綜合管廊矩形頂管下穿高速公路影響性分析

王賽 聶奧祥

1.北京城市副中心投資建設(shè)集團有限公司 101117

2.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司 100082

引言

頂管法作為一種非開挖技術(shù)，在不開挖地面或以最小開挖地面情況下利用頂推裝置從工作井將待鋪設(shè)的管節(jié)在地下逐節(jié)頂進，就能穿越地表構(gòu)筑物和地下管線，在埋深較深的情況下，相比傳統(tǒng)明挖開槽施工方法，投資和工期將大大減少。同時，頂管法施工可顯著減小對周邊環(huán)境及道路交通的影響，具有廣泛的應用前景［1－5］。由于上述優(yōu)點，在眾多條件受限的工程中，尤其是明挖施工困難或無條件明挖施工的情況下成為施工的第一選擇。頂管施工對構(gòu)筑物的影響主要表現(xiàn)為沉降和隆起，國內(nèi)外許多學者就頂管施工技術(shù)做了大量工作，取得了很多顯著的成果并成功應用于工程實踐。黃宏偉等［6］采用數(shù)值方法對頂管法開挖機頭正面推力地層損失注漿以及共同作用等進行研究，了解了頂管施工引起的周邊環(huán)境力學效應。代志勇等［7］通過仿真軟件分析了頂管法施工對既有構(gòu)筑物（高速公路和燃氣管線）的擾動影響規(guī)律。余芳［8］通過數(shù)值模擬方法研究了頂管施工引起地面沉降的變形規(guī)律并提出減小地面變形和保障施工安全措施。馮?。?］通過仿真軟件研究了頂管群下穿高速鐵路時不同頂進次序?qū)β坊冃蔚挠绊?，并對該變形的影響進行評估，結(jié)合地質(zhì)資料提出袖閥管注漿加固路基方案，指導頂管群安全穿過運營鐵路。房營光等［10］通過現(xiàn)場試驗研究，揭示了頂管擾動區(qū)深層土體位移和地表位移受頂管施工的變化規(guī)律。

在這些研究中，較多關(guān)注的是圓形頂管下穿構(gòu)筑物變形分析，而對于大斷面矩形頂管施工的研究較少。因此，本文以北京某綜合管廊頂管法施工下穿某高速公路為工程背景進行相關(guān)研究，重點就下穿過程中的路面變形進行數(shù)值模擬分析，研究頂管下穿施工引起道路土體的變形規(guī)律。

1 工程概況

北京某綜合管廊工程全長約1.51km。綜合管廊在樁號1 ＋011.5 ～1 ＋123.74 穿越高速公路。

由于現(xiàn)場施工條件限制，擬采用矩形盾構(gòu)頂管工法施工此段管廊結(jié)構(gòu)。在高速公路東側(cè)設(shè)置始發(fā)井、西側(cè)設(shè)置接收井。矩形盾構(gòu)頂管自東南向西北進行頂進，頂進過程中，隨頂隨挖，嚴禁超挖。每頂進一個管節(jié)后，將下節(jié)管節(jié)吊裝到工作井中，按承插口要求，與前節(jié)連接好后，繼續(xù)頂進。每環(huán)管節(jié)寬1.5m，共計74 環(huán)管節(jié)。如此循環(huán)頂進，直至全部管節(jié)施工完成。現(xiàn)場頂進施工如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)場頂進施工Fig.1 Site jacking construction

矩形盾構(gòu)頂管外尺寸為7.7m ×4.5m，管節(jié)厚度500mm，采用工廠預制完成，如圖2 所示。

圖2 預制矩形頂管Fig.2 Prefabricated rectangular pipe jacking

現(xiàn)況高速公路寬度約28m，斷面布置為雙向四車道，路面平均標高為26m，矩形頂管與高速公路相交角度56°，矩形頂管管節(jié)頂距離現(xiàn)況高速路面頂約12.4m，距離高速周邊地面凈距6m。矩形頂管與高速公路平縱位置關(guān)系如圖3 所示。

圖3 矩形頂管與高速公路平縱位置示意Fig.3 Position indication of rectangular pipe and highway

2 地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘查報告，可將地面以下35.00m深度范圍內(nèi)的地層劃分為人工堆積層、新近沉積層及第四紀沉積層三大類，并根據(jù)各土層巖性及工程性質(zhì)指標進一步劃分為7 個大層及亞層。

1.人工堆積層

表層一般為人工堆積之厚度0.70m ～6.90m的黏質(zhì)粉土素填土、粉質(zhì)黏土素填土①層及房渣土①1層。

2.新近沉積層

人工堆積層以下為新近沉積的粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)黏土②層，黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土②1層，有機質(zhì)重粉質(zhì)黏土、有機質(zhì)黏土②2層及粉砂、細砂②3層；細砂、粉砂③層，黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土③1層，粉質(zhì)黏土③2層，有機質(zhì)黏土、有機質(zhì)重粉質(zhì)黏土③3層；中砂、細砂④層。

3.第四紀沉積層

新近沉積層以下為第四紀沉積的中砂、細砂⑤層，黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土⑤1層，重粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土⑤2層及有機質(zhì)黏土、有機質(zhì)重粉質(zhì)黏土⑤3層；細砂、中砂⑥層，黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土⑥1層，粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)黏土⑥2層及有機質(zhì)黏土、有機質(zhì)重粉質(zhì)黏土⑥3層；細砂、中砂⑦層，有機質(zhì)黏土、有機質(zhì)重粉質(zhì)黏土⑦1層，粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)黏土⑦2層，黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土⑦3層。

擬建場地潛水水位在自然地面下10.01m ～11.80m左右，對應標高為7.17m ～8.08m，水位變化幅度為0.91m。

本次所穿越的土層主要為粉砂③層，砂質(zhì)粉土③1層，粉質(zhì)黏土③2層，如圖4 所示。

圖4 矩形頂管穿越土層剖面（單位： m）Fig.4 Geological profile of the pipe jacking section（unit：m）

3 計算方案

3.1 計算模型

采用MIDAS／GTS 有限元分析軟件建立頂管開挖模型，模型總長度120m，為了消除邊界效應的影響，頂管兩側(cè)邊界距離頂管邊緣應至少大于4D（D為頂管外尺寸寬度7.7m），故模型寬度取為60m。底部邊界距離頂管底邊緣大于2D，上部邊界根據(jù)頂管實際埋深確定，最終模型總高度為40m。采用地層結(jié)構(gòu)模型，計算采用Mohr-Coulomb屈服準則，有限元模型如圖5 所示。

圖5 三維有限元模型Fig.5 Three-dimensional finite element model

3.2 模型參數(shù)

模型中土體采用實體單元模擬，頂管管節(jié)采用板單元模擬。其中土體采用莫爾庫侖本構(gòu)模型，頂管管節(jié)采用線彈性模型。土體物理力學指標參考規(guī)范和詳勘報告并結(jié)合經(jīng)驗取值，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 土體參數(shù)Tab.1 Parameters of soil

管節(jié)具體參數(shù)如表2 所示。

表2 管節(jié)參數(shù)Tab.2 Parameters of segments）

3.3 施工頂進的模擬

為較精確地模擬頂管頂進施工對高速公路的影響，考慮到本工程每環(huán)管節(jié)寬度為1.5m，數(shù)值計算采取的步驟如下：①自重應力平衡計算，得到初始狀態(tài)的應力場；②通過將鈍化相應單元來模擬開挖，開挖長度為1.5m，計算一定時步模擬注漿層應力釋放；③添加頂管結(jié)構(gòu)單元，施加開挖面支護壓力，施加摩阻力和注漿壓力，計算至平衡；④重復步驟①～③。

4 計算結(jié)果分析

4.1 地層變形分析

頂管施工完成后路面沉降變形云圖如圖6 所示，路面沉降沿橫向變化如圖7 所示。

圖6 矩形頂管開挖后引起的路面變形云圖（單位： m）Fig.6 Contour of surface settlement induced by pipe jacking（unit：m）

圖7 路面沉降曲線Fig.7 Ground surface settlement trough

由圖6、圖7 可以看出，頂管施工完成后，由于開挖土體卸荷作用，路面發(fā)生不同程度的沉降變形，最大沉降值為14.3mm，發(fā)生在頂管與道路的交叉處，且呈現(xiàn)中間大兩邊小的規(guī)律，這是因為頂管從道路中間下穿，頂管與道路的交叉處土體卸荷影響最大，隨著與頂管中心距離的增加，土體卸荷效應逐漸減弱，路面沉降變形逐漸減小。當與頂管中心距離超過20m 時，路面沉降趨近于0，說明此時路面基本不受頂管開挖影響，頂管開挖影響半徑大約為3D（D為頂管外尺寸寬度）。

根據(jù)以上分析結(jié)果，頂管下穿高速公路導致的路面沉降量較小，最大沉降量為14.3mm（小于20mm），滿足高速公路安全運行變形控制標準。

5 穿越工程風險控制措施

由于本工程頂管與高速公路路面凈距較近，對頂進過程中的地層沉降控制要求較高，現(xiàn)場頂進施工采取如下措施：

（1）嚴格控制頂管的施工參數(shù)，防止發(fā)生超、欠挖。根據(jù)反饋數(shù)據(jù)及時調(diào)整各類施工參數(shù)，嚴格控制頂進的糾偏量，盡量減少對土體的正面擾動。施工頂進速度不宜過快，盡量做到均衡施工，尤其避免在道路正下方下穿途中有較長時間的耽擱甚至發(fā)生停機等現(xiàn)象。

（2）頂進施工中，應當有效的減少頂進阻力，確保施工正常進行。為了達到理想減磨注漿效果，頂進過程中，不斷以0.3MPa ～0.5MPa的壓力壓注減阻膠泥將管節(jié)與土體之間的縫隙填滿，既起到減阻作用，又對土層起到有效的支撐作用，減小地表沉降，保證頂管上部土體的穩(wěn)定。

（3）每頂進一環(huán)管節(jié)，及時處理好管節(jié)間的接頭密封問題。

（4）利用在機頭殼體頂部安裝的壓漿管和開設(shè)的壓漿壓注減摩泥漿，使土體和殼體上平面之間形成一泥漿膜，以減少土體與殼體的摩擦力，防止發(fā)生“背土”現(xiàn)象。

（5）在頂管內(nèi)超量壓注潤滑泥漿，提高管節(jié)周圍土體的應力，對管節(jié)外的土體進行加固。

（6）頂進結(jié)束后，及時通過管節(jié)上的注漿孔，壓入水泥漿置換出管節(jié)外的觸變泥漿，防止觸變泥漿析水后引起地層沉降導致路面開裂。

6 現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果及分析

6.1 現(xiàn)場監(jiān)控量測

為確保頂管施工安全，盡量減少頂管施工對高速公路的影響，在現(xiàn)場施工過程中，采用全站儀對高速公路路面變形情況進行實時監(jiān)測。由于現(xiàn)場交通條件限制，測點主要布置于道路中央隔離帶以及兩側(cè)路緣帶，監(jiān)測點布置如圖8 所示，在頂管頂進施工期間，每天監(jiān)測1 ～2 次，特殊情況下增加監(jiān)測頻次，根據(jù)監(jiān)測反饋信息，隨時調(diào)整施工參數(shù)。

圖8 監(jiān)測點布置（單位： m）Fig.8 The position of deformation monitoring points（unit：m）

6.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

在頂管施工過程中，經(jīng)現(xiàn)場巡視，高速公路路面及周邊地表并未出現(xiàn)明顯裂縫?，F(xiàn)場實測結(jié)果表明，路基及路面在施工過程中的變形很小，頂管頂進至道路東側(cè)下方時，最大沉降變形出現(xiàn)在道路中央偏東側(cè)，最大沉降量為11.7mm；頂管繼續(xù)頂進至道路西側(cè)處，道路路面最大沉降量增至12.2mm，最大沉降位于道路中央處，道路東側(cè)路面的沉降基本保持不變；隨著頂管繼續(xù)向前推進，道路路面最大沉降值略有增加，直至頂進完成，道路路面最大沉降量穩(wěn)定在13.4mm。

如圖9 所示，將最終穩(wěn)定的監(jiān)測值與數(shù)值模擬計算結(jié)果進行對比可以看出，監(jiān)測值與計算值具有大致相同的變化規(guī)律，且變形最大值發(fā)生位置也基本一致，均位于頂管與道路的交叉處。頂管施工結(jié)束后，路基及路面最大沉降變形均小于2.0cm，滿足高速公路沉降變形控制規(guī)范的要求，頂管下穿工程對高速公路產(chǎn)生的影響較小，基本不影響道路的正常運營。

圖9 路面沉降現(xiàn)場監(jiān)測值與數(shù)值模擬結(jié)果對比Fig.9 Comparision of pavement settlement between field monitoring and numerical simulation

7 結(jié)論

1.頂管施工引起道路變形最大值位于頂管與道路的交叉處，路面沉降值隨著與頂管距離的增加，其值逐漸減小。當與頂管中心距離超過20m時，路面沉降趨近于0，頂管開挖影響半徑大約為3D（D為頂管外尺寸寬度）。

2.采用頂管法穿越高速公路可以有效地控制路面路基沉降，道路路面最大沉降量為13.4mm，滿足高速公路安全運營的要求。

3.通過監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果分析可以看出，數(shù)值模擬得到的路面沉降變化規(guī)律與實測數(shù)據(jù)基本一致，可為類似的工程項目提供參考。