環(huán)屏路隧道頂管施工引起的地表沉降分析

摘要 文章通過對環(huán)屏路隧道頂管施工引起的地表沉降進行深入分析與研究，結合實測數據和數值模擬結果，探討了沉降原因、影響范圍及應對措施。研究表明，隨著施工進行，地表呈現先隆起后沉降的變化趨勢，影響范圍主要集中在隧道中心線附近；有限元模擬結果與實測數據吻合度高，驗證了模擬方法的可靠性。同時，文章提出了合理控制頂推力、注漿和隧道埋深等的關鍵措施，以有效控制地表沉降。

關鍵詞 隧道；頂管施工；地表沉降

中圖分類號 U455 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0097-03

0 引言

在城市建設和基礎設施發(fā)展的進程中，隧道建設是解決交通擁堵和改善城市生活質量的重要舉措之一[1]。然而，隨著城市化進程的加快和人口密集區(qū)域的不斷擴展，隧道施工所帶來的地表沉降問題日益引起人們的關注[2]。特別是頂管施工，由于其直接作用于地表，對周圍環(huán)境產生的影響更加明顯[3]。

環(huán)屏路隧道作為當地一項重要的基礎設施工程，其建設對周邊交通和城市發(fā)展具有重要意義。然而，在隧道頂管施工過程中，地表沉降問題成為亟待解決的挑戰(zhàn)之一[4]。隨著城市地下空間的日益擁擠，地下工程施工所帶來的地表沉降問題不容忽視。因此，對環(huán)屏路隧道頂管施工引起的地表沉降進行深入分析與研究，對于保障隧道施工安全、減少對周邊環(huán)境的影響具有重要意義[5]。

該文旨在通過對環(huán)屏路隧道頂管施工引起的地表沉降進行系統分析與研究，通過對地表沉降的實際監(jiān)測結果和有限元數值模擬結果進行結合分析，探討其產生的原因、影響范圍及相應的對策與措施，不僅能為類似工程的安全施工提供參考，也能為城市地下空間的合理利用和環(huán)境保護提供科學依據和技術支持。

1 工程概況

1.1 工程簡介

該工程位于珠海市環(huán)屏路，建設項目為環(huán)屏路下穿隧道，采用雙向四車道，隧道起訖里程為K0+713.00～K1+417.00，總長704 m。其中過珠海大道采用頂45/YAuL6uyaWDT9g01SO62Jg5NzuTQfonIk/WeD775A=管法施工，頂管段長18 8m，在環(huán)屏路—珠海大道路口的南北各設一座頂管井，其余均采用明挖法施工。

1.2 工程地質條件

據地勘報告顯示，擬建場地現場地勢平坦，標高在1.79～4.86 m之間，原始地貌屬山前地貌。根據野外鉆探揭露的地層，按成因時代及地基土的物理力學性質，場地地層共劃分為4個巖性單元（層），自上而下依次為第四紀人工填土層、第四紀沖洪積層、第四紀殘積層及燕山期花崗巖層。

1.3 水文地質條件

根據地質勘查報告aLRPazjEi4A1JNhFlR40degN63asDBCE5iseC8Qt7js=，該工程地下水主要以孔隙潛水和上層滯水為主。穩(wěn)定水位埋深在1.57～3.68 m，水位標高在?0.31～1.46 m。填土層分布的孔隙水主要受大氣降水補給，地面蒸發(fā)排泄，因此地下水位受雨季降水影響較大。根據區(qū)域水位資料，場內地下水年變化幅度約1.5 m。

場地地下水主要以側向徑流補給、大氣降水的入滲補給為主，主要以側向徑流和地面蒸發(fā)形式進行排泄。

2 地表沉降監(jiān)測方法

2.1 監(jiān)測儀器選取

地表監(jiān)測儀器采用美國天寶Trimble公司購置的DiNi03電子水準儀，其1 km往返精度為0.3 mm，測量范圍為1.5～100 m，補償精度為±15'，安平精度為±0.2″，望遠鏡倍率為32×，100 m視野為2.8 m，短視距為0.6 m且支持夜間及隧道測量，同時配備一把長度為2 m的鋼尺。

2.2 監(jiān)測點埋設

為滿足地表沉降監(jiān)測的規(guī)定，監(jiān)測點應沿基坑較長側進行平行設置，并確保與圍護結構的邊緣相隔5 m、10 m及20 m。首先，使用鉆機在道路硬化表面上打孔，然后將監(jiān)測用的鋼筋垂直打入地下，確保鋼筋與上方的土層緊密結合，形成一體。這樣一來，任何土層沉降的變化都會直接反映在鋼筋的沉降量上。鑒于大多數監(jiān)測點位于繁忙的珠海大道上，為防止過往車輛的碾壓對監(jiān)測結果造成干擾，鋼筋頂端應低于路面5～10 cm。此外，鉆孔應加裝保護管，并在其上方覆蓋蓋板以保護監(jiān)測點免受損害。

根據環(huán)屏路隧道施工過程的實際情況，該次測點埋設應從始發(fā)井開始，每間隔5 m設置一個監(jiān)測斷面直至接收井，共計設置了1 322個監(jiān)測點。

2.3 測量方法

在綜合考慮可能對監(jiān)測造成影響的多種因素后，該次監(jiān)測的監(jiān)測順序應根據奇數站和偶數站進行區(qū)別。在進行奇數站的觀測時，采用后、前、前、后的觀測順序；而進行偶數站的觀測時，則采用前、后、后、前的觀測順序，這樣的順序有助于提高測量的準確性和可靠性。

2.4 沉降計算方法

在開始工程施工之前，先對起始高度進行精確測量，使用水準測量的基準點設定地面沉降監(jiān)測點的起始高度。完成工程施工后，可采用式（1）計算每一次的高度變化數據：

ΔH=Hn?H0 （1）

式中，?H——地表沉降值（mm）；H0——起始高度（mm）；Hn——第n個測站點的測量高度（mm）。

3 監(jiān)測結果分析

該次研究取3個不同監(jiān)測斷面上的11個監(jiān)測點在8個不同施工階段的監(jiān)測數據，不同施工階段的累計豎向位移如圖1～3所示：

根據現場監(jiān)測數據和沉降曲線的分析，可以發(fā)現在頂管機剛開始施工時，即到達開采面的階段，地表初步呈現隆起狀態(tài)。然而隨著隧道的掘進，地表開始經歷持續(xù)的垂直沉降。這一變化在圖1的監(jiān)測斷面A的沉降曲線中有明顯體現。隨著隧道掘進到一定距離后，監(jiān)測點的沉降值開始減小，并最終趨于穩(wěn)定。在所有的監(jiān)測點中，位于隧道中心線上的監(jiān)測點6出現了最大的沉降值，達到了24.11 mm。以監(jiān)測點6為中心，兩側的每個監(jiān)測點沉降值逐漸減小，形成了一個沉降槽。而位于沉降槽兩端的監(jiān)測點1、2、10、11的沉降值非常小，這表明這些位置已超出了地表沉降槽的影響范圍。然而，在施工階段6和7時，盡管監(jiān)測點8距離隧道中心線較遠，但其實測沉降值仍出現了較大數值，甚至超過了更靠近隧道中心線的監(jiān)測點7。這一異常情況是由于在掘進過程中未能及時進行頂管管尾的注漿，導致了較大的地層損失和顯著的地表沉降，這一發(fā)現是通過進一步的工程現場調查得出。因此，及時的注漿工作對于防止地表沉降具有重要意義。

根據圖2中監(jiān)測斷面B及圖3中監(jiān)測斷面C的數據可以發(fā)現，當頂管機距離監(jiān)測斷面前方5 m時，該斷面的地表開始出現變形，初期表現為地表的豎向隆起，然而隨著隧道的掘進，這種隆起逐漸增大，最后在頂管機通過該監(jiān)測斷面后，地表變形轉變?yōu)槌两?。需要注意的是，即便頂管機已經通過，該處地表的沉降并沒有穩(wěn)定，反而仍然在繼續(xù)沉降。

4 有限元數值模擬分析

為找到影響地表沉降變化的原因，該文采用專業(yè)有限元軟件對施工現場進行數值模擬，模型的長寬高分別為50 m、20 m和10 m，共有43 920個單元格、42 984個網格節(jié)點。結合工程實際監(jiān)測結果，以監(jiān)測點6為中心設置對稱模型，在高度分別為0 m、5 m和10 m處設置橫向監(jiān)測斷面，設置與實際施工過程相同的7個施工階段。

在模型建立完成后，分析監(jiān)測斷面A上11個監(jiān)測點的豎向累計沉降數據，其數值模擬結果和實際監(jiān)測結果對比如圖4所示：

/mm

從圖4可以明顯看出，有限元模型預測的沉降結果與實際監(jiān)測數據非常吻合。無論是模型預測還是實際監(jiān)測，其最大沉降值均出現在隧道中心線上方。實際監(jiān)測的最大沉降值為24.63 mm，而有限元模型預測的最大沉降值為25.79 mm。兩者之間的差異僅為1.16 mm，遠小于2 mm，這表明有限元模型的預測精度已達到了實驗要求。這種高度的一致性驗證了有限元模型的準確性和可靠性，同時該文對兩者出現偏差的原因進行了分析，認為是由下列兩點原因引起：

（1）施工過程中硬化道路的厚度與數值模擬不一致，導致硬化道路對沉降的影響較大，使得實際沉降值略小于模型預測值。

（2）實際施工制作注漿不及時，導致掘進過程中的摩擦阻力較大，增大了地層損失和地表沉降，在后續(xù)施工時施工方和各單位加強了溝通，增大了注漿壓力和注漿量，確保將掘進時的摩擦阻力降至最低。

5 地表沉降控制措施

5.1 頂推力控制措施

頂推力是頂管結構在隧道內行進的關鍵，必須大于所有側向的摩擦力，但不能過大，以免引發(fā)地表沉降。同時，需要合理控制頂推力的大小和方向。在實際施工中，應根據千斤頂的最大頂推力和頂管結構，通過土層參數確定合適的起始推力數據。由于工期限制，施工方急劇增大推力導致地表裂縫，因此應緩慢增大頂推力，保持與頂進距離的線性增加關系。同時，還需要盡量控制頂管的前進方向，使其按照設計的方向前進，并在出現蛇形頂進時，利用掘進自動導向系統進行緩慢糾正。

5.2 注漿控制措施

注漿控制在地表沉降管理中至關重要，能減少頂管結構與土體的摩擦力，并彌補地層損失。注漿的材料屬性、壓力和及時性都影響地表沉降，需要選擇滿足設計要求的材料，如膨潤土和純堿，并根據實際情況進行調整。合理的注漿壓力和注入時間也很重要，以避免地表沉降過大或不合理的隆起。實地監(jiān)測結果顯示，注漿不及時和過度注漿都會導致不合理的結果。因此，施工單位需要協作，確保注漿壓力和注入時間合理，符合設計和規(guī)劃要求。

5.3 隧道埋深控制措施

隧道的尺寸和形狀確定后，需要確定其埋深。深度越大，對地表的影響越小，但過深可能對施工產生負面影響。在該工程中，隧道穿越了四層土層，最上層是雜填土，第二層是粉土，第三層是粉砂。該次試驗選擇在粉土層進行隧道掘進，使得隧道的埋深較淺。

5.4 其他控制措施

除了已提到的控制措施，地下水位和隧道上方荷載也是影響地表沉降的關鍵因素。地下水位較深可以減小沉降影響，但需要進行定期監(jiān)測。隧道荷載選擇為20 kPa，應加強實際施工中重型機械和材料堆放的管理，以減小地表荷載。

6 結論

通過對環(huán)屏路隧道頂管施工引起的地表沉降進行系統分析與研究，該文得出以下結論：

（1）隨著隧道施工的進行，地表呈現出先隆起后沉降的變化趨勢。在施工初期，地表出現隆起現象，隨著隧道掘進，地表逐漸發(fā)生持續(xù)的垂直沉降。

（2）地表沉降的影響范圍主要集中在隧道中心線附近，形成了明顯的沉降槽。而離沉降槽較遠的區(qū)域，沉降值較小，甚至不受影響。

（3）模擬分析結果表明，有限元數值模擬與實際監(jiān)測數據吻合度高，驗證了模擬方法的準確性和可靠性。

（4）控制地表沉降的關鍵措施包括合理控制頂推力、注漿和隧道埋深。及時的注漿工作對于防止地表沉降具有重要意義。地下水位和隧道上方荷載也是影響地表沉降的關鍵因素，需要進行定期監(jiān)測和加強管理。

參考文獻

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[4]段超杰，蔣曉天，于飛.頂管下穿城市道路地表沉降規(guī)律分析[J].工程勘察，2023（5）：35-39.

[5]韓仲慧，王梅.淺埋矩形頂管施工對鄰近管線與地表的影響研究[J].都市快軌交通，2024（1）：135-142.

收稿日期：2024-04-17

作者簡介：康亞男（1992—），男，本科，工程師，研究方向：橋梁與隧道工程檢測及巖土工程監(jiān)測。