土壓平衡矩形頂管施工引起的地表沉降探究

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(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.青島黃海學(xué)院，山東 青島 266000)

1 研究背景

隨著國家城市化的不斷發(fā)展，市政管道工程和地下通道工程逐漸增多，傳統(tǒng)的明挖法施工會對地下管線、周邊建筑物及交通出行造成一定影響，已滿足不了城市化的發(fā)展需求。頂管法施工可顯著減小對周邊環(huán)境與道路的影響，具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。國內(nèi)外學(xué)者對此類力學(xué)機(jī)理引起的沉降變形做了大量的研究[2-10]。對于頂管施工引起地層變形的原理和特征，大多認(rèn)為機(jī)頭對開挖面的頂推力和壁后注漿壓力改變了前方土體的應(yīng)力狀態(tài)，從而引起地表隆起，而開挖面及內(nèi)外管徑差等施工原因造成地層損失，引起土體移向開挖面和管道外圍，地面發(fā)生沉降。頂管開挖對土體變形的影響是全方位多角度的，各施工參數(shù)對其影響程度也有所不同，本文以包頭市內(nèi)蒙古科技大學(xué)地下過街通道工程為背景，根據(jù)實(shí)測路基沉隆數(shù)據(jù)，初步分析砂性土地層頂管開挖的路基沉隆規(guī)律和影響范圍，以及不同覆土厚度的模擬，為本工程及類似工程施工提供參考。

2 工程概況

本工程為包頭市內(nèi)蒙古科技大學(xué)地下過街通道工程，本頂管工程垂直下穿阿爾丁大街，呈東西走向，連接內(nèi)蒙古科技大學(xué)的東西2個(gè)校區(qū)。通道平面呈“工”字形布置，在阿爾丁大街東西兩側(cè)各設(shè)置2個(gè)出入口，如圖1所示。通道頂進(jìn)長度為63.6 m，覆土深度約3.6～5 m，4個(gè)出入口結(jié)構(gòu)凈寬5.5 m，主通道結(jié)構(gòu)凈高3.3 m，出入口結(jié)構(gòu)凈高3～3.3 m，通道頂板、側(cè)墻、底板厚度0.5～0.8 m，通道最大埋深約10.95 m。矩形管廊內(nèi)截面規(guī)格為4 m×6 m(外截面規(guī)格5 m×7 m)，壁厚0.5 m。頂管工作井尺寸12 m×12 m，開挖深度為11.45 m，接收井尺寸為11.6 m×9.6 m，開挖深度為11.30 m。工作井底板厚為1 m，內(nèi)襯墻高為8.45 m，厚度為1 m，頂板厚度為0.7 m。接收井底板厚0.8 m，內(nèi)襯墻高8.2 m，厚度為0.8 m，頂板厚度為0.6 m。場地示意如圖1。

圖1 工程平面位置示意圖Fig.1 Engineering plane sketch

本次頂管穿越的土層主要由粉砂、礫砂、圓礫層所組成，此區(qū)域土體松散，力學(xué)性能不穩(wěn)定，易發(fā)生塌陷，引起失穩(wěn)。地下通道與地層關(guān)系，如圖2。

圖2 地下通道與地層關(guān)系圖Fig.2 Soil strata in relation to the underground passage

在矩形頂管施工的線路上存在多處“鈣結(jié)層”，頂進(jìn)區(qū)域外徑×高為4.34 m×6.54 m，具有較高的密實(shí)度，每層鈣結(jié)層厚度為0.1～0.4 m，硬度較大且排布分散。頂管在夾雜多層鈣結(jié)層的地層間推進(jìn)，開挖面前方極易出現(xiàn)土壓力失衡現(xiàn)象，進(jìn)而引起頂進(jìn)軸線的偏差。普通的頂管機(jī)頭順利穿越鈣結(jié)層有一定難度。針對這一問題，施工單位對機(jī)頭的6個(gè)刀盤進(jìn)行了適當(dāng)改良，各增加了7把合金滾刀，使機(jī)頭具備了更強(qiáng)悍的穿透能力，保證了頂管施工的順利進(jìn)行。圖3為改良后刀盤布置圖。在頂進(jìn)過程中，增加對軸線、標(biāo)高及地表的沉降監(jiān)測，出現(xiàn)問題及時(shí)調(diào)整頂速和參數(shù)，并做好糾偏準(zhǔn)備。

圖3 刀盤布置Fig.3 Arrangement of cutters

3 頂管施工實(shí)測數(shù)據(jù)分析

3.1 測點(diǎn)布置

沿阿爾丁大街選取布置的3條沉降觀測斷面，每條測線包括7個(gè)測點(diǎn)，編號為DS1—DS21。測點(diǎn)間距按照近密遠(yuǎn)疏的原則布置，沉降觀測點(diǎn)由通道軸線向建設(shè)路兩側(cè)方向延伸間距分別為5，7，10 m，測量斷面上的中心點(diǎn)位于軸線上。距離始發(fā)井最近為斷面3(DS15—DS21)，距始發(fā)井17.5 m左右；斷面2(DS8—DS14)距始發(fā)井約為33.64 m；斷面1(DS1—DS7)距始發(fā)井約為48.06 m。沉降監(jiān)測點(diǎn)具體平面布置如圖4所示。測點(diǎn)埋設(shè)如圖5所示。

圖4 沉降監(jiān)測點(diǎn)平面布置Fig.4 Plane layout of settlement monitoring points

圖5 測點(diǎn)埋設(shè)示意圖Fig.5 Schematic diagram of measurement points embedding

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

頂管穿越地層為粉砂、礫砂層，由于此地層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，密度不均勻，增大施工難度，頂進(jìn)過程難以保證沿軸線方向，穿越時(shí)路面極易產(chǎn)生變形；而且礫層中的石英含量較高，對刀盤、刀具磨損相對較大[11]。

對頂進(jìn)過程中軸線上的縱向測點(diǎn)DS4,DS11,DS18進(jìn)行分析，如圖6所示。圖中縱坐標(biāo)軸上數(shù)字為正，表示隆起；負(fù)值表示沉降。

圖6 各測點(diǎn)縱向沉降曲線Fig.6 Curves of longitudinal settlement at measuring points

通過對圖6頂進(jìn)軸線地表位移的分析可知，3個(gè)中軸點(diǎn)的隆起值均未超過控制值0.01 m，總趨勢是先隆起，后沉降，并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。原因是頂管機(jī)對開挖面正面的土體產(chǎn)生反向土壓力及機(jī)體與后續(xù)管節(jié)管壁對周圍土體的摩擦力使土體發(fā)生向前上方的位移，即表現(xiàn)為隆起。隨著頂進(jìn)的深入，隆起值達(dá)到最大并處于穩(wěn)定狀態(tài)。最后出現(xiàn)沉降并回歸初始狀態(tài)是由于頂管機(jī)的擾動(dòng)作用造成的地層損失、管節(jié)內(nèi)外管徑差、糾偏空隙及土體的固結(jié)沉降等因素造成的。

基于頂管穿越時(shí)橫向影響范圍較大，著重對斷面3的沉降變形進(jìn)行探究，斷面3的測點(diǎn)橫向沉降曲線如圖7(a)所示。距軸線距離以頂進(jìn)方向左為負(fù)值、右為正值。L表示機(jī)頭至斷面3的距離，正值表示機(jī)頭通過斷面3后至斷面3的距離，負(fù)值表示機(jī)頭未達(dá)斷面3時(shí)至斷面3的距離。

由圖7(a)可知，頂管機(jī)頭遠(yuǎn)離斷面3時(shí)，地面所產(chǎn)生的沉降值較小，隨著頂進(jìn)的持續(xù)，前方土體遭受擠壓，產(chǎn)生“擠土效應(yīng)”，該測線處地表微微隆起。當(dāng)機(jī)頭靠近斷面時(shí)，擠土壓力變大，土體受到擠壓后地表出現(xiàn)隆起；隨著機(jī)頭靠近到一定距離時(shí)，地表產(chǎn)生輕微沉降，這是因?yàn)橐欢ㄍ馏w的開挖引起地層荷載的重分布，土體損失后地面發(fā)生沉降。

當(dāng)頂管機(jī)頭通過斷面3時(shí)，地表產(chǎn)生沉降。這是由于頂管機(jī)頭與后續(xù)管節(jié)的管徑差、機(jī)頭糾偏和注漿等因素，導(dǎo)致剪切滑動(dòng)面的形成，使周圍土體產(chǎn)生剪切應(yīng)力，引起土體移動(dòng)，從而產(chǎn)生地表沉降。由該監(jiān)測斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知：頂管機(jī)頂進(jìn)過程中，位于軸線10 m左右范圍內(nèi)為主要影響區(qū)域，在此范圍內(nèi)沉降槽體積約占總體積的90%，軸線上的觀測點(diǎn)較周邊的點(diǎn)沉降值大，在距軸線±5 m的范圍外，地面變形很小，可認(rèn)為該區(qū)域在頂管作業(yè)的影響之外。通過隨后的監(jiān)測分析，繪制斷面3測點(diǎn)橫向沉降曲線，如圖7(b)所示。此過程是從斷面3開始向前頂進(jìn)8 m，即從17.5 m到25.5 m。

從圖7(b)可知，在L=0 m時(shí)，圖7(a)中L=0 m時(shí)的沉降槽曲線與圖7(b)中L=0 m沉降槽曲線不同，圖7(a)中頂管機(jī)靠近到L=0 m時(shí)，地面又發(fā)生沉降，原因是下部土體的開挖引起上部土體卸載，開挖面周圍的土體因應(yīng)力松弛而開始向外膨脹，從而引起土體移動(dòng)，即地面發(fā)生沉降。圖7(b)中在L=0 m時(shí)，地面先隆起，這是由于土體受到頂管機(jī)向外擠壓導(dǎo)致的。

圖7 頂管機(jī)頭至斷面3不同距離下各測點(diǎn)橫向沉降曲線Fig.7 Curves of horizontal settlement of measuring points with different distances from the machine head to section 3

頂管機(jī)通過后，斷面上的監(jiān)測點(diǎn)繼續(xù)沉降，且沉降速率增大，中軸點(diǎn)變化最大，即在L=8 m時(shí)，中軸點(diǎn)最大沉降值為20.74 mm。各點(diǎn)出現(xiàn)沉降，這是由于工具頭外殼與管節(jié)之間的內(nèi)外管徑差引起的間隙和土體因應(yīng)力松弛而收斂所致，合理注漿補(bǔ)強(qiáng)，可提高土體強(qiáng)度，減緩沉降，使沉降趨于穩(wěn)定。在監(jiān)測結(jié)束以后，斷面各點(diǎn)的地表沉降均有所減小，且逐漸趨于穩(wěn)定，此過程超靜孔隙水壓力下降，為土體的固結(jié)效應(yīng)，將持續(xù)很久。

基于Peck公式，計(jì)算地表最大沉降值。即

其中：

假設(shè)smax為開挖隧道中心線的正上方所引起的沉降，理論上應(yīng)該是沉降的最大值；A為隧道開挖的面積；Vl為地層損失率，為地表沉降槽的面積與隧道開挖的面積之比，以百分比表示；K為沉降槽寬度參數(shù)；z0為隧道軸線埋深；i為曲線的拐點(diǎn)至隧道中心的距離，稱為沉降槽寬度系數(shù)；x為從隧道中心線對應(yīng)的地面點(diǎn)到所計(jì)算點(diǎn)的水平距離。由于上覆土層為粉砂與礫砂，試取沉降槽寬度參數(shù)K為0.25～0.45。通道中心線埋深為7.17 m，上覆土層為5 m。假定地層損失率Vl為0.4%～0.65%，單位長度地層損失為Vs=AVl，其中A=4.34 m×6.54 m=28.38 m2。

圖8為不同的Vl和K值時(shí)的地表沉降值?；诎^市的地層條件采用矩形土壓平衡頂管法修建地下通道時(shí)可以采用Peck公式對地表沉降進(jìn)行預(yù)測，斷面3的最大地表沉降值為20.74 mm，與通道開挖25.5 m時(shí)的實(shí)測值進(jìn)行對比，建議參數(shù)Vl取為0.4%～0.65%，沉降槽寬度參數(shù)K取值范圍為0.3～0.45。

圖8 不同的Vl和K值時(shí)的地表沉降值Fig.8 Ground surface subsidence in the presence of different Vl and K values

對地層損失率Vl與沉降槽寬度參數(shù)K的建議取值范圍進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)Vl取0.4%，沉降槽寬度參數(shù)K取0.4時(shí)，最大沉降值和該斷面上任意點(diǎn)的沉降值計(jì)算如下:

此時(shí)斷面各監(jiān)測點(diǎn)的沉降值與Peck公式預(yù)測的理論值的對比如圖9所示。

圖9 實(shí)測值與Peck公式法預(yù)測沉降值對比Fig.9 Comparison of settlement between measured value and predicted value by Peck’s formula

從圖9可知：當(dāng)Vl取0.4%，沉降槽寬度參數(shù)K取0.4時(shí)，實(shí)測值與Peck公式法的預(yù)測結(jié)果曲線擬合較好。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，為了嚴(yán)格控制地表沉降變形，頂管在通過礫砂-粉砂土層時(shí)的地表沉降速率控制值為3 mm/d，沉降值控制在25 mm，隆起控制值為10 mm，報(bào)警值為控制值的70%，初期根據(jù)2次/d的頻率進(jìn)行監(jiān)測，后期根據(jù)其影響范圍調(diào)整。根據(jù)地表沉降變形，做到連續(xù)均衡施工，使土壓力的設(shè)定值調(diào)整到最佳狀態(tài)，且嚴(yán)格控制出土量，防止欠挖或超挖，以確保工程科學(xué)有效地進(jìn)行。

4 頂管施工數(shù)值模擬

4.1 有限元模型的建立

運(yùn)用三維有限元模型對頂管施工過程進(jìn)行模擬，研究地表沉降變化特性。在FLAC-3D條件下建模并運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)隧道開挖和管道的頂進(jìn)過程模擬，依次向前推進(jìn)一個(gè)管節(jié)長度，鈍化開挖土單元，激活頂管機(jī)和管節(jié)等相關(guān)單元，如此往復(fù)循環(huán)來模擬連續(xù)頂進(jìn)過程。頂管穿越區(qū)如圖10(a)所示，開挖網(wǎng)格劃分如圖10(b)所示。通道全長64.5 m，頂管通道外徑為4.5 m×6.5 m，凈空斷面為3.3 m×5.5 m，中心埋深為7.52 m，假設(shè)土層不考慮滲流作用及地下水變化的影響，在土體不發(fā)生固結(jié)排水、體積不變情況下進(jìn)行探究。為了使模擬過程更接近實(shí)際，計(jì)算過程及參數(shù)選取依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工程圖設(shè)定，沿中軸線向左右2邊各擴(kuò)展33.25 m。垂直頂進(jìn)方向?yàn)閤軸(0～135 m)，平行頂進(jìn)方向?yàn)閥軸(0～66.5 m)，土體深度方向?yàn)閦軸(0～20 m)。

圖10 頂管穿越區(qū)及其開挖網(wǎng)格劃分Fig.10 Meshing of the pipe jacking crossing area and its excavation area

4.2 本構(gòu)模型

4.2.1 本構(gòu)關(guān)系的選取

頂管穿越地層為礫砂-粉砂層，本文模型選用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則(Mohr-Coulomb)的理想彈塑性本構(gòu)模型。

4.2.2 邊界條件的選取

模型在橫向和縱向邊界上設(shè)置為變形為0的簡支邊界，在豎直方向上，模型的上表面設(shè)為自由邊界，底部邊界設(shè)置為豎直變形為0的簡支邊界。

4.2.3 地層物理特性參數(shù)的選取

根據(jù)工程的地勘報(bào)告，地層的物理性質(zhì)參數(shù)的選取如表1，土層的計(jì)算參數(shù)選取以各土層參數(shù)的平均值為標(biāo)準(zhǔn)值，并且為了計(jì)算簡便，選擇適當(dāng)合并力學(xué)性質(zhì)相近的地層，簡化后的計(jì)算參數(shù)見表2。

表1 地層的物理參數(shù)選取Table 1 Physical parameters of soil strata

表2 計(jì)算參數(shù)表Table 2 Calculation parameters

4.2.4 模型的建立

合理地對開挖面所處的土層進(jìn)行簡化，并依據(jù)研究問題的重點(diǎn)確定模型的精度是數(shù)值模擬的關(guān)鍵，因此，應(yīng)根據(jù)工程的地質(zhì)勘察報(bào)告結(jié)合地層分布建立模型。

考慮到地下通道的橫斷面尺寸和頂進(jìn)長度，擬定模型的長、寬、高分別為135，66.5，20 m，選用Brick基本網(wǎng)格單元體對土層進(jìn)行剖分，利用網(wǎng)格劃分對開挖的土體進(jìn)行加密，遠(yuǎn)離頂進(jìn)范圍區(qū)域的網(wǎng)格劃分適當(dāng)放寬，從而有利于計(jì)算精度和時(shí)間的均衡。工程地質(zhì)概念模型剖面示意如圖11(a)所示，橫斷面尺寸如圖11(b)所示。

圖11 模型剖面示意圖及模型橫斷面尺寸Fig.11 Schematic diagram of model profile and dimensions of cross section

4.3 數(shù)值計(jì)算模擬的有效性驗(yàn)證

為了保證模型建立和計(jì)算參數(shù)選取的科學(xué)合理性，在頂進(jìn)25.5 m時(shí)，對頂管穿越斷面3引起的地表沉降進(jìn)行實(shí)測值與模擬值的對比分析，如圖12所示。

圖12 實(shí)測值與模擬值的對比圖Fig.12 Comparison between measured values and simulated values

頂管施工對地表沉降影響范圍由軸線分別向兩邊延伸約10 m，且由中心向兩側(cè)呈遞減趨勢。頂進(jìn)至25.5 m時(shí)斷面3實(shí)測中軸點(diǎn)最大沉降為20.74 mm，而模擬值為15.10 mm，模擬值較實(shí)測值略小且大體接近，證明實(shí)測值沉降槽形態(tài)與模擬曲線基本吻合，該模擬過程對本工程有效。

4.4 不同覆土厚度的數(shù)值模擬結(jié)果分析

基于原模型，對不同覆土深度下地表沉降進(jìn)行模擬。將頂進(jìn)位置分別移動(dòng)至埋深為4～8 m的范圍內(nèi)，在其他參數(shù)不變的基礎(chǔ)上模擬頂管施工對地表沉降的影響，見圖13。

圖13 不同覆土厚度斷面3處的地表沉降曲線Fig.13 Curves of surface settlement at section 3 in the presence of different thickness of covering soil

圖14 不同埋深地表位移云圖Fig.14 Surface displacements with different buried depths

從圖13可以看出，埋深為4.5 m時(shí)，模擬結(jié)果的最大值為18.56 mm，埋深為8 m時(shí)，模擬的最大沉降值為3.60 mm，即隨著覆土厚度的增加，地表沉降逐漸減小。埋深為6 m時(shí)，最大沉降值為7.3 mm，埋深為8 m時(shí)，最大沉降值為3.60 mm，此時(shí)沉降值已經(jīng)很小。即埋深>頂管外徑的1.3倍時(shí)沉降值較小，地表主要表現(xiàn)為沉降。

由圖14(a)和圖14(b)可以看出，埋深為4.5 m時(shí)地表沉降的范圍比埋深為8 m時(shí)地表沉降的范圍要小，隆起范圍相對較大，但隆起值較小。

由圖14(c)可以看出，埋深為4 m時(shí)的地表最大沉降為49.66 mm，橫向±5.25 m范圍內(nèi)的沉降值為25～49.66 mm。

5 結(jié) 論

綜合以上分析，可以得到如下結(jié)論：

(1)頂管在礫砂-粉砂地層中施工時(shí)以2次/d頻率進(jìn)行監(jiān)測，地表沉降應(yīng)控制在3 mm/d，隆起控制值為10 mm，沉降控制值為25 mm，報(bào)警值為控制值的70%。初期根據(jù)2次/d的頻率進(jìn)行監(jiān)測，后期根據(jù)其影響范圍調(diào)整。

(2)頂進(jìn)時(shí)軸線上的縱向測點(diǎn)變形總趨勢是先隆起，后沉降，并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。對于橫斷面的研究，位于軸線10 m左右范圍內(nèi)為主要影響區(qū)域，在此范圍內(nèi)沉降槽體積約占總體積的90%，軸線上的觀測點(diǎn)較周邊的點(diǎn)沉降值大，在距軸線±5 m的范圍外，地面變形很小，可認(rèn)為該區(qū)域在頂管作業(yè)的影響之外。

(3)基于Peck公式進(jìn)行地表變形預(yù)測，當(dāng)?shù)貙訐p失率Vl取0.4%，沉降槽寬度參數(shù)K取0.4時(shí)實(shí)測值與Peck公式法的預(yù)測結(jié)果曲線擬合較好。

(4)頂管穿越時(shí)，對覆土深度為4～8 m的頂管施工進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明隨著覆土 深度的增加，地表沉降值逐漸減小，且沉降范圍逐漸增大。埋深較小時(shí)地表隆起范圍較大，但隆起值較小。