上海地區某大口徑矩形頂管施工周邊環境影響監測分析

孫亞峰(上海市城市建設設計研究總院,上海 200125)

上海地區某大口徑矩形頂管施工周邊環境影響監測分析

孫亞峰?
(上海市城市建設設計研究總院,上海 200125)

摘 要:頂管技術作為非開挖的技術中的一種,可以在不用開挖地表土的情況下將管道鋪設完畢,具有其他開挖方式無可比擬的優點,其應用也越來越廣泛。但是在頂管施工中,不可避免地會破壞管道周圍土體原有的平衡,造成地面的沉降,對周邊環境造成影響。相對于圓形頂管,矩形頂管對周圍土體的擾動更大,從而引起的地面變形也更大。本文以上海市徐匯區某地下通道矩形頂管工程為背景,通過現場監測數據分析,得出了一些有益的結論。

關鍵詞:矩形頂管;地面變形;監測

1　前 言

頂管施工是繼盾構施工之后新發展起來的一種地下管道施工方法,它不需要開挖面層,并且能夠穿越公路、鐵道、河川、地面建筑物、地下構筑物以及各種地下管線等[1]。20世紀70年代初,矩形頂管技術首次成功運用于日本東京的地下聯絡通道中[2]。我國在這個領域研究和應用起步較晚,上世紀80年代初上海開始對矩形頂管的切削工具、正面的土壓力平衡方式、出土方式、頂進系統及其配套系統進行研究,并于1999年4月在上海地鐵二號線陸家嘴車站5號出入口地下人行通道工程中成功應用,順利完成斷面尺寸為2.5 m ×2.5 m、長度為60 m的矩形地下人行通道的施工,取得了顯著的技術成果、經濟效益和社會效益[3]。到目前為止,頂管施工隨著城市建設的發展已經越來越普及,應用的領域也越來越寬。近來運用到雙層隧道、過街人行地道、地鐵車站進出口的連通道、城市地下管線共同溝、引水和排水管道工程等許多管道的施工中。

頂管施工作為一種地下開挖方法,不可避免地造成地面和地下土體的移動、沉降和位移[4]。根據對工程實例的總結,地面沉降是危及周邊建筑和設施的主要因素。因此,采用頂管法施工,為了避免對周邊建筑物、管線、道路、風景區等的破壞,必須嚴格控制地面沉降量。矩形頂管與圓形頂管相比,在施工時引起的地面沉降更大。因此,研究矩形頂管施工時對土體的擾動規律以及導致的地面沉降規律對于減小矩形頂管施工時對城市重大工程和構筑物如地鐵、隧道、市政管線、建筑物的影響,同時減少施工中對城市居民生活的影響,最大限度的保護城市環境,有極其重要的作用。

2　概 況

2.1工程概況

本工程為上海市徐匯區J-4、W-2地塊基礎性開發(地下通道)工程,位于上海市徐匯區規劃四路與龍耀路之間的云錦路西側30 m～50 m綠化帶下,主要分為:J-4、W-2地塊地下空間和連接W-1與X-1地塊的地下通道兩部分。本次施工范圍主要是連接W-1地塊與X-1地塊過街通道頂管和相應兩端的工作井。其中,過街頂管長44.6 m,外壁尺寸為6.9 m ×4.2 m(寬×高),管頂埋深3.5 m;工作井分為始發井和接收井,分別位于云錦路的西側和東側,始發井外壁尺寸為10.2 m×11.2 m,接收井外壁尺寸為7.2 m ×11.2 m,兩工作井深度均為9.15 m。

2.2工作井及過街通道支護形式

工作井采用SMW工法樁圍護,工法樁插入深度19.155 m,內設三道支撐,其中第一道為鋼筋混凝土支撐,第二、第三道為鋼支撐;過街通道為矩形(6.9 m×4.2 m),采用頂管形式施工。

2.3場地工程地質及周邊環境

根據勘察報告,勘探深度內的土層可分為6個大層,場地地基土分布如下:

(1)第①1層填土,填土厚度一般為0.8 m ～2.5 m。(2)第①2層淤泥,見于河浜處,厚度0.4 m ～1.2 m。(3)第②1層褐黃～灰黃色粉質黏土,平均厚度1.20 m,可塑～軟塑狀,中壓縮性,土質較好。(4)第②3A層灰黃～灰色砂質粉土,厚度0.8 m ～3.7 m,平均厚度1.95 m,松散狀,中壓縮性。(5)第②3層灰黃～灰色砂質粉土,厚度1.0 m～6.6 m,稍密狀,中壓縮性。(6)第③、④層淤泥質黏性土,分布穩定,組合厚度在14.0 m～18.0 m。(7)第⑤1層灰色黏土,高壓縮性, 2.8 m～6.8 m。(8)第⑤3層灰色粉質黏土夾粉砂,厚度1.7 m～15.8 m。

場區淺部土層潛水水位埋深為0.30 m ～1.60 m,潛水水位受降雨、地表水的影響而變化。

本工程頂管所穿越的云錦路段下埋有已建成的11號線的區間隧道。該段區間隧道為盾構施工圓隧道,上下線分離,隧道外徑6.2 m,管片厚度為350 mm。頂管穿越處區間隧道上、下行線隧道頂面埋深均約為10.7 m,頂管在區間隧道上方橫跨,外壁距隧道最小凈距為3.0 m。頂管始發井靠近上行線,最近處距離約為12.8 m;頂管接收井靠近下行線,最近處距離約為12.0 m。

頂管上方埋有一根φ1 000雨水管及2根電力排管,其中雨水管管內底距頂管外壁約為0.46 m。另外,在接收井東側還有一根電力排管通過,距接收井外壁最近距離約1.5 m。

3　現場監測

3.1監測目的

地下工程施工往往因其地質條件復雜、建設周期長、施工困難、設計計算理論尚不完善等諸多方面的因素,在建設過程中會出現難以控制的工程風險情況[5]。為確保工程安全施工,對施工全過程進行實時、有效的監測,能夠及早發現事故苗頭,杜絕事故隱患,使工程處于一個安全可控的狀態。這對于保證工程質量和基坑的施工安全具有極其重要意義;同時可為后續類似工程提供參考資料,積累寶貴經驗[6]。

本地下工程(深基坑及過街通道)系在地鐵上方僅3 m處進行,施工絕對不能盲目進行,必須在“監測”這雙眼睛下有序的進行,從而有效地保護地鐵及工程本身的安全和施工的順利完成。

3.2測點布置

根據相關規范的規定及本工程的特點,本工程監測內容如下:(1)周邊市政管線垂直位移及水平位移監測; (2)頂管上部地表沉降監測;(3)工作井圍護墻頂垂直位移及水平位移監測;(4)工作井圍護墻體變形(測斜)監測;(5)坑外土體深層水平位移(測斜)監測;(6)工作井基坑支撐軸力監測;(7)工作井坑外潛水位監測。

周邊市政管線監測點間距控制在15 m左右,共布設了14個監測點,其中雨水管測點5個,編號為Y1 ～Y5;污水管測點3個,編號為W1～W3;電力電纜測點6個(每組電纜布設3點),編號為D1～D6。頂管從地鐵盾構頂部3 m處穿越,為了解頂管施工引起的地表沉降,沿頂管穿越軸線,以10 m間距布置地表沉降觀測點,數量為5個,編號為T1～T5。

4　監測數據與分析

4.1周邊環境監測數據匯總

(1)周邊市政管線垂直位移監測

將各監測點在不同時期的沉降量整理成表1,從表中的數據可以看出,各監測點最終均表現為下沉。其中,在頂管線路正上方的監測點沉降量較大,如Y3、W2、D2、D5等,最終沉降量基本在-50 mm～-70 mm左右;其余監測點的沉降量相對較小,基本在-15.0 mm以內。在工作井施工期間,各監測點沉降量較小,截止工作井底板澆搗完畢,各監測點平均沉降量僅為-3.74 mm;到頂管頂進施工前1天,各監測點平均沉降量為-8.67 mm;在頂管頂進完畢及管外注漿結束后,各監測點平均沉降量為-25.40 mm。由此可見,頂管施工對各監測點影響較大,頂管頂進過程中,由于對周邊土體擾動較大,且在局部區域產生一定程度的地下土體損失,造成其附近的市政管線、地表產生明顯的沉降現象,且沉降趨勢還有一定的滯后反應,后經過管外注漿施工,各監測點沉降趨勢明顯趨緩,并逐漸趨于穩定。最終周邊管線沉降量基本在-3.3 mm～-74.4 mm之間,平均沉降量為-27.16 mm,大部分監測點最終沉降量超出警戒值范圍(日變量≤±3 mm、累計變量≤±10 mm)。

周邊管線位移監測點在不同時期的累計沉降量 表1

(2)頂管上部地表沉降監測

將地表沉降監測點在不同時期的沉降量整理成表2,從表中的數據可看出,各監測點在整個施工期間基本表現為下沉,且沉降量較大。地表沉降監測點均布設在頂管線路的正上方,頂管頂進時對土體擾動較大,沉降量最大的監測點為T1,其最終沉降量為-129.4 mm,其余監測點沉降量基本在-60 mm ～-80 mm之間,平均沉降量為-10.68 mm,各監測點最終沉降量均超出警戒值范圍(日變量≤±2 mm、累計變量≤±23 mm)。

地表沉降監測點在不同時期的累計沉降量 表2

4.2周邊環境監測結果分析

為了解各周邊管線監測點垂直位移變化的具體過程,選擇具有代表性的監測點Y3、W2、D2、D5等(位于頂管線路正上方,沉降量較大),繪制其垂直位移變化過程曲線(如圖1～圖4所示),從圖中可以看出:在工作井SMW工法施工期間,各監測點沉降量很小;在工作井開挖期間,靠近基坑的部分監測點沉降量較大,如D5等,在底板澆搗完畢前,其沉降量為-11.5 mm;在接下來的頂管施工過程中,各監測點沉降趨勢明顯加快,在短短十幾天的時間內,在頂管線路正上方的監測點,其沉降量可達-50 mm左右;后經過管外注漿,各監測點略有上抬,并逐漸區域穩定。最終Y3、W2、D2、D5等監測點沉降量分別為: -58.3 mm、-77.4 mm、-62.3 mm、-67.5 mm,大大超出警戒值范圍(日變量≤±3 mm、累計變量≤±10 mm)。

圖1　Y3監測點垂直位移變化過程曲線

圖2　W2監測點垂直位移變化過程曲線

圖3　D2監測點垂直位移變化過程曲線

圖4　D5監測點垂直位移變化過程曲線

為了解頂管軸線上地表監測點垂直位移變化的具體過程,選擇具有代表性的監測點T1,繪制其垂直位移變化過程曲線(如圖5所示),從圖中可以看出:在工作井SMW工法施工期間,該監測點沉降量很小;在工作井開挖期間,該監測點略有沉降,但沉降量較小,在頂管頂進施工前,其沉降量為-10.9 mm;但在接下來的頂管施工過程中,其沉降趨勢明顯加快,在短短十幾天的時間內,其沉降量最大達-133.3 mm;后經管外注漿,該監測點略有上抬,并逐漸趨于穩定。最終該監測點的沉降量為-129.4 mm,超出警戒值范圍(日變量≤±2 mm、累計變量≤±23 mm)。

圖5　T1監測點垂直位移變化過程曲線

5　結 論

由圖1～圖5可知,工作井施工期間周邊環境變形較小,而隨著頂管的推進,頂管周邊環境變形較大,而且地表土體的變形規律非常復雜。因此,頂管施工引起的土體變形大小不僅取決于頂管施工的參數,還取決于建(構)筑物的剛度和位置,頂管施工對距離頂管較遠處影響較小,產生地面沉降或隆起的根本原因是頂管施工對周圍土體的擾動。頂管推進過程中產生的地面變形由5個部分組成,包括頂管到達前的地面變形、頂管到達時的地面變形、頂管通過時的地面變形、頂管通過后的地面變形和受擾動土體再固結引起的地面變形。

參考文獻

[1] 王承德,頂管[M].北京:中國建筑工業出版社,1986.

[2] 林強強.矩形頂管引起地面變形的實測分析與控制研究[D].同濟大學碩士學位論文,2008.

[3] 戚惠峰.軟土地區頂管施工對周邊環境的影響分析[D].大連理工大學碩士學位論文,2009.

[4] 魏綱,陳春來,余劍英.頂管施工引起的土體垂直變形計算方法研究[J].巖土力學,2007,28(3):619～624.

[5] 羅筱波,周健.多元線性回歸分析法計算頂管施工引起的地面沉降[J].巖土力學,2003,24(1):130～134.

[6] 魏綱,徐日慶,屠瑋.頂管施工引起的土體擾動理論分析及試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2004,23(3):476～482.

Analysis of the Surrounding Environment Influence Caused by Rectangular Pipe Jacking Construction in Shanghai

Sun Yafeng
(Shanghai Urban Construction Design and Research Institute,Shanghai 200125,China)

Abstract:As one of Trench less Technology,Pipe jacking has the unparalleled advantage of finishing pipeline laying without excavating surface soil,and has become widely used.However,pipe jacking will inevitably break the original soil balance around the pipe,leading to land subsidence and affect buildings surrounded,even endangers their safety.Relative to circular pipe jacking,rectangular pipe jacking construction may disturb the soil more heavily and cause more surface deformation.This thesis based on the rectangular pipe jacking construction project of Shanghai Xuhui District underground passage.Through on-site monitoring data analysis,some useful conclusions are obtained.

Key words:rectangular pipe jacking;surface deformation;monitoring

文章編號:1672-8262(2015)01-165-04中圖分類號:TU196,TU433

文獻標識碼:B

收稿日期:?2014—10—22

作者簡介:孫亞峰(1983—),男,碩士,工程師,從事基坑監測、工程檢測、工程測量等工作。

基金項目:上海市國資委企業技術創新和能級提升項目(2014YK00100)