矩形頂管在綜合管廊中的應(yīng)用研究

王俊杰 田文勝 董玉輝

（武漢市政建設(shè)監(jiān)理有限公司，湖北 武漢 430050）

1 綜合管廊和矩形頂管綜述

1.1 綜合管廊

地下綜合管廊又叫共同溝，指的是城市中用于鋪設(shè)各種市政管線的公共隧道［1-2］。綜合管廊自1833年誕生于巴黎，至今已有一百八十多年的發(fā)展歷程。綜合管廊在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已建設(shè)得比較完善［3］。我國(guó)綜合管廊工程始于北京天安門(mén)廣場(chǎng)地下管廊的建設(shè)，截止到2015 年，我國(guó)已建和在建地下管廊總長(zhǎng)達(dá)1 600 km，發(fā)展歷程如圖1 所示。此外，為了實(shí)現(xiàn)城市現(xiàn)代化，綜合管廊的建設(shè)必不可少，相關(guān)的技術(shù)規(guī)程也在逐步制定和完善［4-5］。

圖1 我國(guó)綜合管廊發(fā)展過(guò)程

傳統(tǒng)管線多采用架空敷設(shè)或埋地敷設(shè)，綜合管廊與之相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：①不占用地表空間，或僅投料口、檢查井占用少量地表空間，美化了市容市貌；②一次性建設(shè)，杜絕了“馬路拉鏈”，減少了對(duì)城市交通和人們生活的干擾；③管線分類入廊，進(jìn)行日常巡查維護(hù)，提高了管線的安全性和使用壽命。但綜合管廊在中心城區(qū)和老城區(qū)建設(shè)也面臨多種難題。例如：施工空間狹小，難以滿足傳統(tǒng)的大開(kāi)挖施工方式；征地協(xié)調(diào)難度大，拆遷成本高，進(jìn)一步增加建設(shè)成本；管線遷改成本高，施工周期長(zhǎng)。

1.2 綜合管廊施工方法

綜合管廊施工方法主要有明挖法和暗挖法兩種，其中暗挖法包括頂管法、盾構(gòu)法和淺埋暗挖法等。鑒于明挖法對(duì)城市環(huán)境的影響較大，暗挖法在城市綜合管廊施工中占據(jù)越來(lái)越多的份額。其中頂管法由于距離短、成本低、斷面形式多變，適用于多樣性地層，施工安全可靠［6］。

頂管法作為一種“綠色、環(huán)保、安全”的非開(kāi)挖施工技術(shù)，首先在20 世紀(jì)70 年代初被提出，在20世紀(jì)90年代進(jìn)入中國(guó)，并取得了飛速發(fā)展。矩形頂管憑借其非開(kāi)挖施工優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于綜合管廊的建設(shè)中，但由于綜合管廊斷面較大，相對(duì)埋深（管頂覆土深度與管廊高度的比值，H/D）相對(duì)較小，仍不可避免地會(huì)擾動(dòng)上覆地層。然而，現(xiàn)有研究大都集中在小直徑的圓形頂管和開(kāi)挖敷設(shè)綜合管廊建設(shè)方面。

本研究結(jié)合某市綜合管廊矩形頂管穿越工程（見(jiàn)圖2），布設(shè)了地表沉降監(jiān)測(cè)斷面，分析綜合管廊頂管施工引起的地表沉降規(guī)律，為后續(xù)工程進(jìn)行地表沉降預(yù)測(cè)、控制提供參考。

2 工程背景

某新建綜合管廊的斷面尺寸為6.7 m×5.4 m，該管廊穿越城市主干道，穿越段的長(zhǎng)度為93 m。由于車流量大，采用分幅明挖并結(jié)合交通導(dǎo)流仍不能滿足交通需求。因此，綜合考慮采用矩形頂管施工，管廊功能布置見(jiàn)圖2。地層以填土、黏土、中砂、礫砂等軟弱土層為主，地下水位較高，在地面下1 m。

圖2 三倉(cāng)式綜合管廊斷面圖（單位：mm）

3 監(jiān)測(cè)方案

3.1 矩形頂管施工引起地表變形因素分析

矩形頂管施工引起地表變形的機(jī)理十分復(fù)雜，其主要因素一般有以下3個(gè)。

3.1.1 土體損失。指的是頂管施工時(shí)，開(kāi)挖的土體體積大于設(shè)計(jì)開(kāi)挖的土體。

3.1.2 頂管推力。頂管施工時(shí)，開(kāi)挖面前頂管的推力控制不均勻，可能會(huì)導(dǎo)致底層變形。

3.1.3 管道外壁摩阻力。管道頂進(jìn)施工時(shí)，管道與土體間會(huì)產(chǎn)生摩擦力，導(dǎo)致土體變形破壞。

實(shí)際施工中，上述3 個(gè)因素并不是相互獨(dú)立的，而是互相影響的，且它們的相對(duì)大小并不是一成不變的；其中，管道外壁摩阻力相對(duì)比較穩(wěn)定，而頂管推力和土體損失則是動(dòng)態(tài)變化的，它們的大小與現(xiàn)場(chǎng)施工情況緊密相關(guān)。

3.2 頂管施工引起地表沉降范圍預(yù)測(cè)

由于上述因素的存在，矩形頂管在頂進(jìn)作業(yè)時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致地表不均勻沉降，那么在布置地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，要考慮地表沉降的影響。一般情況下，沉降槽是地表不均勻沉降的主要形式，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置須根據(jù)沉降槽的影響范圍來(lái)進(jìn)一步確定。頂管施工監(jiān)測(cè)時(shí)常用的沉降槽模型呈正態(tài)曲線分布；國(guó)內(nèi)學(xué)者引入隨機(jī)介質(zhì)理論來(lái)確定開(kāi)挖施工在水平面的最大影響半徑，即沉降槽寬度；另外還有相關(guān)學(xué)者和工程師做出了沉降曲線中心到曲線拐點(diǎn)的距離為沉降槽寬度6倍的假設(shè)。

對(duì)于圓形隧道來(lái)說(shuō)，應(yīng)用上述研究成果問(wèn)題不大，但對(duì)于矩形頂管隧道來(lái)說(shuō)，具有較大的斷面，且形狀為矩形，這都導(dǎo)致了矩形頂管隧道的沉降與圓形隧道有所不同。根據(jù)朗肯主動(dòng)土壓力理論和勘察設(shè)計(jì)成果，本項(xiàng)目的沉降監(jiān)測(cè)范圍取頂管寬度b與兩倍的頂管底面深度h×tan30°之和，具體見(jiàn)圖3。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

3.3 監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)

根據(jù)沉降范圍預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)要求，布置如圖3 所示的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。橫向上，在圖3 中的1～7 各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)；縱向上，在距離頂進(jìn)始發(fā)井的5 m、25 m、50 m、75 m 的位置各布置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。共布置28個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)方法

路面沉降點(diǎn)的布置是為了測(cè)量路面的沉降，當(dāng)路面是土體時(shí)，路面表層的沉降便能代表整個(gè)土體的沉降。但當(dāng)路面是鋼筋混凝土或?yàn)r青結(jié)構(gòu)時(shí)，路面表層的沉降便不能代表土體整體的沉降，這時(shí)就需要測(cè)量路基的沉降。通常，路基沉降點(diǎn)設(shè)置成窖井測(cè)點(diǎn)的形式，以便不受破壞，具體如圖4 所示。測(cè)量沉降的儀器主要采用水準(zhǔn)儀和銦鋼尺。水準(zhǔn)測(cè)量方法是主要測(cè)量觀測(cè)方法。

圖4 路基沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

4.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果

頂進(jìn)距離隨頂進(jìn)時(shí)間的關(guān)系如圖5 所示，從圖5 可以看出，矩形頂管的頂進(jìn)長(zhǎng)度基本隨著時(shí)間的變化成比例增長(zhǎng)，呈勻速狀態(tài)。4 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面頂管上方的3～5 三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地面沉降隨時(shí)間的變化曲線如圖6 至圖9 所示。其中在頂管頂進(jìn)至29 m時(shí)（7月25日），25 m處斷面的沉降曲線如圖10所示。其余斷面的沉降曲線與此類似，不在此一一列舉。

圖5 頂管頂進(jìn)距離與頂進(jìn)時(shí)間的關(guān)系曲線

圖6 5 m斷面地表沉降隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線

圖7 25 m斷面地表沉降隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線

圖8 50 m斷面地表沉降隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線

圖9 75 m斷面地表沉降隨時(shí)間的變化關(guān)系

圖10 25 m斷面處的地表沉降變化曲線

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.2.1 沿軸向的擾動(dòng)范圍。對(duì)布置有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的5 m、25 m、50 m 處的監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行分析可以看出，當(dāng)頂管施工至12 m、17 m、22 m處時(shí)，5 m、25 m、50 m 處的監(jiān)測(cè)斷面的地表雖暫時(shí)未隆起，但地表沉降卻先發(fā)生了。參考設(shè)計(jì)文件和施工組織設(shè)計(jì)，在頂管頂進(jìn)施工時(shí)，頂管設(shè)備的操作人員應(yīng)將開(kāi)挖倉(cāng)壓設(shè)置為朗肯主動(dòng)土壓力，但在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，開(kāi)挖倉(cāng)壓大于朗肯主動(dòng)土壓力。因此，頂管上部的土體在該情況下發(fā)生了主動(dòng)破壞，并且因?yàn)轫敼艿母邔挶龋℉/D=1）較小，斷面較大（36 m2），頂進(jìn)施工引起的土體破壞很快就傳遞到了地表。該綜合管廊頂管的高度為5.4 m，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，機(jī)頭前方受擾動(dòng)區(qū)的范圍約為頂管高度的2～3倍。

4.2.2 穿越加固區(qū)的擾動(dòng)。如圖6 所示，監(jiān)測(cè)斷面5 m 處的地表沉降曲線呈鋸齒狀波動(dòng)，地表的變形在沉降和隆起之間變化。7 月26 日時(shí)，地表由沉降變?yōu)槁∑?。原因是該段土體經(jīng)地基處理后，水泥漿加固了土體，土體由軟塑～硬塑狀變?yōu)榘褰Y(jié)狀的固體，在頂管頭的切削攪動(dòng)下，經(jīng)水泥漿固化后的土體不能隨著頂管頂進(jìn)變?yōu)榱魉軤睿移渲休^硬的土體會(huì)被反復(fù)攪動(dòng)，對(duì)附近土體產(chǎn)生擾動(dòng)。

4.2.3 沿橫斷面的擾動(dòng)范圍。從圖6至圖9可以發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4 的沉降量大于監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、5，這說(shuō)明頂管機(jī)上方的土體和地表沉降并不均勻，呈現(xiàn)出中間大兩邊小的形態(tài)。原因是監(jiān)測(cè)點(diǎn)4 位于頂管頂進(jìn)的正上方，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)4、5 位于頂管軸線兩側(cè)。利用土體的剪切破壞理論可以解釋這個(gè)現(xiàn)象，即頂管在頂進(jìn)時(shí)，會(huì)在頂管兩側(cè)的土體中形成剪切帶，剪切帶內(nèi)側(cè)的土體受向上的剪切力，外側(cè)的土體受到向下的剪切力。因?yàn)橥馏w的碎散性，難以形成一個(gè)整體的剛性體，這就造成越靠近剪切帶的土體變形和沉降越小，而越是遠(yuǎn)離剪切帶的土體的變形和沉降就越大。這就是頂管上方的土體沉降槽形成的原因，具體如圖11所示。

圖11 25 m斷面地表沉降槽形狀

由圖11 可以看出，頂管隧道沉降槽的范圍依舊在頂管兩側(cè)土體的剪切破壞面內(nèi)。據(jù)此，可以根據(jù)庫(kù)倫主動(dòng)破壞模型來(lái)確定剪切破裂面的具體位置，剪切破裂面與水平面的夾角可取45°+φ/2，進(jìn)而確定地表沉降的范圍。

4.2.4 地面沉降對(duì)豎向土壓力的影響。當(dāng)?shù)貙硬皇軘_動(dòng)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，地層中任意點(diǎn)的豎向土壓力等于該點(diǎn)的靜止土壓力，即該點(diǎn)上方底層的自重。但若在地層中進(jìn)行施工，比如頂管頂進(jìn)，這就會(huì)導(dǎo)致地層擾動(dòng)，地層的受力平衡被打破，造成地層沉降或隆起。

隨著頂管頂進(jìn)的施工，在頂管兩側(cè)土體剪切帶的帶動(dòng)下，頂管上方土體的受力平衡也會(huì)發(fā)生變化，豎向土壓力的一部分在頂管頂進(jìn)時(shí)會(huì)通過(guò)摩擦向頂管兩側(cè)的土體傳遞。這就導(dǎo)致了頂管上方土體所受的豎向土壓力小于該處土體的靜止土壓力。并且，由于土體具有碎散性，頂管上方土體的受力不均，呈現(xiàn)中間大兩邊小的形態(tài)，這與上文中圖11 所示的沉降槽正好相反。因此，在管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，如仍采用靜止土壓力計(jì)算，則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是安全的。

4.2.5 減少地表沉降的措施。根據(jù)上述的理論分析和監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，為了減少頂管上方土體的沉降或隆起，可采取以下措施：第一，盡量保證開(kāi)挖倉(cāng)壓與地層的靜止土壓力保持一致，從而避免頂管附近土體的主動(dòng)破壞；第二，頂管頂進(jìn)施工時(shí)，為避免形成的剪切破壞帶范圍較大，要及時(shí)向頂管四周注入潤(rùn)滑泥漿；第三，頂管施工完成后可能會(huì)遇到頂管范圍內(nèi)土體出現(xiàn)局部較大的變形和沉降，此時(shí)，應(yīng)果斷向沉降部位注入高壓泥漿，避免出現(xiàn)土體的過(guò)大沉降，影響土體中管線安全和地表交通等；第四，若頂管施工使路基與路面之間產(chǎn)生空隙，應(yīng)盡早發(fā)現(xiàn)，并及時(shí)灌漿，避免地表坍塌，影響交通和人員安全［7］。

5 結(jié)論

本研究介紹了某新建綜合管廊矩形頂管地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，并分析了頂管施工引起的地表沉降范圍及其對(duì)豎向土壓力的影響，得出以下5個(gè)結(jié)論。

①沿頂管軸向，機(jī)頭前方受擾動(dòng)區(qū)的范圍為頂管高度的2～3倍。

②頂管穿越土體加固區(qū)段，地表的沉降變形隨時(shí)間呈鋸齒狀變化，相對(duì)于未加固段，加固段的沉降較小。

③頂管斷面上土體的沉降范圍可以根據(jù)庫(kù)倫主動(dòng)破壞模型來(lái)預(yù)測(cè)。

④頂管上方的地表沉降和土壓力都不均勻，均呈現(xiàn)出中間大兩側(cè)小的形態(tài)。

⑤頂管施工時(shí)若地表產(chǎn)生較大的沉降，此時(shí)須提高開(kāi)挖倉(cāng)壓，并向管節(jié)外周注入足量高壓泥漿頂起地層，同時(shí)在路面與路基的孔隙中灌漿，以防止地面坍塌。