土壓平衡矩形頂管施工引起的地表沉降規律研究*

李 達，孔 恒，郭 飛，王雅建，李明浩，許有俊

(1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；2.北京市道路工程質量監督站，北京 100076；3.北京市政建設集團有限責任公司，北京 100048；4.內蒙古科技大學 土木工程學院，內蒙古 包頭 014010)

0 引言

近年來，矩形頂管技術[1]開始運用于地鐵車站、過街地下通道、下穿城市道路的隧道、地下綜合管廊[2]、城市地下商業空間開發以及城市地下空間[3]的互聯互通等工程中，采用該種技術修建的隧道具有斷面面積利用率高、不中斷地面道路交通、避免各類地下管線的拆遷等優點，代表著未來城市中短隧道工程修建技術的發展方向[4]。

大斷面矩形土壓平衡頂管頂進施工[5]，不可避免地造成隧道周圍土體的擾動，引起地層變形[6]，而過度的地層變形，將對隧道周圍環境造成危害，甚至可能引發工程安全事故。近年來，發生了多起矩形頂管施工引起的地表塌陷事故[7]，分析其中原因，主要是由于針對該種施工方法條件下土體擾動機理及地層變形規律[8]認識不清導致。

矩形土壓頂管法與圓形頂管法、盾構法均有相似之處。與圓形頂管相比，矩形頂管隧道斷面更大，埋深更淺，地層成拱效應差；與盾構法相比，矩形頂管管節頂進過程中產生對周圍土體的水平摩阻力，為減少這種水平摩阻力，通常在管節與地層之間設置減摩泥漿套，同時，為實現全斷面切削，矩形頂管機通常配置多個刀盤數，螺旋排土器通常為2個，導致控制參數增多[9]，再者，矩形頂管機的動力推進系統始終固定在始發井，不隨管節的頂進而前進，傳力路徑越來越長，導致矩形頂管機的控制難度增加與效率下降。

目前，針對盾構隧道與圓形頂管隧道施工引起的地表沉降特性研究較多，對矩形頂管施工擾動地層變形方面的研究較少[10]，故本文基于MIDAS-GTS有限元軟件的分析方法對矩形頂管施工引起的地表沉降變形規律進行分析和研究，并在此基礎上提出矩形頂管的適用范圍，相關結果可為矩形頂管施工的安全保障提供參考和借鑒。

1 地表沉降影響因素分析

矩形頂管施工過程中，引起地表變形的影響因素主要包括：頂管機的施工參數與地層結構特性。其中，施工參數主要包括：開挖面支護壓力、刀盤扭矩、刀盤轉速、螺旋機轉速、頂力、頂進速度、減摩泥漿套質量、注漿壓力等，不同施工參數的選取，最終表現為矩形頂管與土體之間的相互作用；而以地層結構特性為研究對象，矩形頂管施工引起的周圍土體的影響主要包括：開挖面的支護壓力、側摩阻力、超挖引起的地層損失、注漿壓力等，如圖1所示。

圖1 矩形頂管頂進對周圍土體作用力Fig.1 The force on the surrounding soil of rectangular pipe jacking

此外，除上述頂管施工引起地面變形的影響因素之外，還有一些影響相對較小的情況，如由于頂管機及后續管節的自重而下沉，此種情況在通道下著土質較軟的施工中影響較大；而背土、超挖、地下水位的變化均對地面沉隆有一定的影響。

綜上所述，開挖面支護壓力、地層摩阻力以及地層結構作為影響矩形頂管施工中沉降變形的主要因素，其對工程施工的影響機理有待進一步研究。因此，本文結合數值模擬及實際工程，詳細分析上述因素作用下的沉降變形規律，以期對類似工程提供數據支撐和理論基礎。

2 數值模擬在頂管施工中的應用

采用MIDAS-GTS有限元軟件，建立三維地層結構模型。根據研究需要，選取合適模型，模型除地表為自由面外，其余各面均施加法向位移約束。根據實際情況，輸入相關參數，模擬實際施工環境，詳述如下。

1)初始應力場模擬。釆取在土體內部加上自重荷載屬性，同時在相關模型邊界施加一定的面荷載，如路面超載，以求得地應力場。

2)頂推力模擬。頂推力模擬可等效于工作面附加應力作用在工作面前方土體，其值可通過實際開挖過程中的開挖面支護壓力值確定，為簡化計算，通過在開挖面施加均布力考慮。

3)摩阻力模擬。在對側摩阻力模擬時，可將頂管受到土體對其的側摩阻力簡化為均勻分布在頂管管壁側面的剪切力。

4)注漿模擬。通過改變間隙土材料屬性的方式來對注漿進行模擬，在注漿施工階段，改變間隙土屬性為預先設置好的漿液屬性即可。

5)通過鈍化開挖土單元，激活頂管機和管節等相關單元，如此往復循環來模擬連續頂進過程。

6)根據實際情況，輸入詳細計算參數，進而分析各影響因素下的沉降情況。

3 工程案例分析

為了更好地分析矩形頂管施工中開挖面支護壓力、地層摩阻力以及地層結構對地表沉降變形的影響，本文結合廣西南寧市軌道交通1號線南湖站Ⅰ號過街通道矩形頂管施工進行詳細分析。

3.1 工程簡介

南寧市軌道交通1號線一期工程南湖站位于南寧市民族大道和雙擁路的交叉路口，為減少對民族大道交通和周邊居民環境的影響，南湖站下穿民族大道的出入口連接通道采用土壓平衡矩形頂管法施工。

南湖站Ⅰ號地下過街通道長64.5 m，埋深約4.75～5.65 m。頂管從Ⅰ-b出入口始發，車站端接收，如圖2所示。

圖2 頂管施工場地平面布置Fig.2 Rectangular pipe jacking’ s floor plan of construction site

頂管管節尺寸為6.9 m×4.9 m(外徑)，管壁厚500 mm，每環長1.5 m，共42環，頂管掘進機頭選用8刀盤矩形土壓平衡式頂管機，如圖3所示。

圖3 矩形頂管機Fig.3 Rectangular pipe jacking machine

3.2 工程與水文地質條件

工程所處土層自上而下分別為：雜填土區、素填土區、硬塑狀粘土、硬塑狀粉質粘土、可塑狀粉質粘土、軟塑狀粉質粘土、粉土層、粉砂、中砂、圓礫及古近系泥巖層[11]。泥巖層埋深19.40～21.7 m，含水圓礫埋深13.00～15.30 m。基坑開挖地層為雜填土區、素填土區、硬塑狀粘土、硬塑狀粉質粘土、可塑狀粉質粘土、軟塑狀粉質粘土、粉土層、粉砂，局部有圓礫層。如圖4所示，頂管隧道施工影響范圍[12]內土層自上而下分別為：①1層，雜填土；②2-2層，硬塑狀粉質粘土；②2-1層，硬塑狀粘土；④1-2層，粉細砂；③2層，粉土。

圖4 頂管施工地質縱剖面示意Fig.4 Rectangular pipe jacking’ s geological profile of construction site

第一層地下水主要賦存于雜填土①1中，屬上層滯水，該層地下水水量貧乏，主要由大氣降雨及生活廢水補給，水位埋深與填土層的厚度[13]有關，無統一水位；第二層地下水主要賦存于圓礫層中，屬孔隙松散巖類水，水量豐富，與邕江河水有一定的水力聯系，車站范圍的初見水位埋深在10.30～17.42 m，標高在54.11～61.42 m，多出現在粉土的底部或砂土層的頂部或圓礫層頂部；穩定水位埋深在4.70～11.40 m，標高在64.42～66.57 m，承壓水頭較大；地下水通過圓礫層的徑流段向邕江排泄。

根據巖土勘察報告，對物理力學特性相似的土層進行合并，結合本工程實際情況，各計算參數選取如表1所示。

表1 地層物理性質參數Table 1 Physical property of layer

3.3 監測數據分析

為了保證工程順利實施，在頂管頂進過程中，對頂管上方影響范圍內的地表沉降進行監控量測[14]。通過分析現場監測數據，可以及時調整矩形頂管施工參數，控制地表隆沉，確保施工順利進行和周邊環境安全。

考慮到頂管初始頂進階段需要根據監測數據對施工參數進行不斷優化調整，且出洞段的風險較大，故在頂管始發端間距3 m密布3排監測點，之后每隔5 m布置1個監測點，如圖5所示。

圖5 頂管施工監測點布置Fig.5 Rectangular pipe jacking’ s floor plan of monitoring points

整理頂管施工過程的實測地面沉降數據，得到監測點的地表沉隆時空變化規律，如圖6和圖7所示。

圖6 測點D11-1不同位置工作面下隧道軸線地表變形Fig.6 Surface deformation diagram of tunnel axis under different working face on D11-1 measuring point

圖7 測點D11-1隧道軸線地面某點沉降歷時曲線Fig.7 The diachronic curve of a point on the tunnel axis on D11-1 measuring point

由圖6和圖7分析可知。

1)在頂管頂進過程中，監測斷面縱向地表沉降監測點表現為：當頂管機頭未到達監測斷面時，前方地表微微隆起；當機頭到達并通過監測斷面時，地表急速下沉，主要由于此時機頭頂進對周圍土體的劇烈擾動導致；隨著機頭通過監測斷面的距離增加，監測斷面處地表沉降趨于穩定。

2)在施工過程中，因其他因素導致的施工停滯、強降雨引起的砂土飽和液化等會引起開挖面失穩，進而造成地面土體在較短時間內發生大范圍的沉降。

3)頂管隧道貫通以后，靠近始發端的地表土體沉降較大，靠近接受端的土體沉降較小。

4)頂管機在開挖面支護壓力超壓狀態下頂進，會引起開挖面前方土體隆起，最大隆起位置在軸線上方，隨著開挖面的遠離，隆起的橫向測線開始沉降，沉降的順序為“先中心，后兩邊”。

3.4 數值模型結果對比分析

采用MIDAS-GTS有限元軟件，建立三維地層結構模型。根據研究需要，選取模型高度為15 m，取10個管節開挖長度為隧道模型的長度，即模型尺寸為40 m×15 m×15 m。分析結果：矩形頂管施工引起的地層豎向位移云圖如圖8所示。

圖8 頂管隧道模型豎向位移云圖Fig.8 Rectangular pipe jacking’ s vertical displacement nephogram of tunnel model

由圖8可知，由土體開挖而引起隧道周圍土體應力釋放，造成頂管隧道軸線上方地表發生了一定范圍的沉降，開挖對地面的沉降橫向影響范圍以隧道中軸線分別向2側延伸11 m，沉降幅度由中心向2側邊遞減，隧道軸線上方的地表沉降幅度從始發段向接收端遞減。

將2條典型監測斷面數值計算結果與地表橫向實測結果對比，如圖9所示。數值模擬得出的地表沉降最大值為17.0 mm，現場監測值為16.8 mm，同時，沉降槽形態基本一致，基本符合高斯分布形態。通過數值模擬結果與實際監測數據的對比分析，驗證了數值模型參數取值的合理性。

圖9 模型計算結果與實測數值的沉降槽對比Fig.9 Settlement tank comparison diagram of model calculation results and measured data

4 影響因素的敏感性分析

通過上述分析可知，采用MIDAS-GTS有限元軟件，建立三維地層結構模型。其數據分析結果符合工程實際情況，為了更好地研究沉降機理，現分析主要影響因素作用下的沉降特性。

4.1 開挖面支護壓力敏感性分析

分別在選取開挖面支護壓力為0.35 MPa(超壓)，0.2 MPa(正常)，0.05 MPa(欠壓)3種條件下，研究地表沉降特性，如圖10所示。

圖10 不同開挖面支護壓力下土體豎向位移Fig.10 Soil’ s vertical displacement nephogram under different excavation face support pressure

由圖10可知，保證開挖面穩定是控制地面沉降的關鍵，在開挖面支護壓力欠壓狀態下頂進，會造成開挖面前方地面大范圍沉降，后方沉降會比土壓平衡狀態小一些；在開挖面支護壓力超壓狀態下頂進，會引起開挖面前方地面隆起，后方沉降比土壓平衡狀態大一些。

4.2 摩阻力敏感分析

依據施工經驗，理想狀態下，選取注漿后混凝土管節與土體的單位面積摩擦力為5 KPa；基于本工程背景，不注漿時管節與周圍土體的單位面積摩擦力可近似取35 KPa，另外取2者中間值20 KPa認為是補漿不及時情況下管節受到的單位面積摩阻力。

圖11 不同單位面積摩阻力下頂管施工引起的軸線地面變形Fig.11 The axis ground deformation causedby pipe jacking construction under different friction per unit area

由圖11可知，側摩阻力會引起隧道中部斷面前方土體隆起、后方土體沉降，在頂進過程中頂管受到的側摩阻力越大，靠近始發端的土體沉降越大，靠近接收端的土體沉降越小，但側摩阻力對地面的總變形影響較小。

4.3 地層結構敏感分析

分別建立“上部硬塑粘土+下部粉細砂”、“硬塑粘土”、“粉細砂土”、“上部粉細砂+下部硬塑粘土”4種地層結構，研究不同地層結構特性條件下地表橫向沉降特性，如圖12所示。

圖12 不同地層結構下地表沉降槽形態Fig.12 Surface subsidence tank form under different Stratigraphic structure

由圖12可知，在“硬塑粘土層”、“粉細砂土層”地面變形規律和“上部硬塑粘土+下部粉細砂”地層中頂管施工引起的地面變形規律一致，均會引起已開挖隧道上方地面沉降，其中在“粉細砂土”層下施工引起的地面沉降要大于“硬塑性黏土”層。其他條件相同條件下，在這4種地層條件下進行頂管施工時地表沉降大小的排序為：“上部硬塑粘土+下部粉細砂”<“硬塑粘土”<“粉細砂”<“上部粉細砂+下部硬塑粘土”。

4.4 路面結構厚度敏感分析

分別在選取路面厚度為20 ，30，40，50，60，70，80 cm條件下，研究地表橫向沉降槽的形態。

由圖13可知，沉降槽形態隨著結構層厚度的增加，發生與結構層模量相似的變化，同樣是由“深而窄”變為“淺而寬”的過程。

圖13 不同結構層厚度下的路面沉降槽形態Fig.13 Pavement subsidence tank form under different structural thickness

5 結論

1)以南寧市軌道交通1號線南湖站頂管施工出入口通道為工程背景，運用MIDAS-GTS有限元軟件模擬頂管施工過程，基于實測數據對模型的有效性進行驗證，分別研究了開挖面支護壓力、側摩阻力、地層結構特性、路面結構對地表沉降變形的影響。

2)根據現場實測數據，矩形頂管施工擾動引起的地表沉降槽基本接近高斯分布。

3)保證開挖面穩定是控制地面沉降的關鍵，在開挖面支護壓力欠壓狀態下頂進，會造成開挖面前方地面大范圍沉降，后方沉降會比土壓平衡狀態小一些；在開挖面支護壓力超壓狀態下頂進，會引起開挖面前方地面隆起，后方沉降比土壓平衡狀態大一些。

4)側摩阻力會引起隧道中部斷面前方土體隆起、后方土體沉降，在頂進過程中頂管受到的側摩阻力越大，靠近始發端的土體沉降越大，靠近接收端的土體沉降越小，但側摩阻力對地面的總變形影響較小，這說明先行隆起對于沉降有一定的抵消作用。

5)非復合地層地面變形規律和“上部硬塑粘土+下部粉細砂地”層均會引起已開挖隧道上方地面沉降，其中在“粉細砂土”層下施工引起的地面沉降要大于“硬塑性黏土層”；在“上部粉細砂+下部硬塑粘土”地層中，由頂管施工引起地面發生類似于開挖面支護壓力超壓狀態下的變形，即開挖面前方地面隆起，后方沉降，且沉降值較大。在這4種地層條件下進行頂管施工時，地表沉降大小的排序為：“上部硬塑粘土+下部粉細砂”<“硬塑粘土”<“粉細砂”<“上部粉細砂+下部硬塑粘土”。

6)在頂管隧道下穿城市道路工程中，路面結構層可以有效限制路面沉降變形，沉降槽形態隨著路面結構層厚度的增大，由“深而窄”變化為“淺而寬”。