超淺覆土大斷面矩形頂管近距離雙線施工地表沉降規(guī)律及加固效果評價(jià)

王開軍，張 偉，王瑋鵬，竇保洋，徐榮超

（1.中國水利水電第十一工程局有限公司，河南鄭州 450001；2.深圳地鐵工程咨詢有限公司，廣東深圳 518055；3.華北水利水電大學(xué)，地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州 450046）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，城市開始三維化發(fā)展，即不再滿足于向地上發(fā)展，而是加大地下空間的利用，各種地下空間的開發(fā)在如火如荼地進(jìn)行中（賈連輝，2016；洪開榮，2017；孟建宇等，2020；洪開榮和馮歡歡，2021）。傳統(tǒng)明挖施工由于須中斷地面生產(chǎn)生活難以滿足工程建設(shè)需要，暗挖工法開始逐漸取代明挖工法（彭立敏等，2015；榮亮和楊紅軍，2015；鄧長茂等，2016；許有俊等，2018）。頂管工法作為暗挖工法的一種，以其非開挖穿越地層的技術(shù)，被廣泛運(yùn)用于各種地下工程施工中（喻軍和龔曉南，2014；王曉睿等，2016；許有俊等，2017；吳勇等，2017；李輝等，2019）。

矩形頂管相較于圓形頂管而言，其內(nèi)部使用效率高，故而使用更為廣泛。但矩形頂管相較于圓形頂管其上覆土體成拱能力更弱，容易形成較大的沉降槽，并且由于工作斷面較大，在頂管頂進(jìn)過程中對上覆土體影響較大（李方楠等，2012； 彭剛，2017；郝小紅和郭佳，2017；李志南等，2020）。許多學(xué)者對頂管施工過程中地面沉降變化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)分析（張文瀚等，2011；高毅等，2018；張治成等，2020；劉慶方等，2022）。研究手段有理論分析（景路等，2013；吳華君和魏綱，2014）、數(shù)值模擬（李達(dá)等，2018；周浩等，2020；陳雪華等，2022；王紫娟等，2022）、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)測（鄭躍等，2010；王劍和鄧宗偉，2014；李博等，2014；銀英姿等，2019；王李昌等，2020），取得了很多成果。

超淺覆土大斷面矩形頂管施工時(shí)可能引發(fā)地表沉降變形，但超淺覆土頂管施工過程中地表沉降變化尚不明確。為研究頂管施工過程中地表沉降規(guī)律和加固效果，本文以深圳市寶安區(qū)某下穿道路矩形頂管工程為背景，使用PLAXIS 3D軟件對頂管左右線施工過程進(jìn)行有限元模擬。首先結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，然后對未加固時(shí)和加固后的頂管施工過程進(jìn)行單獨(dú)模擬，研究兩種工況下地表沉降規(guī)律并對加固效果進(jìn)行評價(jià)。研究結(jié)果為頂管施工地面沉降變形及控制提供支撐。

1 工程概況

深圳市某下穿道路項(xiàng)目位于寶安區(qū)新安二路與前進(jìn)一路交叉路口，線路沿新安二路地下布設(shè)。圖1為頂管工程周邊建構(gòu)筑物示意圖，可以看出周邊構(gòu)建筑物距頂管施工現(xiàn)場較遠(yuǎn)，不影響頂管施工。工程采用密閉式土壓平衡頂管機(jī)，頂管機(jī)長度6.4 m，輪廓尺寸10.07 m×5.12 m。頂管分為左右線，長度均為58.5 m，埋深2.76～2.84 m，頂管左右線間距為1.5 m。根據(jù)總體工籌安排，先施工頂管右線通道，然后轉(zhuǎn)場至左線。管節(jié)材料為C50混凝土，整環(huán)結(jié)構(gòu)，管節(jié)長度1.5 m，外輪廓尺寸10.05 m×5.10 m，壁厚為0.6 m，左右線共計(jì)78節(jié)管節(jié)。

圖1 周邊構(gòu)建筑物示意圖Fig.1 Schematic diagram of surrounding structures

如圖2所示，由于頂管隧道埋深較淺且管節(jié)尺寸較大，故使用超前管棚在距離頂管頂板30 cm處，沿水平方向分別從始發(fā)井與接收井對打φ180 mm@400 mm管棚，通過管棚注漿固結(jié)土體以降低地面沉降。

圖2 管棚示意圖Fig.2 Schematic diagram of pipe shed

2 數(shù)值模型

2.1 三維模型

基于PLAXIS 3D軟件建立三維模型對新安二路矩形頂管施工項(xiàng)目進(jìn)行模擬，對頂管左右線施工過程中地表沉降變形特征進(jìn)行分析。圖3為模型示意圖，結(jié)合管片尺寸以及地層情況，模型尺寸設(shè)置為60 m×58.5 m×23.55 m（x×y×z）。模型共有151969個(gè)單元，238450個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of the model

2.2 模型參數(shù)選取

土體采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，從上至下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、礫砂、礫質(zhì)黏性土和全風(fēng)化粗?；◢弾r。頂管機(jī)采用板單元進(jìn)行模擬，頂管機(jī)尺寸為10.07 m×6.4 m×5.12 m（x×y×z）。管節(jié)采用線彈性模型，管節(jié)尺寸為10.05 m×1.5 m×5.1 m（x×y×z），壁厚為0.6 m。管棚采用梁單元進(jìn)行模擬，頂管頂進(jìn)范圍上面采用超前管棚（φ180 mm@400 mm）進(jìn)行橫向注漿加固以減小地表沉降。始發(fā)端和接收端均采用雙管旋噴樁進(jìn)行加固處理，加固長度為27.6 m，始發(fā)端加固寬度為6 m，接收端加固寬度為4 m，加固深度至井底板深度。具體參數(shù)如表1和表2所示。

表1 模擬參數(shù)取值Table 1 Parameters in numerical simulation

表2 模擬單元材料取值Table 2 Element material values in numerical simulation

2.3 頂進(jìn)過程模擬

矩形頂管施工大致可分為如下四個(gè)階段：

（1）平衡地應(yīng)力；

（2）對始發(fā)端和接收端使用雙管旋噴樁加固處理并激活超前管棚；

（3）頂管右線開挖：首先頂管向前頂進(jìn)一環(huán)，激活掌子面支護(hù)力，然后頂管向前頂進(jìn)3環(huán)，然后激活注漿壓力，最后循環(huán)以上操作直至頂管右線頂進(jìn)完畢；

（4）頂管左線開挖：操作與進(jìn)行頂管右線開挖一致，每1.5 m為一個(gè)施工階段，頂管左右線共計(jì)86個(gè)階段。

2.4 模擬結(jié)果合理性分析

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的合理性和準(zhǔn)確性，將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果（加固條件下）進(jìn)行對比。圖4為右線頂進(jìn)時(shí)地表監(jiān)測點(diǎn)的布置圖。首先分析頂管右線頂進(jìn)過程中地表整體的沉降變化，由圖5可知，模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果整體趨勢相似，即在頂管頂進(jìn)路徑上以沉降為主，隆起主要集中在接收井附近。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)位布置圖Fig.4 Layout of monitoring points

圖5 地表累計(jì)沉降云圖Fig.5 Nephograms of accumulated surface subsidence

再分析監(jiān)測點(diǎn)處沉降量隨頂管頂進(jìn)距離的變化情況。選擇DGC2-4和DGC3-4兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行分析，圖6為兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處地表累計(jì)變形值隨頂管頂進(jìn)長度的變化圖，模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致。監(jiān)測點(diǎn)DGC3-4實(shí)測最大隆起值較大，這是由于在頂進(jìn)過程中注漿壓力是動(dòng)態(tài)調(diào)整的，注漿壓力較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致地面隆起。在頂管右線頂進(jìn)過程中地表沉降規(guī)律可分為三個(gè)階段：隆起期、快速沉降期和沉降穩(wěn)定期。隆起期即在頂管機(jī)掌子面未達(dá)到監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)處土體處于隆起狀態(tài)，且隨著頂管機(jī)與監(jiān)測點(diǎn)的距離的縮短，監(jiān)測點(diǎn)隆起情況逐漸增加；當(dāng)頂管機(jī)經(jīng)過監(jiān)測點(diǎn)后便進(jìn)入到了快速沉降期，監(jiān)測點(diǎn)由隆起狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌两禒顟B(tài)，且以較快的速度沉降至較低水平；沉降穩(wěn)定期即當(dāng)頂管機(jī)距離檢測點(diǎn)位置較遠(yuǎn)時(shí)，此時(shí)監(jiān)測點(diǎn)處地表沉降值趨于穩(wěn)定。在本工程中，當(dāng)頂管機(jī)經(jīng)過監(jiān)測點(diǎn)后頂進(jìn)約20 m時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)處的地表沉降值趨于穩(wěn)定。

圖6 監(jiān)測點(diǎn)處累計(jì)變形隨頂管頂進(jìn)長度的變化Fig.6 Variations of cumulative deformation with jacking length at monitoring points

通過將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果就整體沉降趨勢和監(jiān)測點(diǎn)隨頂進(jìn)長度變化情況對比可知，所選取各項(xiàng)參數(shù)合理，可對頂管頂進(jìn)過程模擬以及研究頂管左線頂進(jìn)過程中的地表沉降規(guī)律。

3 結(jié)果分析

3.1 無加固條件下地表沉降

圖7為不同頂進(jìn)距離下的地表沉降云圖。在頂管右線頂進(jìn)過程中，地表變形規(guī)律為掌子面前方土體由于掌子面支護(hù)力而發(fā)生隆起，在掌子面后方的土體由于地層損失而發(fā)生沉降。前方土體隆起范圍約為掌子面前20 m；不同頂近距離下地表最大沉降均位于始發(fā)井附近。在頂管隧道軸線正上方地表沉降變形最大，受影響最為嚴(yán)重，反之則越小。在左線頂進(jìn)過程中地表沉降趨勢與右線施工時(shí)基本一致。如圖7d所示，當(dāng)左線開始頂進(jìn)后，地表最大沉降位置由右線始發(fā)井改變至左線始發(fā)井；且當(dāng)左線頂進(jìn)完畢后，左線頂管上方區(qū)域整體沉降大于右線頂管上方區(qū)域。

圖7 地表沉降云圖Fig.7 Nephograms of surface subsidence

由于在頂管正上方土體沉降變形最大，故選取頂管右線軸線正上方的五個(gè)點(diǎn)來研究地表縱向沉降趨勢。地表點(diǎn)位選擇如圖8所示。圖9為頂管頂進(jìn)過程中右線軸線上方地表的縱向沉降曲線圖。除始發(fā)井點(diǎn)處點(diǎn)A外，其余各點(diǎn)豎向位移均表現(xiàn)為先隆起后沉降最終趨于穩(wěn)定的變化趨勢。當(dāng)頂管右線開始頂進(jìn)后，A點(diǎn)處沉降值開始迅速增大，當(dāng)頂管右線頂進(jìn)至15 m時(shí)，A點(diǎn)處地表達(dá)到沉降最大值22.79 mm，在頂管機(jī)繼續(xù)向前頂進(jìn)時(shí)，A點(diǎn)處地表沉降值緩慢減小最終趨于穩(wěn)定。當(dāng)右線頂進(jìn)完畢后可以看出，A點(diǎn)處的最終沉降量最大，為19.44 mm；E點(diǎn)處的最終沉降量最小，其值為1.86 mm。當(dāng)頂管左線開始頂進(jìn)時(shí)，可以看出隨著左線頂進(jìn)距離的增加，右線軸線上的五個(gè)點(diǎn)沉降量均有一定程度的減小，但變化幅度不大。

圖8 地表點(diǎn)位示意圖Fig.8 Schematic diagram of surface monitoring locations

圖9 地表沉降縱向曲線Fig.9 Longitudinal curves of surface settlement

圖10為頂管右線頂進(jìn)時(shí)距始發(fā)井29 m的地表橫向沉降曲線。當(dāng)頂管機(jī)由始發(fā)到頂進(jìn)至10.5 m時(shí)，地表橫向沉降曲線幾乎沒有變化，即頂管機(jī)距橫向線距離較遠(yuǎn)時(shí)地表橫向沉降曲線沒有影響；當(dāng)頂管機(jī)頂進(jìn)到22.5 m時(shí)，此時(shí)地表橫向沉降槽呈隆起狀態(tài)，最大隆起值位于頂管頂進(jìn)中心上；當(dāng)頂管機(jī)頂進(jìn)到28.5 m時(shí)，此時(shí)地表隆起值開始減??；當(dāng)頂管機(jī)頂進(jìn)至31.5 m，此時(shí)頂管機(jī)已穿越目標(biāo)地表橫向曲線，地表由隆起轉(zhuǎn)為沉降狀態(tài)；隨著頂進(jìn)距離的增加，地表橫向沉降槽開始均勻下沉，當(dāng)頂進(jìn)距離至49.5 m時(shí)達(dá)到最大沉降值。此后隨著頂進(jìn)距離的增加，地表沉降值開始減小，最終在右線頂進(jìn)結(jié)束時(shí)最大沉降值為12.93 mm。在右線整個(gè)頂進(jìn)過程中，地表沉降最大值均發(fā)生在中心線上，地表沉降槽影響范圍沒有發(fā)生變化，結(jié)合圖7和圖10可知，在頂管頂進(jìn)過程中形成的沉降槽影響范圍約為2D（D為矩形頂管截面長邊的邊長）。

圖10 地表沉降橫向曲線Fig.10 Lateral curves of surface settlement

3.2 無加固條件下地表水平位移

圖11為不同頂進(jìn)距離下地表側(cè)向水平位移（X方向位移）云圖，數(shù)值的正負(fù)僅代表位移方向不同。在右線頂進(jìn)時(shí)，以右線頂進(jìn)方向中軸線為界，左側(cè)土體向X軸正方向位移，右側(cè)土體向X軸負(fù)方向位移，即右線頂管附近土體均向右線中軸線位移。當(dāng)左線開始頂進(jìn)時(shí)，頂管左右線中軸線中間區(qū)域的水平位移發(fā)生了改變，從圖11d、e和f中可以看出，中間區(qū)域的水平位移變小至2 mm，這是由于在右線頂進(jìn)時(shí)，右線中軸線左側(cè)土體向X軸正方向位移；在左線頂進(jìn)時(shí)，左線中軸線右側(cè)土體向X軸負(fù)方向位移，兩者位移疊加抵消使得左右線中軸線間的土體水平位移變小。當(dāng)左線頂進(jìn)結(jié)束后，形成左側(cè)區(qū)域土體向X軸正方向位移，中間區(qū)域土體水平位移相互抵消，右側(cè)土體向X軸負(fù)方向位移。

圖11 地表側(cè)向水平位移云圖Fig.11 Nephograms of surface horizontal displacement

3.3 加固條件下地表沉降

圖12為由管棚和雙管旋噴樁加固后的地表沉降云圖。首先，加固后地表整體沉降趨勢與未加固時(shí)大致相似，即沉降主要發(fā)生在頂管正上方地表，且越靠近頂管左右線中軸線，沉降量越大。但也有不同：由于在始發(fā)端和接收端經(jīng)雙管旋噴樁的加固作用，使得在頂進(jìn)過程中在兩端發(fā)生輕微的隆起，最大隆起值小于2 mm。管棚和雙管旋噴樁的共同作用降低了地表最大隆起值：在未加固條件下，如圖12e所示，此時(shí)地表最大隆起值約為4 mm，而在加固條件下，地表最大隆起值均小于2 mm。管棚和雙管旋噴樁的共同作用降低了地表最大沉降值并改變了最大沉降值的產(chǎn)生位置，未加固條件下，地表最大沉降值發(fā)生在始發(fā)端附近，加固后的地表最大沉降值發(fā)生在中部區(qū)域，當(dāng)右線頂進(jìn)結(jié)束后，未加固時(shí)地表最大沉降值為19.44 mm，加固后地表最大沉降值為14.32 mm，減少了5.12 mm；左右線都頂進(jìn)完畢時(shí)，未加固時(shí)地表最大沉降值為20.90 mm，加固后地表最大沉降值為14.75 mm，減少了6.15 mm。

圖12 加固后地表沉降云圖Fig.12 Nephograms of ground subsidence after reinforcement

圖13為加固后的地表沉降縱向曲線，所選取的五個(gè)點(diǎn)仍為圖8中的五個(gè)點(diǎn)。點(diǎn)A和點(diǎn)E均位于雙管旋噴樁加固區(qū)域，兩點(diǎn)的地表豎向位移趨近于0，即在頂管頂進(jìn)過程中基本不發(fā)生沉降和隆起。未加固時(shí)點(diǎn)A處豎向位移受頂進(jìn)距離的影響嚴(yán)重，這表明雙管旋噴樁加固處理可有效減少頂管頂進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的沉降變形。點(diǎn)B、C和D點(diǎn)處地表變形情況與未加固時(shí)相似。

圖14為加固后的頂管右線頂進(jìn)時(shí)距始發(fā)井29 m的地表橫向沉降曲線。剛開始頂進(jìn)時(shí)，受超前管棚的影響，地表呈微沉降狀態(tài)；隨著頂進(jìn)距離增加，當(dāng)頂管右線頂進(jìn)至25.5 m時(shí)，地表由沉降狀態(tài)變?yōu)槁∑?，?dāng)頂管穿越目標(biāo)地表橫向沉降槽后，地表又由隆起狀態(tài)變?yōu)槌两担划?dāng)頂管頂進(jìn)至46.5 m時(shí)，此時(shí)達(dá)到地表沉降最大值。隨后地表沉降最大值開始減小，右線頂進(jìn)結(jié)束時(shí)地表橫向沉降槽沉降值為14.06 mm。加固后沉降槽影響范圍較未加固時(shí)沒有變化。

圖14 加固后地表沉降橫向曲線Fig.14 Lateral curves of surface settlement after reinforcement

4 結(jié)論

本文基于PLAXIS 3D軟件建立三維有限元模型，對超淺覆土大斷面矩形頂管近距離雙線施工地表沉降規(guī)律及加固效果進(jìn)行研究。主要結(jié)論如下：

（1）未加固時(shí)地表整體沉降趨勢為：在頂管頂進(jìn)過程中對地表主要影響為沉降，影響區(qū)域集中在頂管正上方，且距離頂管軸線越近，沉降量越大；最大沉降量位于始發(fā)端，最大隆起量位于接收端。

（2）加固后地表沉降最大值點(diǎn)及沉降最大值均發(fā)生了改變：加固后地表最大沉降值點(diǎn)由始發(fā)井改變?yōu)轫敼苤胁繀^(qū)域；頂進(jìn)結(jié)束后，未加固時(shí)地表最大沉降值為20.90 mm，加固后地表最大沉降值為14.75 mm，減少了6.15 mm，表明現(xiàn)場加固方案效果顯著，采用超前管棚支護(hù)可有效減少地表沉降。

（3）未加固和加固后地表沉降縱向曲線規(guī)律基本一致，表現(xiàn)為三階段：隆起期、快速沉降期和沉降穩(wěn)定期；當(dāng)頂管機(jī)經(jīng)過監(jiān)測點(diǎn)后頂進(jìn)約20 m時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)處的地表沉降值趨于穩(wěn)定；左線頂進(jìn)施工對右線地表沉降縱向曲線影響不大。

（4）未加固和加固后地表橫向沉降槽變化情況基本一致；地表沉降槽影響范圍沒有變化，均為2D。

［附中文參考文獻(xiàn)］

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