淺埋矩形頂管施工對臨近管線與地表的影響研究

韓仲慧，王 梅

（1.中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司，山東泰安 271021；2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024）

頂管法是一種不影響地面交通的暗挖施工工藝，通過盾構(gòu)刀盤切削前方土體，液壓油缸推動頂管向前可以做到開挖與支護(hù)同步進(jìn)行，極大地降低因土方開挖對地表及地下管線的擾動。方良勇等[1]以北京地鐵7 號線下穿既有10 號線雙井站為工程研究背景，采用數(shù)值模擬的方法優(yōu)化了中隔壁法(CRD)開挖施工工藝，確定了隧道開挖的預(yù)加固長度和范圍；張曉麗[2]以崇文門站穿越既有盾構(gòu)隧道為研究背景，提出了盾構(gòu)穿越新建結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)的合理間距；郭延輝等[3]以楚雄—攀枝花天然氣管道穿越G5 京昆高速工程為例，分析了頂管下穿施工引起頂管結(jié)構(gòu)、管涵圍巖以及高速公路路基、路面的變形規(guī)律和受力特征；王梅等[4]以密排圓形頂管為研究背景，研究了密排頂管施工的地表變形規(guī)律以及相鄰頂管施工的相互支擋作用，采用了改進(jìn)的Peck 公式可以很好地描述相鄰頂管支擋引起的地表變形特征；魏綱等[5]采用Peck 公式來計算頂管施工引起既有管線的變形情況；張林[6]以呼和浩特地鐵2 號線盾構(gòu)隧道下穿人行過街通道工程為研究背景，采用Peck 公式擬合的方式得到圓形雙線盾構(gòu)引起的地表變形計算方法；蘇江川[7]對大斷面類矩形頂管的受力及地表沉降規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明頂管掌子面前方土體會出現(xiàn)一定的隆起；王洪德等[8]采用有限差分軟件FLAC3D分析了頂管與隧道正交工況，研究表明頂管在下方與隧道正交時對周圍管線的影響較大；李小彤等[9]以太原地鐵2 號線長風(fēng)街站為研究背景，提出了土體彈性模量E與黏聚力C的反演方法，從而提高地表沉降預(yù)測精度。

目前圓形頂管或盾構(gòu)隧道引起的地表沉降可以采用Peck 公式來計算，但是缺乏大斷面矩形頂管施工引起的地表變形計算方法。本工程頂管的埋深為5.37 m，距離地表較近而與下臥隧道最小距離為0.73 m。淺埋頂管施工對地表的影響以及近距離穿越既有隧道的變形規(guī)律尚不清楚。因此，本研究以太原地鐵2 號線學(xué)府街站地下通道矩形頂管工程為研究背景，分析大斷面矩形頂管施工引起的地表變形、地下管線變形及下臥隧道的變形規(guī)律。

1 工程概況

太原地鐵2 號線學(xué)府街站附屬結(jié)構(gòu)矩形通道長度為38.6 m，矩形頂管頂部埋深為5.37 m，屬于淺埋矩形頂管。矩形通道4B 出入口位于車站北側(cè)，東西向布置，通道東端設(shè)置頂管接收井，西端設(shè)置頂管始發(fā)井，圖1 為學(xué)府街站總平面。矩形頂管采用預(yù)制管節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)寬度為1.5 m，接口采用F 型承插，頂管頂板、底板和側(cè)墻厚度均為0.45 m。設(shè)計通道尺寸為6.9 m×4.9 m，通道凈空為6 m×4 m。圖2 為頂管與管線的相對位置。車站所處地層自上而下分別為雜填土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、砂土，地下水位埋深范圍5.0～6.3 m。

圖1 學(xué)府街車站總平面Figure 1 General plan of Xuefu Street station

圖2 頂管與管線相對位置Figure 2 Relative position of jacking pipe and pipeline

2 頂管施工流程

頂管的基本流程是通過電機驅(qū)動帶動刀盤旋轉(zhuǎn)，刀盤切削掌子面并將切削下來的泥土在泥土倉內(nèi)形成可流動泥團(tuán)，通過螺旋出土器控制排土量來平衡土壓力和地下水壓力。圖3 為矩形頂管施工現(xiàn)場，本工程矩形頂管機刀盤采用前后組合六刀盤，其中分為直徑2 800 mm 后刀盤(中上、左下、右下)和直徑2 400 mm前刀盤(左上、中下、右上)，斷面切削率為91%。矩形頂管機外形尺寸為5 600 mm×6 920 mm×4 920 mm(長×寬×高)。

圖3 矩形頂管施工Figure 3 Rectangular pipe-jacking construction

圖4 為頂管施工的工藝流程，頂管施工主要分以下4 步。

圖4 頂管施工工藝Figure 4 Pipe-jacking process diagram

第1 步：開挖頂管始發(fā)井與接收井。一方面為頂管機的安裝與撤離場地提供足夠的空間，另一方面是始發(fā)井需要提供足夠的反力以確保頂管可以順利推進(jìn)。

第2 步：始發(fā)井與接收井周圍土體加固。由于頂管始發(fā)與頂管接收會對周圍環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，因此采用小導(dǎo)管注漿的方式對始發(fā)井與接收井附近土體進(jìn)行加固。加固范圍為接收井、始發(fā)井周圍2 m 土體，注漿加固土體的無側(cè)限抗壓強度為0.85 MPa，加固區(qū)土體比原狀土無側(cè)限抗壓強度提高0.45 MPa。

第3 步：頂管施工。通過安裝在始發(fā)井的液壓系統(tǒng)提供足夠的推力，推動管片向前推動。

第4 步：觸變泥漿減阻，頂管過程中為了降低阻力，在頂管與周圍土體的建筑間隙注入觸變泥漿，降低頂管與周圍土體的摩擦力。泥漿通過注漿機經(jīng)管道輸送至鋼管頂部的注漿孔，注入土體形成觸變泥漿套。注入漿液為膨潤土、純堿等配成漿液(具體配方與性能指標(biāo)見表1)。注漿前每環(huán)管片設(shè)置10 個直徑25 mm的注漿孔，在頂管頂進(jìn)時通過注漿管路向注漿孔內(nèi)注入膨潤土漿液進(jìn)行潤滑，以減小推進(jìn)摩阻力。

表1 觸變泥漿配方與性能指標(biāo)Table 1 Formula and thixotropic performance indicators

3 監(jiān)測儀器與方案

學(xué)府街站4B 通道上方有污水管線、給水管線和天然氣管線，頂管下方存在既有地鐵隧道。為了確保頂管施工對臨近管線和既有地鐵隧道的安全，采用天寶DINI03 電子精密水準(zhǔn)儀測量頂管施工過程中管線與地表的沉降，水準(zhǔn)儀精度為0.6 mm±1 ppm。圖5為學(xué)府街站4B 通道矩形頂管沉降監(jiān)測點布置。下穿通道每個橫斷面布置5 個測點，距通道較近測點間距為3.5 m，距通道較遠(yuǎn)測點間距為5 m。

圖5 地表沉降與管線變形監(jiān)測位置Figure 5 Surface settlement and pipeline deformation monitoring locations

地下管線的測量采用直接測量法，用?150 mm 取芯機在管線正上方開挖至地下管線上方，同時在鉆孔內(nèi)埋設(shè)?150 mm PVC 套管，并在套管內(nèi)插入直徑?12 mm鋼筋。預(yù)留鋼筋直接反映管線的變形情況，圖6 為直接法測量管線沉降示意。

圖6 地下管線監(jiān)測點Figure 6 Underground pipeline monitoring points

4 淺埋矩形頂管施工地表沉降計算

4.1 沉降計算方法

1969 年P(guān)eck 通過統(tǒng)計得到地下隧道開挖引起的地表變形計算公式，Peck 公式已被眾多學(xué)者證實是可行的[10-12]。圓形頂管與圓形盾構(gòu)施工的影響范圍可以采用公式(1)～(3)進(jìn)行計算。圓形硐室與矩形硐室開挖對上方土體的影響范圍是不同的，因此淺埋矩形硐室土方開挖引起的地表變形規(guī)律與圓形硐室存在差異，所以淺埋矩形頂管施工引起的地表變形仍采用Peck公式計算則會產(chǎn)生較大的誤差。因為在頂管寬度內(nèi)土體受開挖影響擾動程度是相同的，所以在頂管寬度范圍內(nèi)地表的豎向沉降數(shù)值是相同的，基于此對Peck 公式進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的Peck 公式(4)頂管寬度范圍內(nèi)取值是恒定的，在頂管寬度范圍以外地表沉降槽更寬，這顯然與淺埋矩形硐室開挖引起的地表沉降規(guī)律是一致的。

4.2 地表沉降監(jiān)測與分析

圖7 為矩形頂管施工的地表累計沉降曲線，頂管施工時間為20 d。從圖7(a)中可以看出，在頂管掌子面尚未達(dá)到地表變形監(jiān)測點前，隨著掌子面的不斷向前推進(jìn)，DB1 位置處地表不斷隆起，其中頂管中軸線DB1-3 位置處的地表隆起值最大，達(dá)到15 mm 左右。掌子面通過沉降監(jiān)測點截面后，地表沉降迅速增大，距離頂管中軸線較遠(yuǎn)的測點DB1-01和DB1-05也出現(xiàn)了較大的沉降，但距離中軸線較遠(yuǎn)測點的沉降速率遠(yuǎn)小于頂管中軸線處的沉降速率。頂管掌子面遠(yuǎn)離DB1測點后，地表的沉降速率開始逐漸變小，沉降增量也明顯減小，最后在經(jīng)歷35 d 左右地表沉降速率降低為0，頂管中軸線位置穩(wěn)定后的地表沉降量為30 mm。圖7(b)與7 (c)為DB2 和DB3 地表變形測點，這2 個斷面的沉降曲線也是掌子面通過前地表隆起，掌子面通過后地表產(chǎn)生沉降，最后地表沉降趨于穩(wěn)定。通過3 個地表橫斷面沉降測點的變形特征可以發(fā)現(xiàn)，頂管施工過程中不同截面的地表變形規(guī)律是一致的。

圖7 地表累計沉降量Figure 7 Cumulative surface subsidence

從3 個截面地表變形監(jiān)測點累計沉降曲線可以看出，淺埋矩形頂管施工引起的地表變形可以分為3 個階段。第1 階段是地表抬升階段，此階段頂管掌子面尚未到達(dá)監(jiān)測點，頂管推進(jìn)過程中與周圍土體的摩擦力推動土體向前運動，引起掌子面前方土體出現(xiàn)隆起現(xiàn)象；第2 階段是地表迅速下降階段，在此階段頂管掌子面已經(jīng)通過監(jiān)測點，測點下方土體由于自身固結(jié)以及部分土體由于摩擦原因繼續(xù)沿著頂管推進(jìn)，導(dǎo)致地表沉降迅速增加；第3 階段是沉降穩(wěn)定階段，頂管施工已經(jīng)結(jié)束，此時的沉降完全是由于頂管周圍土體固結(jié)引起的。本工程引起的最終地表沉降值為30 mm，地表沉降量尚未超過控制值。

根據(jù)地表變形規(guī)律可知，在頂管掌子面通過監(jiān)測點后，地表沉降經(jīng)歷迅速下沉與逐漸沉降，穩(wěn)定2 個階段。圖8(a)為頂管中軸線頂管切削面通過監(jiān)測點后隧道中軸線的累計沉降曲線，采用二次函數(shù)擬合的方式可以得到矩形頂管機/盾構(gòu)機通過后地表的沉降計算公式，根據(jù)施工時間可以計算出地表沉降量，公式(5)為沉降量與施工時間的計算公式。圖8(b)為根據(jù)公式(5)計算的DB2-03 沉降監(jiān)測點的沉降曲線與現(xiàn)場實測的沉降曲線，可以看到擬合的公式(5)可以準(zhǔn)確反映盾構(gòu)機掌子面掘進(jìn)后的地表變形規(guī)律，在掘進(jìn)后25 d左右地表沉降趨于穩(wěn)定，有

圖8 地表累計沉計算與實測曲線對比Figure 8 Comparison of calculated and measured cumulative surface subsidence curves

圖9 為頂管施工過程中DB1 和DB2 截面地表橫向變形曲線。從圖中可以看到頂管掘進(jìn)面尚未到達(dá)監(jiān)測位置時，頂管上方3 個監(jiān)測點DB1-02、DB1-03和DB1-04 的逐漸隆起，其中頂管中軸線測點的隆起值最大，達(dá)到了14 mm，但在頂管范圍以外的土體出現(xiàn)了一定的沉降。分析這種現(xiàn)象的原因是頂管向前推進(jìn)過程中頂管周圍土體因摩擦力的緣故導(dǎo)致頂管周圍土體沿著頂管方向移動，土體在掌子面前方產(chǎn)生了不同程度的堆積，故在頂管機推進(jìn)過程中掌子面前方產(chǎn)生較大的隆起。當(dāng)掌子面繼續(xù)向前推進(jìn)后土體開始重新固結(jié)，頂管上方的土體開始逐漸沉降。頂管橫截面以外區(qū)域地表因土方開挖影響，在掌子面推進(jìn)前后都產(chǎn)生較大的沉降。

圖9 地表橫向沉降曲線Figure 9 Lateral ground settlement curve

從圖9 可知，掌子面遠(yuǎn)離沉降監(jiān)測點后，頂管范圍內(nèi)的地表都出現(xiàn)了顯著的沉降，但在矩形頂管上方的地表沉降與圓形頂管或盾構(gòu)隧道存在一定的差異。矩形頂管正上方的地表沉降值基本一致，這與4.1 小節(jié)理論分析結(jié)果一致，而圓形頂管或圓形盾構(gòu)引起的地表沉降曲線呈現(xiàn)顯著的U 型。通過理論分析與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)可以說明，采用傳統(tǒng)的Peck 公式計算淺埋矩形頂管引起的地表沉降存在較大誤差，因此采用改進(jìn)后的Peck 公式(4)計算地表沉降量。圖10 為改進(jìn)后的Peck公式與未改進(jìn)的Peck 公式實測值對比曲線。從圖中可知，未改進(jìn)的計算公式在頂管寬度范圍內(nèi)與現(xiàn)場實測值存在較大差異，在頂管寬度范圍以外計算值與實測值變形趨勢相同，而改進(jìn)的Peck 公式與現(xiàn)場實測的地表橫向變形曲線吻合良好。

圖10 地表沉降計算值與實測值對比Figure 10 Comparison of calculated and measured surface settlement values

4.3 臨近管線沉降監(jiān)測分析

矩形頂管上方管線密布，其中DN500 污水管線上方測點為GX1，給水管線上方測點為GX2。DN500污水管線埋深為4.2 m，距離頂管上方僅有0.39 m，污水管線直徑為700 mm。給水管線埋深為2.1 m，直徑為200 mm，距離頂管上方2.75 m。如圖11 所示，管道的變形規(guī)律與地表變形規(guī)律基本一致。管線在第1 階段也是迅速抬升，然后在第2 階段沉降迅速增加，到第3 階段沉降逐漸減小，最終沉降穩(wěn)定。根據(jù)4.2 小節(jié)可知，頂管施工結(jié)束后頂管中軸線位置的地表沉降量最終為30 mm，而污水管線的最終沉降量為20 mm，給水管線最終的沉降值為18 mm。這是因為在矩形頂管施工過程中管線本身具有一定的剛度，尤其是污水管線是采用預(yù)制混凝土管，雖然頂管上方的土體出現(xiàn)了較大的沉降，因管線的支撐作用導(dǎo)致污水管線與給水管線上方的沉降相對減小。

圖11 管線累計沉降量Figure 11 Cumulative pipeline settlement

4.4 下臥隧道沉降分析

頂管下方存在既有盾構(gòu)隧道，隧道外徑為6.2 m，頂管與左線隧道的最小埋深為0.788 m，與右線隧道的最小埋深為0.728 m。圖12 為頂管施工過程中下方隧道拱頂變形監(jiān)測曲線。

圖12 隧道拱頂變形監(jiān)測曲線Figure 12 Tunnel vault deformation monitoring curve

下方隧道先是經(jīng)歷較小的沉降后，隧道整體出現(xiàn)抬升現(xiàn)象，當(dāng)掌子面推進(jìn)后下臥隧道的抬升趨于穩(wěn)定。頂管施工結(jié)束后下臥隧道又出現(xiàn)了較大的整體沉降，最后頂管下方隧道沉降值恢復(fù)到頂管之前的狀態(tài)。這是因為頂管掌子面尚未到達(dá)隧道時，頂管下方由于土體摩擦力的作用推動土體向前，導(dǎo)致掌子面前方土體擠壓，從而引起下方隧道出現(xiàn)了少量的沉降；當(dāng)頂管掌子面通過隧道時由于頂管開挖引起地層損失，引起頂管下方土體向頂管方向移動，引起頂管下方隧道出現(xiàn)了整體抬升，左右線隧道的抬升量約為1 mm；頂管掌子面通過隧道后隧道并沒有出現(xiàn)下降的趨勢，仍保持1 mm 左右的抬升量。在頂管施工結(jié)束后下臥隧道開始出現(xiàn)沉降，最終又恢復(fù)到初始位置。通過與地表沉降、管線沉降規(guī)律對比可以發(fā)現(xiàn)，下臥隧道的沉降規(guī)律與地表沉降和管線沉降存在差異，頂管掌子面通過隧道后隧道沒有出現(xiàn)下降的趨勢，而是在頂管施工結(jié)束才呈現(xiàn)下降的趨勢。這是因為頂管周圍土體由于摩擦力的影響沿著頂管頂進(jìn)方向運動，導(dǎo)致頂管附近的土體在頂管推進(jìn)過程中難以產(chǎn)生固結(jié)，在頂管施工結(jié)束后頂管下方土體才開始固結(jié)，所以在頂管結(jié)束后頂管下臥隧道開始產(chǎn)生沉降。

5 結(jié)論

針對淺埋矩形頂管施工引起的地表變形特征，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了淺埋矩形頂管施工引起的地表橫向與頂管施工階段對臨近盾構(gòu)隧道的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論。

1) 淺埋頂管施工過程地表的變形規(guī)律可以分為地表抬升、地表迅速沉降和沉降穩(wěn)定3 個階段。掌子面通過前僅在頂管寬度范圍為內(nèi)的地表出現(xiàn)隆起，掌子面通過后沉降迅速增加直至最終沉降穩(wěn)定。

2) 淺埋頂管施工引起的地表變形特征與圓形盾構(gòu)或圓形頂管存在差異，采用改進(jìn)的Peck 公式可以準(zhǔn)確計算淺埋矩形頂管施工引起的地表變形值。

3) 臨近下臥隧道整體的沉降與地表變形存在差異，下臥隧道在掌子面通過后隧道的抬升量保持在1 mm 左右，在頂管施工結(jié)束后因頂管周圍土體重新固結(jié)，隆起下臥隧道開始下降到初始位置。