軟土地區(qū)長(zhǎng)距離大斷面矩形頂管平行施工影響機(jī)理研究

胡 文

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

矩形頂管20世紀(jì)70年代初首次在日本東京成功應(yīng)用于聯(lián)絡(luò)通道的施工之中，經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的技術(shù)積淀，已逐漸發(fā)展成一項(xiàng)可媲美盾構(gòu)的非開挖技術(shù)，在超淺覆土等條件下甚至?xí)榷軜?gòu)方案更具優(yōu)越性。隨著市政建設(shè)的蓬勃發(fā)展，近十年來(lái)矩形頂管工程已在國(guó)內(nèi)多個(gè)城市落地[1]。

盡管矩形頂管已運(yùn)用較多,但軟土地區(qū)大斷面矩形頂管平行施工的工程案例相對(duì)較少，而系統(tǒng)研究長(zhǎng)距離矩形頂管平行施工影響的文獻(xiàn)更是鮮有可循。目前關(guān)于頂管平行施工機(jī)理的研究主要集中在圓形頂管，魏綱[2]通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)圓形平行頂管施工引起的地面變形規(guī)律進(jìn)行了分析，推導(dǎo)了圓形平行頂管推進(jìn)引起的附加荷載計(jì)算公式；李博[3]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了圓形平行頂管的相互作用。

相對(duì)于國(guó)內(nèi)外圓形頂管工程案例,矩形頂管斷面尺寸更大，覆土深度與跨度比值H/D更小，對(duì)地層及周邊環(huán)境的擾動(dòng)效應(yīng)更明顯，且由于軟土地層自身靈敏度大、壓縮性高的特點(diǎn)，平行頂管施工影響效應(yīng)更顯著。

本文以上海市陸翔路-祁連山路貫通工程為背景，探討研究軟土地區(qū)大斷面矩形頂管平行施工影響機(jī)理，可為以后類似平行頂管工程關(guān)鍵參數(shù)確定提供借鑒。本文主要從以下幾方面展開：

（1）對(duì)工程方案中3個(gè)關(guān)鍵頂管尺寸參數(shù)進(jìn)行了分析，研究各參數(shù)制約因素及相互影響機(jī)理。

（2）通過(guò)對(duì)平行頂管施工期間地表變形及超孔隙水壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，探討矩形頂管平行施工對(duì)周邊環(huán)境的影響及規(guī)律。

（3）通過(guò)對(duì)頂管掌子面支護(hù)壓力及側(cè)摩阻力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，研究影響頂管頂力的關(guān)鍵因素，并提供相關(guān)參數(shù)建議取值。

1 工程概況

上海市陸翔路—祁連山路貫通工程是打通區(qū)與區(qū)之間連接的上海市重點(diǎn)項(xiàng)目，本工程受S20外環(huán)高速公路保通要求及顧村公園環(huán)境保護(hù)限制，在下穿該區(qū)間時(shí)采用類矩形頂管施工[4]。

矩形頂管外輪廓尺寸為9.9 m×8.15 m，兩條平行頂管之間凈距10.0 m，單向頂進(jìn)長(zhǎng)度445 m，縱坡0.3%。頂管從北端始發(fā)井出洞后，沿線連續(xù)淺覆土穿越櫻花林、公園有軌小火車、明浜、φ800 mm次高壓燃?xì)夤?、S20外環(huán)高速及φ1 400 mm給水管等眾多復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，在S20南側(cè)接收井進(jìn)洞，本工程平面及縱斷面布置見(jiàn)圖1。

圖1 陸翔路平行頂管平面布置圖

頂管沿線覆土較淺，最小處厚度僅有3.5 m，最小覆土與跨度之比C/D僅有0.35。頂管全線穿越地層為上海典型的淺層全新世Q4沉積層軟土層③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和④層灰色淤泥質(zhì)黏土，流塑狀態(tài)，土體強(qiáng)度低、壓縮性高、含水量高、滲透性差、靈敏度高，具有觸變性和流變性特性。

2 矩形頂管工程尺寸參數(shù)及極限值

平行矩形頂管工程在方案決策過(guò)程中，從工程可行性、安全性及經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，應(yīng)重點(diǎn)考慮、確定以下幾個(gè)關(guān)鍵尺寸參數(shù)。

2.1 頂管斷面尺寸

頂管結(jié)構(gòu)為道路通行提供空間，其斷面尺寸除受道路車道規(guī)模的影響外，還受建筑、暖通、消防、電氣及監(jiān)控等眾多專業(yè)功能的限制。由于頂管斷面尺寸的增加不僅會(huì)提升工程造價(jià)，也會(huì)給道路展線、頂管施工帶來(lái)不利因素，同時(shí)更會(huì)影響后序相關(guān)頂管參數(shù)的決策，因此確定合適的頂管斷面尺寸成為首先需要解決的問(wèn)題。

以陸翔路頂管為例，車道規(guī)模雙向4車道，城市主干路，設(shè)計(jì)時(shí)速50 km，單向車道建筑限界寬度為8.0 m，限高4.5 m。綜合考慮設(shè)備及建筑裝飾空間，橫向凈寬兩側(cè)各取0.25 m（部分設(shè)備箱體需要特殊訂制）；豎向考慮風(fēng)機(jī)尺寸、管線橋架布置、底部鋪裝及類矩形起拱等因素，結(jié)構(gòu)內(nèi)凈空尺寸達(dá)8.5 m×6.75 m，如圖2所示。考慮結(jié)構(gòu)壁厚0.7 m，外輪廓尺寸達(dá)9.9 m×8.15 m，參考國(guó)際隧道協(xié)會(huì)（ITA）分類原則已達(dá)大型隧道規(guī)模。

圖2 類矩形頂管斷面布置圖（單位：mm）

因此，在保證道路限界的情況下，應(yīng)合理安排內(nèi)部配套設(shè)備、橋架及消防管線等布置，選用空間需求較小的建筑裝飾方案，以降低頂管斷面尺寸需求。

2.2 頂管覆土厚度與極限值

覆土厚度對(duì)頂管施工安全性的影響主要在于頂管掌子面穩(wěn)定性和背土效應(yīng)。對(duì)頂管掌子面穩(wěn)定性的影響可參考盾構(gòu)隧道相應(yīng)的研究理論，但相比于常規(guī)盾構(gòu)隧道埋深，矩形頂管覆土與跨度之比C/D更小，掌子面支護(hù)壓力及失穩(wěn)機(jī)制受覆土厚度的影響更明顯[5]。頂管頂進(jìn)過(guò)程中的背土效應(yīng)受覆土厚度影響亦顯著。尤其對(duì)于淺覆土情況，由于頂管上方卸載拱無(wú)法形成，頂部全覆土荷載施加于頂管頂板結(jié)構(gòu)，當(dāng)頂管頂部側(cè)摩阻力超過(guò)土體抗剪承載力時(shí)，將導(dǎo)致正上方土體伴隨管節(jié)整體平移，發(fā)生整體背土破壞。

因此，從工程安全角度出發(fā)覆土厚度不宜太小。在滿足結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定需求下，增加覆土厚度不僅會(huì)導(dǎo)致頂管斷面尺寸及配筋的提升，亦會(huì)顯著增加工作井及兩側(cè)接線明挖段的工程造價(jià)。

從防止整體背土效應(yīng)發(fā)生角度出發(fā)可推導(dǎo)出頂管極限覆土厚度hcr，對(duì)于長(zhǎng)距離淺覆土頂管，背土前方土壓力占比較小可忽略不計(jì)（見(jiàn)圖3）：

圖3 頂管背土效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理示意圖

式中：τ為土體抗剪強(qiáng)度，kPa；c為土體內(nèi)摩擦角，kPa；φ為土體內(nèi)摩擦角，（°）；γ為土體重度，kN/m3；k0為土體側(cè)壓力系數(shù)；f為（減摩注漿）側(cè)摩阻力，kPa；η為安全系數(shù)，建議取1.5~2.0；h為覆土厚度，m；D為頂管跨度，m。

以本工程為例：c=10 kPa，φ=12 kPa，γ=17.5 kN/m3，k0=0.75，f=5 kPa（預(yù)估），η=1.5，D=9.9 m，計(jì)算極限覆土hcr=3.0 m。

當(dāng)頂管覆土接近極限覆土?xí)r，頂管頂進(jìn)過(guò)程中應(yīng)采取減摩注漿、地表堆載或加固隔斷等措施，防止突發(fā)性的整體背土破壞發(fā)生。

2.3 平行頂管凈距及極限值

雙線平行頂管荷載分布模式與單線頂管存在較大差異，因此為減小相鄰頂管間的相互影響，控制頂管施工對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)，減小后行頂管對(duì)先行頂管隧道的影響，宜適當(dāng)確保平行頂管凈距。尤其對(duì)于長(zhǎng)距離頂管隧道，由于施工工期長(zhǎng)，頂管側(cè)向擾動(dòng)一直存在，合理設(shè)置頂管凈距的意義更加明顯。

在道路兩側(cè)展線允許的情況下，參考盾構(gòu)經(jīng)驗(yàn)，平行隧道凈距建議不宜小于1.0D[6]，否則將增加施工風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致工期及技術(shù)措施費(fèi)用增加。但由于矩形頂管較難完成曲線頂進(jìn)以實(shí)現(xiàn)類似盾構(gòu)在工作井逐步減小凈距的目的，因此從提升兩側(cè)道路行車舒適度、降低工作井及明挖接線段造價(jià)等角度出發(fā)，不宜將頂管間距設(shè)置太大。

從土體力學(xué)平衡角度分析，當(dāng)減摩注漿達(dá)到式（2）效果時(shí)，即可保證頂管間土體的相對(duì)穩(wěn)定：

式（2）中參數(shù)意義同式（1）。

為避免后行頂管泥膜形成受先行頂管泥膜的影響，頂管凈距極限值dcr可取泥膜形成過(guò)程中受泥漿滲透影響的土層厚度的2倍：

式中：λ為泥膜厚度與受泥漿滲透影響土層的厚度的比值；cs為泥膜厚度，m。

泥膜的形成與周圍土體的滲透性密切相關(guān)[7]，文獻(xiàn)[8]提供了平均泥膜厚度的計(jì)算公式，黏性土層中泥膜厚度大約為0.05 m，λ一般取5~10，因此平行頂管極限凈距可取0.5~1.0 m（見(jiàn)圖4）。

圖4 頂管周圍泥膜及泥漿滲透示意圖

2.4 頂管工程案例

國(guó)內(nèi)外與本工程矩形頂管類似規(guī)模的已建頂管工程案例相關(guān)參數(shù)取值如表1。

表1 國(guó)內(nèi)外矩形頂管工程典型案例參數(shù)對(duì)比 單位：m

表中所列工程案例中除美國(guó)波士頓案例為單線頂管外，其余案例均為平行頂管。嘉興市頂管案例斷面尺寸最大；波士頓頂管案例斷面相對(duì)最小，覆土最淺接近本文公式計(jì)算極限覆土值。鄭州市及嘉興市兩平行頂管水平凈距最小，均已接近本文建議的極限凈距值。

3 頂管實(shí)測(cè)結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測(cè)方案及測(cè)點(diǎn)布置

頂管施工會(huì)改變周圍地層的初始應(yīng)力分布，對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)。為分析研究頂管施工對(duì)周邊環(huán)境的擾動(dòng)及平行頂管施工影響機(jī)理，本工程在頂管中間典型區(qū)段布置了以下監(jiān)測(cè)點(diǎn)：

（1）地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)：DB1~DB11。

（2）超孔隙水壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)：SY1~SY5。

以上監(jiān)測(cè)點(diǎn)均沿頂管橫向布置，頂管覆土厚度約5.05 m，各測(cè)點(diǎn)平面布置如圖5所示。

圖5 頂管監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面圖

3.2 地表變形及發(fā)展規(guī)律分析

頂管施工引起的地層擾動(dòng)會(huì)隨頂進(jìn)逐步積累，其發(fā)展是一個(gè)三維動(dòng)態(tài)的過(guò)程，頂管施工對(duì)地層擾動(dòng)影響程度可以直觀反映在地表變形上。

采用Peck公式[9]來(lái)擬合頂管引起的地表變形已被學(xué)術(shù)及工程界廣泛接受：

式中：S（x）為距離頂管中心線x處地表變形；V為地層損失體積；i為地表沉降槽寬度系數(shù)；Peck建議i/R=（z/2R），z為隧道中心埋深，R為隧道（等效）半徑，軟黏土地層建議取n=0.8。

圖6、圖7分別對(duì)應(yīng)頂管橫向?qū)崪y(cè)地表變形圖及頂進(jìn)地表變形進(jìn)程曲線圖。

圖6 頂管橫向?qū)崪y(cè)地表變形圖

圖7 頂管地表變形進(jìn)程曲線圖

分析得到如下規(guī)律：

（1）先行頂管計(jì)算地層損失率約0.77%，后行頂管計(jì)算地層損失率約0.82%，反應(yīng)出先行頂管對(duì)后行頂管擾動(dòng)具有一定影響，但由于平行頂管凈距已達(dá)1D，因此相互影響效應(yīng)已較弱。

（2）單線頂管施工引起的地表變形采用Peck公式擬合確定的沉降槽寬度系數(shù)i=2.8 m，n=0.84，與建議計(jì)算公式接近。

（3）平行頂管地表變形為不對(duì)稱的ω曲線，與采用兩者線性疊加公式擬合曲線吻合度高：

式中：x0為平行頂管中心距；S1、S2分別對(duì)應(yīng)于先行頂管、后行頂管施工引起的地表變形分量；由于先行頂管對(duì)地層的先期擾動(dòng)效應(yīng)，當(dāng)預(yù)測(cè)頂管變形時(shí)后行頂管地層損失率r2一般較先行頂管對(duì)應(yīng)r1取值大。

（4）經(jīng)分析地表變形在頂管到達(dá)以前發(fā)展較小，以東線上方DB4測(cè)點(diǎn)豎向變形發(fā)展曲線為例，前期變形占比不足10%，地表變形主要發(fā)生在頂管機(jī)到達(dá)及脫離以后的階段。

（5）由于頂管頂進(jìn)過(guò)程中會(huì)對(duì)周邊土體產(chǎn)生持續(xù)擾動(dòng)，施工引起的地表變形發(fā)展持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，頂管機(jī)頭穿越此監(jiān)測(cè)點(diǎn)達(dá)4倍頂管跨度時(shí)地表變形仍在發(fā)展，這是與盾構(gòu)引起的地表變形規(guī)律差異最為顯著的特征。

3.3 超孔隙水壓力分布及發(fā)展規(guī)律分析

頂管頂進(jìn)時(shí)會(huì)對(duì)周邊地層產(chǎn)生擠壓，形成超孔隙水壓力，由于軟土地層滲透性差，超孔隙水壓力消散較慢，因此通過(guò)對(duì)超孔隙水壓力監(jiān)測(cè)能分析頂管對(duì)周邊土體的擾動(dòng)情況。

圖8、圖9分別對(duì)應(yīng)西線頂管施工期間超孔隙水壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)程、時(shí)程發(fā)展曲線，圖10為超孔隙水壓力橫向分布圖。

圖8 S Y1~S Y5超孔隙水壓力進(jìn)程發(fā)展曲線圖

圖9 S Y1~S Y5超孔隙水壓力時(shí)程發(fā)展曲線圖

圖10 S Y1~S Y5頂管到達(dá)階段超孔隙水壓力橫向空間分布圖

分析可知具有以下規(guī)律：

（1）最大超孔隙水壓力發(fā)生在頂管接近至到達(dá)期間，在頂管到達(dá)前約2倍頂管跨度時(shí)已產(chǎn)生超孔隙水壓力，這是與地表變形規(guī)律不同之處，也可反應(yīng)出軟土地層中頂管擾動(dòng)引起的地表變形存在一定滯后性的特點(diǎn)。

（2）超孔隙水壓力隨著頂管機(jī)頭遠(yuǎn)離逐漸消散，消散曲線近似與時(shí)間呈線性關(guān)系，且超孔隙水壓力增幅越大，消散斜率絕對(duì)值亦越大。

（3）頂管橫向最大超孔隙水壓力發(fā)生在SY1測(cè)點(diǎn)，約26.6 kPa。分析認(rèn)為由于東線頂管存在隔離阻擋作用導(dǎo)致兩頂管中間超孔隙水壓力無(wú)法向外界傳遞，因此導(dǎo)致SY1＞SY2，SY2＞SY3，相比地表變形更能直觀反映出軟土地區(qū)平行頂管的相互影響。

（4）西線頂管右側(cè)由于沒(méi)有地下結(jié)構(gòu)阻擋，可以間接反應(yīng)出由單線頂管引起的超孔隙水壓力空間的分布情況，其規(guī)律為近似隨距離呈線性遞減分布。最小超孔隙水壓力發(fā)生在與西線頂管外側(cè)1.2倍跨度的SY5測(cè)點(diǎn)，約為5.5 kPa，僅削減至SY3的50%，可知超孔隙水壓力對(duì)頂管施工的擾動(dòng)更敏感。

3.4 頂管掌子面支護(hù)壓力及側(cè)摩阻力規(guī)律分析

頂管頂力由掌子面支護(hù)壓力和側(cè)摩阻力兩部分組成，關(guān)于前者的研究可參考盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定的相關(guān)研究[10]，但關(guān)于側(cè)摩阻力的取值及文獻(xiàn)系統(tǒng)研究較少。因此側(cè)摩阻力取值成為長(zhǎng)距離大斷面頂管方案確定過(guò)程中的關(guān)鍵因素[1]，影響頂管頂力計(jì)算、后靠及中繼間的布置。

圖11~圖13為本工程頂管掌子面支護(hù)壓力及側(cè)摩阻力進(jìn)程曲線。

圖11 頂管頂進(jìn)頂力進(jìn)程曲線圖

圖12 頂管支護(hù)壓力系數(shù)進(jìn)程曲線圖

圖13 頂管平均側(cè)摩阻力進(jìn)程曲線圖

分析可知具有以下規(guī)律：

（1）東、西頂管最大值約6 700 t，均發(fā)生在頂管進(jìn)洞期間，最大頂力與前期根據(jù)規(guī)范[11]所預(yù)測(cè)的值存在一定差異。東線頂管施工受新冠疫情及春節(jié)影響施工進(jìn)度放緩，頂管周圍泥膜局部流失，導(dǎo)致在175~225 m頂進(jìn)期間出現(xiàn)頂力大幅增加。西線頂管施工進(jìn)度順利，頂力平穩(wěn)增長(zhǎng)。頂管進(jìn)洞前期籌備工作導(dǎo)致頂進(jìn)放緩，頂力曲線進(jìn)洞期間大幅增長(zhǎng)，漲幅接近30%。

（2）掌子面支護(hù)壓力系數(shù)在1.4~1.6，與朗肯被動(dòng)土壓力系數(shù)取值接近。掌子面支護(hù)力受施工進(jìn)度因素影響小，主要受覆土厚度及穿越地層情況影響，軟黏土地區(qū)可采用水土合算。

（3）在前期頂進(jìn)階段，由于頂管周圍泥膜處于形成期，泥漿套未能完全閉合，平均側(cè)摩阻力較大，平均達(dá)到5~15 kPa，因此對(duì)于短距離的頂管，在頂力估測(cè)時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮此因素導(dǎo)致的頂力放大效應(yīng)。

頂管后期頂進(jìn)階段，由于泥漿套逐步穩(wěn)定閉合，平均側(cè)摩阻力減小至1.7~4.6 kPa，全線頂管平均側(cè)摩阻力約3.0 kPa。

（4）本工程由于平行頂管凈距已達(dá)1倍頂管跨度，因此先行頂管施工對(duì)后行頂管支護(hù)壓力及側(cè)摩阻力無(wú)明顯相關(guān)影響。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)陸翔路-祁連山路貫通工程，本文分析研究了大斷面矩形頂管斷面尺寸、極限覆土和平行頂管極限凈距取值，通過(guò)對(duì)地表沉降、超孔隙水壓力分布及發(fā)展規(guī)律、頂管頂力及側(cè)摩阻力實(shí)測(cè)結(jié)果的系統(tǒng)分析，探討了平行頂管施工影響機(jī)理。主要得到以下結(jié)論：

（1）從防止頂管發(fā)生整體背土效應(yīng)角度出發(fā)，推導(dǎo)了長(zhǎng)距離矩形頂管極限覆土厚度hcr。

（2）從泥膜形成角度提出了平行頂管極限凈距的建議公式，能較好地為目前國(guó)內(nèi)已有頂管案例取值提供理論依據(jù)。

（3）軟土地區(qū)頂管引起的地表變形在頂管接近前不明顯，主要發(fā)生在頂管機(jī)到達(dá)及脫離以后的階段，且具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。地層損失率約0.8%。

（4）平行頂管引起的地表變形呈不對(duì)稱的ω曲線，采用Peck公式線性疊加能較好地?cái)M合，后行頂管引起的地層損失率大于先行頂管。

（5）軟土地區(qū)頂管引起的超孔隙水壓力在頂管到達(dá)前即已開始產(chǎn)生，隨著頂管機(jī)頭遠(yuǎn)離逐漸呈線性消散。超孔隙水壓力在頂管周圍空間分布隨距離亦呈線性遞減分布。

（6）頂管施工期間臨時(shí)放緩或停滯會(huì)大幅提升頂管頂力，掌子面支護(hù)壓力系數(shù)可按朗肯被動(dòng)土壓力取值，平均側(cè)摩阻力計(jì)算值在頂管前期泥漿套形成閉環(huán)以前取值較大，后期階段逐步較小，軟土地區(qū)平均取值約3.0 kPa。