雙艙大斷面頂管在城市綜合管廊中的應(yīng)用

邢冬冬，敖 輝，戴鄭新，盧志飛

(1. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210019； 2. 江蘇南京地質(zhì)工程勘察院，南京 210041)

英國倫敦、法國巴黎和德國漢堡等歐洲城市早在19世紀(jì)就已建成第一批綜合管廊[1]。我國的綜合管廊建設(shè)起步較晚，目前我國綜合管廊建設(shè)已進(jìn)入第五個(gè)發(fā)展階段[2]，建設(shè)地點(diǎn)從新區(qū)逐步向老城區(qū)轉(zhuǎn)移。相比新區(qū)管廊的建設(shè)，老城區(qū)管廊建設(shè)更加復(fù)雜，沿線的建筑、管線等設(shè)施以及施工過程中的交通疏解方式均會(huì)影響管廊建設(shè)。

在老城區(qū)內(nèi)建設(shè)綜合管廊，須對(duì)無法改遷的大直徑、大斷面管線進(jìn)行處理，通常采用頂管法、盾構(gòu)法和管幕施工法等暗挖方法。不同方法對(duì)已有管線的影響程度不同，其中頂管法在穿越老城區(qū)既有建(構(gòu))筑物時(shí)有較大施工優(yōu)勢(shì)。國內(nèi)外關(guān)于頂管對(duì)周邊環(huán)境影響機(jī)理的研究已有很多，Oreste[3]、Sagaseta[4]以及Loganathan等[5]從理論角度提出頂管假設(shè)和頂管引起地面沉降的計(jì)算方法。Li等[6]、Jenck等[7]以及吳修鋒[8]通過數(shù)值計(jì)算的方式，分析了頂管在不同施工條件下對(duì)周邊環(huán)境的影響規(guī)律。Pellet-beaucour等[9]、Milligan等[10]以及顧楊等[11]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析，提出了管與土全接觸假設(shè)、管與土摩擦作用機(jī)理與頂管尺寸效應(yīng)等。

基于南京揚(yáng)子江大道綜合管廊工程，以雙艙頂管下穿大直徑給水管節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究管廊頂管下穿大直徑鋼制給水管期間對(duì)給水管的影響，以及施工過程中的變形控制方案，為類似工程提供參考。

1 工程概況

南京揚(yáng)子江大道綜合管廊工程是南京主城區(qū)干線管廊環(huán)線工程的重要組成部分，本次綜合管廊實(shí)施范圍北起揚(yáng)子江隧道南出口接地點(diǎn)，南至河西大街，全長(zhǎng)約為7 km。管廊采用雙艙斷面，分為電力艙和綜合艙，將其中3回110 kV電力電纜和4回220 kV電力電纜納入電力艙內(nèi)；將DN1600給水管、10 kV 電力電纜和通信線纜納入綜合艙內(nèi)。斷面凈尺寸為(3.1 m+5.4 m)×3.2 m，結(jié)構(gòu)尺寸為9.8 m×4.2 m，綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。

圖1 綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：mm)

沿線采用頂管下穿法的構(gòu)筑物主要包含：①樁號(hào)GLK1+993～GLK2+056.958范圍內(nèi)3根給水干管；②樁號(hào)GLK3+900處220 kV電力管溝；③樁號(hào)GLK6+295處D2000污水主管。

以頂管下穿供水主管作為研究對(duì)象，綜合管廊沿線下穿構(gòu)筑物位置如表1所示。

表1 綜合管廊沿線下穿構(gòu)筑物位置

為節(jié)約成本，將明挖雙艙管廊斷面優(yōu)化為相同尺寸的雙艙頂管斷面，雙艙頂管標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖2所示。依次進(jìn)行頂進(jìn)，結(jié)構(gòu)尺寸為6.5 m×4.3 m，管片厚度為0.5 m，考慮工作井規(guī)模及場(chǎng)地限制等因素，控制雙艙頂管水平凈距為1.5 m。

圖2 雙艙頂管標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：mm)

擬建場(chǎng)地位于典型的長(zhǎng)江漫灘地貌區(qū)域，表層為厚薄不均的人工填土，上部為第四系全新統(tǒng)(Q4)新近沉積的粉質(zhì)黏土、粉土夾粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土，中部為一般沉積(Q4)的粉砂夾粉質(zhì)黏土和粉砂，下部為上更新統(tǒng)(Q3)沉積的礫砂層，下覆基巖為白堊系浦口組(K2P)粉砂質(zhì)泥巖。頂管所在范圍內(nèi)均為富水軟土地層，壓縮模量小且變形敏感，主要土層參數(shù)如表2所示。

表2 主要土層參數(shù)

2 頂管施工引起的變形過程分析

地下工程施工時(shí)會(huì)對(duì)周邊土體產(chǎn)生影響，導(dǎo)致地層應(yīng)力重分布，從而引起地層的變形，如何減少施工過程中對(duì)周邊土體的影響是地下工程研究的主要問題。

頂管法是較為成熟的一種暗挖工法，施工過程中導(dǎo)致地層應(yīng)力變化的因素有很多，通過把握主要影響因素，有針對(duì)性地進(jìn)行控制，可有效減少頂管施工過程中的地層變形。根據(jù)相關(guān)研究成果，頂管施工過程中地層變形的主要影響因素有以下4種。

1) 頂管內(nèi)土方開挖的影響

頂管頂進(jìn)過程中，需要不斷開挖頂管前方土體，將其置換為管片結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致地層內(nèi)部總應(yīng)力不斷減小，從而產(chǎn)生地層變形。

2) 頂推力的影響

頂管前進(jìn)的動(dòng)力來自頂管后靠背處千斤頂?shù)牟粩囗斖啤ＧЫ镯數(shù)捻斖屏χ苯佑绊戫敼軝C(jī)前方的土壓力變化，剩余頂推力小于頂管機(jī)前方土壓力，可能導(dǎo)致頂管機(jī)前方土體坍塌，從而引起沉降；剩余頂推力大于頂管機(jī)前方土壓力，可能導(dǎo)致頂管機(jī)前方土體產(chǎn)生隆起。

3) 管節(jié)外側(cè)注漿的影響

管節(jié)外側(cè)注漿分2種：一種為頂進(jìn)過程中填充觸變泥漿，主要起減少管節(jié)與土體之間摩擦并減小頂進(jìn)阻力的作用；另一種為頂進(jìn)完成后，采用雙液漿或水泥漿替換觸變泥漿的注漿，可以減少頂管引起的地層沉降，降低后期滲漏水的風(fēng)險(xiǎn)。

4) 頂管機(jī)進(jìn)出洞的影響

進(jìn)出洞是頂管施工中難度和風(fēng)險(xiǎn)最高的環(huán)節(jié)，頂管進(jìn)出洞加固、洞門止水環(huán)與降水施工等的質(zhì)量直接影響頂管進(jìn)出洞的安全性。本研究主要考慮頂管頂進(jìn)過程中的影響。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

采用專業(yè)有限元軟件ABAQUS對(duì)頂管開挖施工的全過程進(jìn)行分析。土層、既有構(gòu)筑物以及綜合管廊管節(jié)均采用實(shí)體單元，結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)如表3 所示。

表3 結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)

頂管施工過程中，頂管結(jié)構(gòu)與周邊土體間的相互作用較為復(fù)雜，須在工程允許精度內(nèi)對(duì)數(shù)值模擬對(duì)象進(jìn)行簡(jiǎn)化?？紤]實(shí)際情況與計(jì)算精度，本次分析采用的假定有：①小變形假設(shè)，就研究對(duì)象土體、施工技術(shù)水平和施工變形控制等條件而言，頂管開挖施工所引起的既有構(gòu)筑物變形屬于小變形問題；②對(duì)于綜合管廊和既有構(gòu)筑物等混凝土結(jié)構(gòu)，將其視作勻質(zhì)、各向同性材料，根據(jù)地質(zhì)條件描述，將地層假定為成層的各項(xiàng)同性材料；③自重應(yīng)力是唯一的初始地應(yīng)力，不考慮土體的構(gòu)造應(yīng)力；④土體材料采用摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)本構(gòu)模型，混凝土材料采用線彈性本構(gòu)模型加以描述；⑤計(jì)算中忽略地下水的滲透作用以及土的排水固結(jié)作用。

3.1 計(jì)算模型

基于已有研究，隧道開挖影響范圍按照3～5倍洞徑考慮。綜合考慮有限元分析中的邊界效應(yīng)問題，將最終模型尺寸確定為94.5 m×22.5 m×40.0 m(長(zhǎng)×寬×高)，下穿給水管斷面整體分析模型如圖3所示，頂管與既有給水管結(jié)構(gòu)相對(duì)位置如圖4所示。

圖3 下穿給水管斷面整體分析模型

圖4 頂管與既有給水管結(jié)構(gòu)相對(duì)位置

在建立數(shù)值模擬邊界條件時(shí)，對(duì)外輪廓的4個(gè)側(cè)面橫向位移進(jìn)行約束，底面采取全方向位移約束，上表面為自由面。在有限元分析中，首先進(jìn)行初始狀態(tài)的地應(yīng)力平衡，并對(duì)節(jié)點(diǎn)的位移與塑性狀態(tài)進(jìn)行歸零，以確保最終的計(jì)算結(jié)果為頂管開挖所產(chǎn)生的附加位移。按照實(shí)際施工順序逐步開挖，頂推管節(jié)直至施工結(jié)束。

隧道的開挖采用“生死單元”實(shí)施。頂管管節(jié)單元的尺寸設(shè)置為1.5 m，按照一環(huán)管節(jié)寬度的進(jìn)尺頂推。采取在開挖面上施加法向均布荷載的方式模擬頂管機(jī)掌子面推力，采用分倉頂進(jìn)的施工工序，一條線頂推完成后再進(jìn)行另一條線的頂推。

3.2 計(jì)算過程及結(jié)果

基于頂管頂進(jìn)期間對(duì)周邊環(huán)境可能產(chǎn)生的影響分析，本研究考慮3種工況：①正常條件下，頂管施工對(duì)給水管變形和地面沉降的影響；②對(duì)現(xiàn)有給水管下方2倍水管直徑范圍內(nèi)土體進(jìn)行加固后，頂管施工對(duì)給水管變形和地面沉降的影響；③頂管掌子面頂推力增加50%情況下，頂管施工對(duì)給水管變形和地面沉降的影響。

計(jì)算中考慮頂管施工過程，分別研究先行、后行兩線頂管推進(jìn)面達(dá)到給水管前方以及完全貫通4個(gè)階段的變形情況。

1) 正常條件下頂管施工對(duì)給水管的影響

頂管施工過程中給水管豎向位移云圖如圖5所示，頂管施工過程中沿給水管方向變形曲線如圖6所示，給水管所在地表最大沉降曲線如圖7所示。

注：最大豎向位移為-0.42 mm。

圖6 頂管施工過程中沿給水管方向變形曲線

圖7 給水管所在地表最大沉降曲線

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)頂管機(jī)頂進(jìn)至給水管前方時(shí)，在土體卸荷與頂推力共同作用下，上方給水管產(chǎn)生小幅沉降。當(dāng)頂管機(jī)通過后，由于機(jī)尾空隙填充不及時(shí)，給水管產(chǎn)生進(jìn)一步沉降，隨著頂管施工的進(jìn)行，沉降逐漸增大，沉降曲線的最低點(diǎn)逐漸向頂管機(jī)位置移動(dòng)，給水管最大沉降值為8.47 mm，地表最大沉降約為4.90 mm。

2) 加固對(duì)給水管的影響

為減少頂管開挖對(duì)給水管的影響，對(duì)頂管與給水管平面軸線交匯處正下方2倍給水管直徑范圍進(jìn)行加固，采用雙軸攪拌樁進(jìn)行地基加固措施。加固過程中給水管豎向位移云圖如圖8所示，沿管道軸線正上方地表最大沉降曲線如圖9所示。給水管最大沉降值為3.62 mm，地表最大沉降約為2.46 mm，與不加固情況相比，給水管沉降顯著減少。

注：最大豎向位移為-0.35 mm。

圖9 沿管道軸線正上方地表最大沉降曲線

3) 頂推力對(duì)給水管的影響

頂管頂進(jìn)過程中，頂力過大可能引起正面土體因擠壓而前移以及前方地面隆起的情況產(chǎn)生，推力過小又會(huì)影響推進(jìn)速度，并有可能造成地面沉降甚至塌陷。數(shù)值模擬時(shí)將掌子面推力增大50%，研究頂推力對(duì)給水管變形的影響。推力增大后，在頂管機(jī)開挖至給水管之前，給水管變形由沉降變?yōu)槁∑?，地表變形?guī)律與其相同。頂管施工至給水管前給水管隆起對(duì)比如圖10所示，頂管施工至給水管前地表變形曲線如圖11所示。

圖10 頂管施工至給水管前給水管隆起對(duì)比

圖11 頂管施工至給水管前地表變形曲線

無加固措施與有加固措施情況下，最大沉降計(jì)算結(jié)果如表4所示。由表4可知，頂管下穿施工所引起的給水管最大沉降為8.47 mm。

表4 最大沉降計(jì)算結(jié)果 (mm)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，通過設(shè)置加固可以有效減少管線和地表的變形，但無論加固與否，管線和地表的變形均在10 mm范圍內(nèi)，變形較??；頂推力的增加會(huì)導(dǎo)致給水管和地面發(fā)生隆起，頂推力對(duì)既有管線和前方土體的變形影響較明顯。

4 施工控制措施

結(jié)合頂管施工過程中引起的變形分析和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，施工控制可從以下4個(gè)方面開展。

1) 設(shè)定管線保護(hù)區(qū)

以頂管軸線與既有管道軸線的平面交點(diǎn)為圓心，以頂管結(jié)構(gòu)外輪廓最大尺寸為半徑設(shè)置管線保護(hù)區(qū)。進(jìn)入該區(qū)域時(shí)，降低頂進(jìn)速度至1 cm/min，并增加監(jiān)測(cè)頻率，設(shè)專人對(duì)同步注漿流量進(jìn)行監(jiān)控，保證其均勻有效。

2) 頂進(jìn)前做好準(zhǔn)備工作

沿線資料復(fù)查：對(duì)頂管穿越路段內(nèi)地面標(biāo)高、給水管及其他障礙物信息等重新復(fù)核，復(fù)核結(jié)果作為給水管保護(hù)及沉降控制的原始資料。

設(shè)備情況復(fù)查：頂管機(jī)頂進(jìn)前對(duì)全套設(shè)備進(jìn)行復(fù)查，確保設(shè)備狀況良好，可滿足連續(xù)頂進(jìn)需要。

布置管線、地面和深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)：沿頂進(jìn)路線布設(shè)管線、地面沉降觀測(cè)點(diǎn)，并在2條頂管之間布置測(cè)斜管，并再次確認(rèn)監(jiān)測(cè)頻率、報(bào)警值等信息，做好監(jiān)測(cè)準(zhǔn)備工作。

現(xiàn)狀給水管質(zhì)量評(píng)估：請(qǐng)專業(yè)檢測(cè)單位對(duì)現(xiàn)狀給水管進(jìn)行檢測(cè)，提供完整的現(xiàn)狀管線資料和管線質(zhì)量狀況評(píng)估報(bào)告，作為完成給水管質(zhì)量狀況評(píng)估的前置條件。

3) 頂進(jìn)中做好過程控制

控制頂進(jìn)參數(shù)：根據(jù)給水管的質(zhì)量評(píng)估報(bào)告，在頂管頂進(jìn)過程中做好參數(shù)控制措施，相關(guān)參數(shù)項(xiàng)目包含頂推力、注漿壓力、注漿速度、頂進(jìn)速度和監(jiān)測(cè)結(jié)果等。同時(shí)做好銜接，實(shí)時(shí)掌握頂進(jìn)穿越期間水管內(nèi)的流量、壓力數(shù)值等信息。

監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)跟蹤：頂進(jìn)過程中進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確、及時(shí)地了解路面和給水管的沉降情況，并在掘進(jìn)施工中根據(jù)反饋數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整各類施工參數(shù)，保證道路和給水管的安全。

風(fēng)險(xiǎn)控制措施：①當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)警值時(shí)，應(yīng)立即降低頂進(jìn)速度，增加監(jiān)測(cè)頻率，及時(shí)分析原因并采取有效措施，如調(diào)整頂進(jìn)壓力、頂進(jìn)速度以及注漿效率等；②當(dāng)沉降超過預(yù)警值和地面出現(xiàn)大變形時(shí)，及時(shí)向操作人員匯報(bào)并針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整監(jiān)測(cè)方案，現(xiàn)場(chǎng)取得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，保證施工的安全與穩(wěn)定；③根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，防止超挖和欠挖；④嚴(yán)格控制掘進(jìn)的糾偏量，盡量減少對(duì)正面土體的擾動(dòng)，尤其是在穿越管線下方掘進(jìn)時(shí)盡量做到少糾偏，以減少對(duì)正上方管線的影響。

4) 掘進(jìn)后技術(shù)把控

頂進(jìn)結(jié)束后，在始發(fā)井和接收井側(cè)3節(jié)管節(jié)注漿孔內(nèi)注入雙液漿，24 h后打開管節(jié)上注漿孔，注入水泥漿置換管片外側(cè)觸變泥漿，避免觸變泥漿泌水后引起地層沉降。

5 施工監(jiān)測(cè)

通過施工控制對(duì)本項(xiàng)目雙艙頂管進(jìn)行頂進(jìn)施工，監(jiān)測(cè)平面布置如圖12所示。頂進(jìn)完成后，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)處管線沉降結(jié)果如表5所示。工作井中間部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)處地表沉降結(jié)果如表6所示。

圖12 監(jiān)測(cè)平面布置

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，3根給水管最大累計(jì)豎向位移僅為4.1 mm，地面最大沉降僅為5.1 mm，采用頂力平衡及其他施工控制措施，將給水管和地表沉降控制在10 mm以內(nèi)，與理論計(jì)算結(jié)果接近，確保運(yùn)行中大直徑給水管的安全穩(wěn)定。

表6 工作井中間部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)處地表沉降結(jié)果 (mm)

6 結(jié)論

采用數(shù)值模擬方法，對(duì)南京揚(yáng)子江大道綜合管廊頂管過現(xiàn)狀大直徑給水管工程進(jìn)行研究，分析不同條件下頂管對(duì)給水管變形的影響，基于施工過程中的控制措施及監(jiān)測(cè)成果，得到以下結(jié)論。

(1) 對(duì)土體加固和頂力控制，均能較好控制已有地下構(gòu)筑物變形。

(2) 采用頂管下穿已有地下構(gòu)筑物時(shí)，無論單次頂進(jìn)還是2次小凈距連續(xù)頂進(jìn)，其變形均可控。

(3) 根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，通過施工過程中的控制措施，可將頂管期間地表和地下構(gòu)筑物的變形控制在毫米級(jí)，并不一定要通過對(duì)地層加固等其他方式解決。

(4) 本項(xiàng)目施工控制措施切實(shí)可行，可為類似工程提供參考。精細(xì)化的設(shè)計(jì)和施工，可減少不必要投入的同時(shí)達(dá)到預(yù)期控制目標(biāo)。