3為西側(cè)輔道監(jiān)測(cè)斷面，D10～D12為東側(cè)輔道監(jiān)測(cè)斷面，D1，D12分別位于西、東側(cè)加固區(qū)，輔道每個(gè)斷面布置豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)7個(gè)；D4～D9為中環(huán)主道監(jiān)測(cè)斷面，主道監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)9個(gè)豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，箱涵范圍布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，范圍外南、北側(cè)各布置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)范圍至箱涵外15m。中環(huán)路面豎向位移采用二等幾何水準(zhǔn)測(cè)量法(見(jiàn)圖3)。

圖3 管幕-箱涵穿越中環(huán)線(xiàn)路面及鋼管豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置

3.2 管幕豎向位移監(jiān)測(cè)

鋼管頂進(jìn)施工完成后，選擇管幕上排4根鋼管實(shí)施沿縱向的豎向位移監(jiān)測(cè)，對(duì)應(yīng)鋼管編號(hào)分別為S5，S11，S14，S20，其具體位置分別對(duì)應(yīng)于左側(cè)刀盤(pán)中心、中部刀盤(pán)中心左側(cè)第2根鋼管、中部刀盤(pán)中心右側(cè)第2根鋼管、右側(cè)刀盤(pán)中心。在每根鋼管上每5m安裝1個(gè)傾角計(jì)，每根鋼管上安裝17個(gè)傾角計(jì)，各傾角計(jì)間采用RS-485通信方式串聯(lián)，4根RS-485接入采集單元(MCU)，實(shí)現(xiàn)鋼管豎向位移的自動(dòng)化采集。

由于管幕的兩端均處于變形區(qū)，動(dòng)態(tài)變化，因此計(jì)算鋼管豎向位移時(shí)，應(yīng)考慮管端隆沉，管端隆沉采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量法的成果實(shí)時(shí)修正，以獲取整條管道沿縱向的豎向位移。

3.3 管幕豎向位移計(jì)算(見(jiàn)圖4)

圖4 鋼管豎向位移計(jì)算簡(jiǎn)圖

傾角計(jì)測(cè)得每5m長(zhǎng)度范圍的鋼管傾角，根據(jù)各測(cè)段的長(zhǎng)度及傾角可計(jì)算出測(cè)段的垂直偏量，根據(jù)垂直偏量的傳遞可計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的垂直總偏量及各測(cè)點(diǎn)的豎向坐標(biāo)，根據(jù)各測(cè)點(diǎn)在不同工況下的垂直總偏量即可計(jì)算出本次沉降量及累計(jì)沉降量，本次沉降量為本次垂直總偏量與初始垂直總偏量的差值，累積沉降量為本次垂直總偏量與初始垂直總偏量的差值。考慮到起算點(diǎn)自身的沉降量，應(yīng)采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量法對(duì)起算點(diǎn)高程進(jìn)行修正，獲取準(zhǔn)確的鋼管沉降量。

測(cè)點(diǎn)處垂直總偏量的計(jì)算公式為：

Di=Lsinθ1+Lsinθ2+Lsinθ3+Lsinθ4+

Lsinθ5+… +Lsinθi

(8)

式中：Di為測(cè)點(diǎn)處的垂直總偏量(mm)；L為測(cè)段長(zhǎng)度(本項(xiàng)目取5 000mm)；θi為測(cè)段的傾角(°)。

測(cè)點(diǎn)沉降量計(jì)算公式為：

(9)

式中：Di本為本次所測(cè)測(cè)點(diǎn)處的垂直總偏量(mm)；Di前為前次所測(cè)測(cè)點(diǎn)處的垂直總偏量(mm)；Di初為初次所測(cè)測(cè)點(diǎn)處的垂直總偏量(mm)；Δ本為本次所測(cè)當(dāng)次沉降量(mm)；Δ累為本次所測(cè)累積沉降量(mm)。

4 管幕及箱涵施工起訖時(shí)間

管幕及箱涵施工起訖時(shí)間如表2所示。

表2 管幕及箱涵施工起訖時(shí)間

5 監(jiān)測(cè)成果及分析

5.1 中環(huán)路面豎向位移

中環(huán)路面豎向位移主要受管幕鋼管頂進(jìn)施工及箱涵頂進(jìn)施工2個(gè)工況影響，其中輔道斷面D1～D3，D10～D12 成果包含了工作井及接收井基坑施工的變形影響，本文重點(diǎn)分析管幕施工及箱涵頂進(jìn)施工的影響。

鋼管頂進(jìn)施工過(guò)程中，中環(huán)路面的豎向位移主要受頂管機(jī)頭壓力及頂進(jìn)速度影響，機(jī)頭壓力大于該深度處?kù)o止土壓力時(shí)，前方土體隆起，反之下沉。中環(huán)輔道D1，D12斷面分別位于基坑外加固區(qū)內(nèi)，頂管施工過(guò)程中路面豎向位移相對(duì)較??；受前期基坑開(kāi)挖坑外土體損失影響，頂管施工過(guò)程中輔道斷面D2，D3，D10，D11地表沉降明顯，頂管頂進(jìn)施工過(guò)程中引起地表下土體的進(jìn)一步損失，加劇了輔道地表沉降；中環(huán)主道路面在管幕頂管掘進(jìn)施工過(guò)程中表現(xiàn)出沉降，頂管頂進(jìn)施工引起上方土體損失；為確保中環(huán)運(yùn)營(yíng)安全，施工單位及時(shí)在已貫通的鋼管中對(duì)周側(cè)土體進(jìn)行加固，注漿效果較明顯，路面有明顯隆起；后續(xù)頂管施工過(guò)程中路面又開(kāi)始沉降，主要由注漿“擠土”引起的超靜孔隙水消散引起，頂管掘進(jìn)引起的土體損失也是重要影響因素，由于管幕上方均為軟黏土，超靜孔隙水消散的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，土體固結(jié)需較長(zhǎng)時(shí)間，至管幕頂管全部貫通，擾動(dòng)土體的固結(jié)沉降未完成。

箱涵頂進(jìn)施工工況中環(huán)路面豎向位移主要由鋼管的豎向位移決定，管幕與箱涵間10cm的土體在箱涵掘進(jìn)過(guò)程中的損失量及壓縮量對(duì)路面的沉降也有影響。位于基坑外加固區(qū)內(nèi)中環(huán)輔道D1，D12斷面在各節(jié)箱涵頂進(jìn)施工過(guò)程中豎向位移速率仍不大，土體加固效果良好，減小了土體損失；箱涵頂進(jìn)施工過(guò)程中上方鋼管隆起并未引起路面的明顯隆起，主要因鋼管為局部隆起，頂托力未能傳遞至鋼管上方土體，僅壓縮上方一定深度范圍內(nèi)的土體，隨著箱涵姿態(tài)的調(diào)整，箱涵與鋼管間距又發(fā)生變化，上方土體受到進(jìn)一步擾動(dòng)，中環(huán)地表沉降有一定加劇現(xiàn)象；第3節(jié)頂入后，施工單位對(duì)地表沉降明顯區(qū)域進(jìn)行了注漿，豎向位移過(guò)程線(xiàn)表現(xiàn)出明顯上升，形成明顯的“擠土”效應(yīng)，本次加固效果較好，箱涵掘進(jìn)完成后，中環(huán)地表的沉降量不大并逐漸趨于收斂，監(jiān)測(cè)末期中環(huán)地表沉降已收斂。

管幕施工及箱涵頂進(jìn)施工各工況下中環(huán)主道箱涵范圍內(nèi)路面隆沉交替變化，主要為路面沉降后多次注漿加固所致，箱涵縱軸線(xiàn)位置基本為變形最敏感區(qū)域；箱涵范圍兩側(cè)路面總體表現(xiàn)為沉降，沉降量與測(cè)點(diǎn)和箱涵間距離成反比，注漿主要影響箱涵范圍內(nèi)的路面變形(見(jiàn)圖5，6)。

圖5 各斷面豎向位移時(shí)程曲線(xiàn)

至監(jiān)測(cè)末期中環(huán)主道路面沉降最大發(fā)生在D4斷面測(cè)點(diǎn)D4-3處，累計(jì)為-51.07mm；中環(huán)主道路面隆起最大發(fā)生在測(cè)點(diǎn)D5-6處，累計(jì)為47.60mm；主道中部隔離帶位置D7斷面均表現(xiàn)為沉降，最大沉降位于測(cè)點(diǎn)D7-2處，累計(jì)為-42.5mm；中環(huán)輔道路面沉降最大發(fā)生在測(cè)點(diǎn)D2-2處，累計(jì)為-88.50mm；中環(huán)輔道路面除D1-2測(cè)點(diǎn)隆起3.80mm，其余測(cè)點(diǎn)基本表現(xiàn)為沉降(見(jiàn)表3)。

表3 各斷面最大隆沉量 mm

圖6 D7斷面各工況隆沉分布曲線(xiàn)

5.2 管幕豎向位移

箱涵掘進(jìn)施工前，管幕上方鋼管已有明顯豎向位移，S5鋼管豎向位移在-11.07～-40.12mm，S11鋼管豎向位移在-15.57～-71.06mm，S14鋼管豎向位移在-4.82～-57.51mm，S20鋼管豎向位移在-0.94～-50.67mm?？梢?jiàn)，箱涵掘進(jìn)施工前管幕上方鋼管的豎向位移較可觀，各根鋼管位移量沿長(zhǎng)度方向均呈現(xiàn)中部大并向兩端逐漸遞減特征，管幕施工完成至箱涵掘進(jìn)前上方鋼管沉降的主要原因?yàn)楣苣皇┕て趯?duì)管幕范圍內(nèi)的土體形成了較大擾動(dòng)，管幕施工完成后其內(nèi)土體固結(jié)沉降，從而引起上方鋼管沉降。上方管幕沉降引起管幕垂向凈空減小，對(duì)剛性箱涵掘進(jìn)施工不利。

首節(jié)箱涵從西側(cè)工作井掘進(jìn)初期，鋼管西側(cè)測(cè)點(diǎn)豎向位移較小，東側(cè)基本未發(fā)生位移，首節(jié)箱涵掘進(jìn)末期，管幕凈空減小，掘進(jìn)機(jī)與管幕間空隙越來(lái)越小，在頂力作用下，管幕上方鋼管發(fā)生明顯隆起，第2節(jié)箱涵制作與養(yǎng)護(hù)期，箱涵與管幕自身荷載作用下管幕下方土體固結(jié)沉降，管幕上方鋼管沉降，距離掘進(jìn)機(jī)頭較遠(yuǎn)的鋼管西側(cè)未受影響；隨著箱涵掘進(jìn)的逐漸深入，箱涵與管幕上方鋼管的凈距越來(lái)越小，機(jī)頭附近鋼管基本表現(xiàn)出隆起現(xiàn)象，尤其在每節(jié)箱涵頂進(jìn)完成前，頂進(jìn)壓力加大后，鋼管豎向位移時(shí)程曲線(xiàn)大部分出現(xiàn)明顯隆起；鋼管的隆沉與箱涵在管幕內(nèi)的高程姿態(tài)密切相關(guān)，箱涵前端隆起時(shí)，相應(yīng)位置處的鋼管隆起，末端處的鋼管沉降，箱涵左、右側(cè)鋼管也出現(xiàn)隆沉交替變化現(xiàn)象；第5節(jié)箱涵掘進(jìn)時(shí)，箱涵與管幕間距逐漸增大，管幕上方鋼管未出現(xiàn)明顯起跳現(xiàn)象。監(jiān)測(cè)末期由于施工單位對(duì)井內(nèi)的各項(xiàng)設(shè)備進(jìn)行拆除，未能捕捉到工后鋼管幕的變形信息。

至監(jiān)測(cè)末期，S5鋼管豎向位移最大發(fā)生在S5-12測(cè)點(diǎn)處，累積隆起量為82.99mm；S11鋼管豎向位移最大發(fā)生在S11-6測(cè)點(diǎn)處，累積隆起量為99.81mm；S14鋼管豎向位移最大發(fā)生在S14-11測(cè)點(diǎn)處，累積隆起量為98.34mm；S20鋼管豎向位移最大發(fā)生在S20-16測(cè)點(diǎn)處，累積隆起量為86.75mm。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可看出，4根鋼管中隆起最大位置半數(shù)位于掘進(jìn)前期沉降最大位置附近，管幕凈空實(shí)際尺寸是決定鋼管變形的重要因素(見(jiàn)圖7)。

圖7 鋼管豎向位移時(shí)程曲線(xiàn)

6 結(jié)語(yǔ)

1)箱涵掘進(jìn)施工前，管幕上方鋼管已有明顯豎向位移，呈現(xiàn)中部大并向兩端逐漸遞減特性，導(dǎo)致管幕垂向凈空減小，從而引起箱涵掘進(jìn)過(guò)程中與上方管幕密貼，第2～4節(jié)箱涵掘進(jìn)施工過(guò)程中鋼管有突發(fā)隆起現(xiàn)象。管幕凈空實(shí)際尺寸是決定鋼管變形的重要因素，箱涵頂進(jìn)前應(yīng)對(duì)鋼管豎向位移進(jìn)行觀測(cè)，為箱涵頂進(jìn)施工過(guò)程中的姿態(tài)調(diào)整提供重要的參考數(shù)據(jù)。

2)中環(huán)路面豎向位移主要受管幕鋼管頂進(jìn)施工及箱涵頂進(jìn)施工2種工況影響，管幕施工過(guò)程中路面位移量主要由上方土體擾動(dòng)程度決定，箱涵頂進(jìn)施工過(guò)程中路面豎向位移主要由鋼管位移量決定，工后注漿對(duì)改善中環(huán)路面的豎向位移起決定作用。

3)箱涵與頂層鋼管間距較小，管幕貫穿后的沉降進(jìn)一步減小了兩者間距，箱涵頂進(jìn)過(guò)程中易觸碰鋼管長(zhǎng)度范圍內(nèi)中部區(qū)域，引起豎向位移監(jiān)測(cè)傳感器采集的角度值無(wú)法代表設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，因此鋼管內(nèi)監(jiān)測(cè)傳感器間距宜控制在1～2m，可更加準(zhǔn)確、可靠地反映鋼管在箱涵頂進(jìn)過(guò)程中豎向姿態(tài)的變化。