大斷面矩形頂管隧道施工引起的地面沉降分析

李明宇，王 松，張維熙，吳 鵬

(1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.地下工程安全與質(zhì)量控制河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001；3.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；4.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南 鄭州 450046)

因矩形頂管施工對(duì)地面開(kāi)挖影響小，矩形頂管隧道斷面利用率比圓形頂管隧道高20%[1]，近些年在城市過(guò)街通道、立交隧道、綜合管廊等工程中得到了廣泛應(yīng)用。相應(yīng)地矩形頂管隧道施工過(guò)程中引發(fā)的地面沉降問(wèn)題也逐漸增多。文獻(xiàn)[2-6]等對(duì)各工程中地面沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，給出了相應(yīng)的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[7-8]通過(guò)數(shù)值模擬分析了矩形頂管隧道施工參數(shù)變化對(duì)地面沉降的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[9-10]通過(guò)數(shù)值模擬分析了矩形頂管施工對(duì)地下管線和建筑物變形的影響。

上述文獻(xiàn)中大多數(shù)工程為單線隧道和管道工程，并且隧道寬度一般小于9 m，高度一般小于7 m，覆土厚度約為0.8D～1.1D(D為矩形頂管隧道等效為圓形頂管隧道后的隧道外徑)。本項(xiàng)目為鄭州市下穿中州大道的雙線矩形頂管隧道工程。2條矩形隧道斷面尺寸分別為7.5 m(高)×10.4 m(寬)和4.2 m(高)×6.9 m(寬)，覆土厚度分別為5.5 m和5.0 m。由于2條 矩形隧道的斷面尺寸較大，覆土厚度較淺，水平間距(僅2.5 m)又小，因此雙線隧道施工擾動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境的影響問(wèn)題越發(fā)突出。本文總結(jié)和分析該工程施工中地面沉降規(guī)律，以期對(duì)類似工程中矩形頂管選型設(shè)計(jì)和施工參數(shù)優(yōu)化提供參考。

1 工程概況

鄭州市下穿中州大道的矩形頂管隧道[11]分為3個(gè) 標(biāo)段，分別為明挖基坑段、淺埋暗挖段和矩形頂管段。其中矩形頂管段下穿中州大道長(zhǎng)110 m，2條隧道分別由大矩形頂管和小矩形頂管平行頂進(jìn)完成。大頂管先行施工，100 d后小頂管開(kāi)始施工。頂進(jìn)速度：大頂管平均2 m/d，小頂管平均3 m/d。刀盤(pán)轉(zhuǎn)速：大刀盤(pán)0～0.94 r/min，小刀盤(pán)0～2.2 r/min。螺旋機(jī)最大出土量為520 m3/h，螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速為1～16 r/min。頂力：大頂管約 107 350 kN，小頂管約 50 290 kN。出土量：大頂管每節(jié)約102 m3，小頂管每節(jié)約43 m3。

工程所處地貌單元為黃河一級(jí)階地，地勢(shì)平坦。隧道主要穿越粉土層和粉質(zhì)黏土層。沿線勘探深度范圍內(nèi)，孔隙潛水主要存在于粉土層中，地下水位埋深3.6～8.5 m；微承壓水主要儲(chǔ)存于粉砂與細(xì)砂層中，地下水位埋深15.0 m。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與結(jié)果分析

2.1 監(jiān)測(cè)方案

隧道施工中采用Leica TC15全站儀對(duì)中州大道地面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)原則：沿矩形頂管掘進(jìn)方向在隧道軸線上方對(duì)應(yīng)地面上，每間隔5 m布設(shè)1個(gè)地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。沿矩形頂管掘進(jìn)方向每間隔10 m布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，一共布設(shè)了11個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上布設(shè)8個(gè)地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖1所示。

圖1 地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.2.1 橫斷面方向地面沉降影響范圍

3#監(jiān)測(cè)斷面地面累計(jì)沉降曲線見(jiàn)圖2。可知：大、小矩形頂管隧道軸線上方地面累計(jì)沉降最大值分別為86，68 mm。由于2條隧道水平間距較小，大、小頂管隧道先后施工疊加擾動(dòng)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)點(diǎn)(3-4，3-5)處地面沉降規(guī)律發(fā)生改變(見(jiàn)圖2(b)中橢圓區(qū)域)。

圖2 3#監(jiān)測(cè)斷面地面累計(jì)沉降曲線

因每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面僅布設(shè)了8個(gè)測(cè)點(diǎn)，所獲得的地面累計(jì)沉降曲線并不完整，不能反映出大、小矩形頂管隧道施工擾動(dòng)對(duì)地面沉降的實(shí)際影響范圍。為此，本文將2條隧道的矩形斷面等效為圓形斷面，并采用Peck公式[12]對(duì)2條隧道施工引起的地面沉降進(jìn)行計(jì)算分析。

(1)

(2)

(3)

式中:x為距隧道軸線的水平距離，m；S(x)為x處地面沉降量，m；Smax為隧道軸線上方地面累計(jì)沉降最大值，m；i為地面沉降槽寬度系數(shù)，m；h為矩形頂管隧道軸線至地面的垂直距離，大、小矩形頂管隧道軸線至地面的垂直距離分別為9.25，7.10 m；D為隧道等效外徑，大、小頂管隧道等效外徑分別為9.96，6.08 m；n為冪函數(shù)指數(shù)，取0.5；H，L分別為隧道的高度和寬度，m。

根據(jù)GB 50308—2008《地鐵軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》，計(jì)算中假定:當(dāng)?shù)孛娉两当O(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量不超過(guò)1 mm時(shí)，視為矩形頂管隧道施工未對(duì)該處地面變形產(chǎn)生影響。將該地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)到矩形頂管隧道軸線上方地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平距離確定為矩形頂管隧道施工引起的地面沉降影響范圍。

通過(guò)計(jì)算得到地面累計(jì)沉降擬合曲線，見(jiàn)圖3?？芍孩俅缶匦雾敼芩淼朗┕?duì)地面沉降的影響范圍為14.6 m，約為大矩形頂管隧道寬度(10.4 m)的1.4倍或大頂管隧道等效外徑(9.96 m)的1.5倍；②小矩形頂管隧道施工對(duì)地面沉降的影響范圍為10 m，約為小矩形頂管隧道寬度(6.9 m)的1.5倍或小頂管隧道等效外徑(6.08 m)的1.6倍。該影響范圍與文獻(xiàn)[8]給出的地面沉降影響范圍(矩形隧道寬度的1.5倍)比較接近，但小于文獻(xiàn)[6]給出的地面沉降影響范圍(矩形隧道寬度的2.0倍)；③2條隧道疊加施工形成的地面沉降槽呈駝峰形。

圖3 地面累計(jì)沉降擬合曲線

2.2.2 縱斷面方向地面沉降影響范圍

以監(jiān)測(cè)點(diǎn)3-4和3-5為例分析縱斷面方向地面沉降規(guī)律。

地面累計(jì)沉降時(shí)程曲線見(jiàn)圖4?？芍?，2條隧道從刀盤(pán)到達(dá)3#監(jiān)測(cè)斷面到管節(jié)脫離機(jī)尾7 d沉降明顯，之后監(jiān)測(cè)點(diǎn)3-4和3-5處地面沉降趨于穩(wěn)定。在大、小矩形頂管隧道施工過(guò)程中，地面沉降分為刀盤(pán)到達(dá)前、盾殼通過(guò)和管節(jié)脫離機(jī)尾后3個(gè)階段。第1階段：為了減小后期沉降量，往往通過(guò)調(diào)整土倉(cāng)壓力使切口處地面微隆起。而本工程施工時(shí)土倉(cāng)壓力設(shè)置較小，導(dǎo)致大頂管刀盤(pán)到達(dá)3#監(jiān)測(cè)斷面時(shí)地面發(fā)生沉降，而小頂管刀盤(pán)到達(dá)3#監(jiān)測(cè)斷面時(shí)地面隆起較嚴(yán)重。第2階段：為了減小殼體與周?chē)馏w的摩擦，將頂管機(jī)殼體設(shè)計(jì)為倒錐形，前殼與后殼鉸接，后殼半徑比前殼小約2 cm，導(dǎo)致盾殼通過(guò)時(shí)周?chē)馏w向殼體移動(dòng)，進(jìn)而引起地面沉降。第3階段：頂管機(jī)機(jī)尾建筑空隙為2 cm，施工中采取同步注漿(填充率150%)以減小頂進(jìn)對(duì)地層的擾動(dòng)，控制機(jī)尾地面沉降，然而由于前后殼鉸接處漏漿，無(wú)法保證同步注漿壓力，以致2條隧道管節(jié)脫離機(jī)尾時(shí)產(chǎn)生較大地面沉降。

圖4 地面累計(jì)沉降時(shí)程曲線

圖5 地面累計(jì)沉降與大、小頂管累計(jì)頂進(jìn)距離關(guān)系曲線

地面累計(jì)沉降與大、小頂管累計(jì)頂進(jìn)距離關(guān)系曲線見(jiàn)圖5?？芍孩傩【匦雾敼艿侗P(pán)距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)3-3 20.8 m時(shí)，開(kāi)始對(duì)該點(diǎn)地面變形產(chǎn)生影響。小矩形頂管頂進(jìn)施工對(duì)刀盤(pán)前方土體的擾動(dòng)范圍約為小矩形頂管隧道寬度的3.0倍，小頂管隧道等效外徑的3.4倍。小矩形頂管機(jī)的機(jī)尾距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)3-3 29.2 m(約為小矩形頂管隧道寬度的4.2倍，小頂管隧道等效外徑的4.8倍)時(shí)，地面沉降趨于穩(wěn)定。②大矩形頂管刀盤(pán)距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)3-6 13.1 m時(shí)，開(kāi)始對(duì)該點(diǎn)地面沉降產(chǎn)生影響。大矩形頂管頂進(jìn)施工對(duì)刀盤(pán)前方土體的擾動(dòng)范圍約為大矩形頂管隧道寬度的1.3倍，大頂管隧道等效外徑的1.3倍。大矩形頂管機(jī)的機(jī)尾距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)3-6 21.3 m(約為大矩形頂管隧道寬度的2.0倍，大頂管隧道等效外徑的2.1倍)時(shí)，地面沉降趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)淺覆粉土中大小矩形頂管隧道疊加施工引起的地面沉降規(guī)律的分析，得到如下結(jié)論：

1)大、小矩形頂管隧道平行施工導(dǎo)致的地面沉降槽呈駝峰形，峰值點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)大、小矩形頂管隧道的軸線。

2)大矩形頂管隧道施工時(shí)，橫斷面地面沉降影響范圍約為大矩形頂管隧道寬度的1.4倍(大頂管隧道等效外徑的1.5倍)；小矩形頂管隧道施工時(shí)，橫斷面地面沉降影響范圍約為小矩形頂管隧道寬度的1.5倍(小頂管隧道等效外徑的1.6倍)。矩形頂管機(jī)管節(jié)脫離機(jī)尾7 d后地面沉降趨于穩(wěn)定。

3)將頂管機(jī)殼體設(shè)計(jì)為倒錐形時(shí)，增加錐度可以有效減小頂管與周?chē)馏w的摩擦力，但同時(shí)也會(huì)增大地面沉降。前后殼鉸接處漏漿和土倉(cāng)壓力設(shè)置不合理也會(huì)導(dǎo)致地面沉降過(guò)大。

4)大矩形頂管頂進(jìn)施工對(duì)刀盤(pán)前方土體的擾動(dòng)范圍約為大矩形頂管隧道寬度的1.3倍，小矩形頂管頂進(jìn)施工對(duì)刀盤(pán)前方土體的擾動(dòng)范圍約為小矩形頂管隧道寬度的3.0倍。