拱北隧道超大管幕頂進(jìn)橫向地面沉降及管間作用分析

劉 楊, 史培新, *, 潘建立, 俞蔡城

(1. 蘇州大學(xué)軌道交通學(xué)院， 江蘇 蘇州 215131； 2. 中鐵十八局集團(tuán)有限公司， 天津 300222；3. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 210000)

0 引言

隨著隧道建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及其建設(shè)環(huán)境的日趨復(fù)雜，超大斷面淺埋隧道下穿敏感建筑時的地表變形控制成為重點關(guān)注的問題。相比于傳統(tǒng)施工方法，盾構(gòu)法由于可以有效控制地面變形而被廣泛用于軟土隧道的掘進(jìn)施工。然而，其開挖斷面形狀受限，且目前國內(nèi)最大盾構(gòu)直徑為16 m，難以滿足超大斷面隧道開挖的要求。因此，對于超大斷面隧道開挖需要實現(xiàn)施工工藝上的創(chuàng)新和突破。管幕法由于地層適應(yīng)性強(qiáng)、對外界干擾小，且能有效控制地面變形，因此可以克服超大斷面隧道開挖過程中的種種難題。

管幕法主要利用頂管技術(shù)在擬建地下建筑四周布設(shè)鋼管，結(jié)合鎖扣、注漿和人工冷凍等管間止水方式形成水密性較強(qiáng)的地下空間，然后在管幕支護(hù)下先后對洞內(nèi)土體進(jìn)行加固、開挖。頂管頂進(jìn)過程中必然會對土體產(chǎn)生擾動，進(jìn)而引起地面沉降，其影響因素主要包括管道與土體間的摩擦力、頂力、注漿壓力以及土體損失等。在計算地表沉降時通常采用Peck經(jīng)驗公式[1]，該公式在考慮地層損失的基礎(chǔ)上提出，認(rèn)為地下開挖引起的地面沉降槽呈擬正態(tài)分布，開挖土體損失引起土體位移，最終引起地表沉降，且沉降量是地層損失量和沉降槽寬度系數(shù)的函數(shù)[1]。對于地層損失率η與沉降槽寬度系數(shù)i的取值，國內(nèi)外已有不少研究。許多學(xué)者通過理論分析[2-4]、地區(qū)經(jīng)驗[5-11]等對地層損失率進(jìn)行合理取值，以此估算土體損失大小。Andrew等[3]基于彈性理論和位移互等定律，提出了非均勻應(yīng)力場(土體側(cè)壓力系數(shù)K0≠1，泊松比ν<0.5)下的地層損失率解析法計算公式。O′Reilly等[9]統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)隧道地層損失率與土質(zhì)有關(guān)，黏性土地層損失率為0.5%～2.5%，無黏性土為2.0%～10.0%。朱才輝等[10]基于Peck公式反分析法，對國內(nèi)20多個地區(qū)隧道地表沉降實測數(shù)據(jù)分析，得出黏性土層和砂性土層的地層損失率平均值分別為1.10%和1.18%。

沉降槽寬度系數(shù)i與土質(zhì)、隧道半徑、隧道埋深等因素有關(guān)[1, 9, 12-17]。Attewell等[13]在假設(shè)沉降槽曲線服從正態(tài)分布的前提下，提出沉降槽寬度系數(shù)i的計算公式：i/R=K(z/2R)n，其中，R為管道外半徑，z為隧道埋深，K、n為常數(shù)。Mair等[14]結(jié)合實測資料和試驗結(jié)果，提出隧道上方任意土體深度H處黏性土沉降槽寬度系數(shù)計算公式：i=0.5z-0.325H。Clough等[15]提出飽和塑性黏土沉降槽寬度系數(shù)i的計算公式：i=R[z/(2R)]0.8。劉建航等[17]研究認(rèn)為，沉降槽寬度系數(shù)i與上方土層性質(zhì)及隧道軸線埋深有關(guān)，并給出了沉降槽寬度系數(shù)與埋深的相關(guān)公式。為更方便描述沉降槽寬度，引入沉降槽寬度參數(shù)k=i/z做進(jìn)一步簡化，目前國內(nèi)廣泛使用的是Knothe公式k=1/[(2π)1/2tan(45°-φ/2)][18]或其修正公式[17]。根據(jù)倫敦地區(qū)經(jīng)驗可知，無黏性土的k值通常為 0.2～0.3，硬黏土的k值為0.4～0.5，而粉質(zhì)黏土k值則高達(dá)0.7[19]。韓煊等[20]通過對北京地區(qū)實測資料分析，得到k=0.3～0.6。

目前，對于管幕法施工引起地面沉降的研究主要是針對單根頂管[21-22]或雙線平行頂管[23]，少數(shù)針對群管頂進(jìn)的研究也主要集中在常規(guī)斷面[24-25]，而對于超大斷面群管頂進(jìn)引起地面沉降的研究則較少。在研究群管頂進(jìn)橫向地表變形時，通常采用Peck公式對各頂管引起的地表沉降進(jìn)行疊加計算。拱北隧道暗挖段管幕由36根φ1 620 mm頂管組成，是目前世界上規(guī)模最大的管幕工程。本文結(jié)合拱北隧道地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式，擬合頂管施工過程中的沉降槽寬度系數(shù)、沉降槽寬度參數(shù)、地層損失率以及最大沉降量，確定了小間距圓周群管頂進(jìn)時地層損失率的取值，提出了沉降槽寬度系數(shù)的經(jīng)驗公式，并結(jié)合數(shù)值模擬及監(jiān)測結(jié)果，分析了小間距圓周群管頂進(jìn)過程中先頂管群對后頂管地層損失及地表最大沉降的影響，以期為類似管幕工程提供參考。

1 工程背景

拱北隧道暗挖段是港珠澳大橋項目中技術(shù)最復(fù)雜的控制性工程之一，開挖斷面約為338 m2，為目前世界上開挖斷面最大的單個暗挖隧道。暗挖段全長255 m，位于曲率半徑為886～906 m的緩和曲線和圓曲線上，其平面布置如圖1所示。隧道位于海陸兩相富水軟土地層中，工程地質(zhì)條件極差，其地質(zhì)情況如圖2所示，地層由上至下依次為人工填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)土、砂(礫)質(zhì)黏土、殘積土等。

Fig. 1 Plan of layout of underground mined section of Gongbei Tunnel

為控制施工引起的地面沉降，拱北隧道暗挖段采用大型管幕結(jié)合人工冷凍管間止水的暗挖施工方法。管幕尺寸為22 m× 23.8 m，由36根φ1 620 mm頂管組成，管間距為35.5～35.8 cm，管幕上覆土層厚度為4～5 m，其空間結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。為控制工程風(fēng)險，首先安裝2根試驗管(0#管和5#管)以獲取必要的頂進(jìn)參數(shù)，用以指導(dǎo)后續(xù)管道的頂進(jìn)，其中，5#管亦用作管幕管。施工期間沿隧道布設(shè)地表沉降監(jiān)測點，監(jiān)測工作與頂管施工同步進(jìn)行，以防頂管施工對地面建(構(gòu))筑物產(chǎn)生不良影響。

2 地面沉降分析

由于各頂管實際始發(fā)、接收日期存在交叉，本文統(tǒng)一按頂管接收順序計算。各管接收順序如圖2所示。管間位置按管幕自東向西方向布設(shè)，管內(nèi)數(shù)字代表頂管編號，管外數(shù)字代表接收順序。根據(jù)接收順序，將管幕工程分為第1階段(0#、5#試驗管)、第2階段(中部4根管)以及第3階段(其余群管)。

管內(nèi)數(shù)字代表頂管編號，管外數(shù)字代表接收順序。

圖2管幕橫斷面圖(單位： m)

Fig. 2 Cross-section of pipe roof (unit: m)

拱北隧道暗挖段地面監(jiān)測點布置方案： 縱向每10 m設(shè)一個監(jiān)測斷面，每個斷面取單側(cè)3倍隧道跨度設(shè)監(jiān)測點，跨度內(nèi)每2 m布置一個測點，跨度外按2、3、5、8、10 m間距布置，共389個監(jiān)測點。監(jiān)測點布置如圖3所示。考慮到進(jìn)出洞附近漏水漏漿極易導(dǎo)致地層損失過大以及選取斷面的均布性，經(jīng)過對24個斷面地面沉降數(shù)據(jù)的篩選，最終選取斷面CJ5、CJ15、CJ21的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖3 監(jiān)測點布置示意圖

CJ5、CJ15、CJ21 3個斷面各管頂進(jìn)結(jié)束時的地表瞬時沉降監(jiān)測結(jié)果分別如圖4—6所示。從3個斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知： 1)由于管幕北側(cè)頂管大多先于南側(cè)頂管施工，頂管頂進(jìn)結(jié)束時地面最大沉降位于北側(cè)； 2)在第1階段頂進(jìn)試驗管(0#管和5#管)時，由于操作不熟練等原因，造成地層損失較大，進(jìn)而引起地表沉降較大； 3)第2階段中，28#管和29#管由于距離先頂管較遠(yuǎn)，且埋深均大于先頂管，頂管頂進(jìn)結(jié)束時上方地表沉降小于先頂管側(cè)，地表最大沉降變化較小； 4)9#管和10#管位于0#管和5#管正下方，頂進(jìn)結(jié)束時地表最大沉降相應(yīng)增加； 5)第3階段中，地表最大沉降首先在距管幕中軸線北側(cè)8 m處逐漸累積，隨著頂管的繼續(xù)頂進(jìn)，地表最大沉降逐漸向管幕中軸線靠近。37根頂管全部頂進(jìn)結(jié)束時，各斷面的瞬時地表沉降曲線呈拋物線狀，反彎點在12 m附近。地表最大沉降點靠近管幕中軸線，3個斷面的最大沉降量在20～25 mm，滿足工程監(jiān)測技術(shù)方案所規(guī)定的地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)(-10～30 mm)要求[26]。

圖4 CJ5斷面各管頂進(jìn)結(jié)束時的橫向地表沉降

Fig. 4 Transverse ground surface settlement after pipe-jacking of cross-section CJ5

圖5 CJ15斷面各管頂進(jìn)結(jié)束時的橫向地表沉降

Fig. 5 Transverse ground surface settlement after pipe-jacking of cross-section CJ15

圖6 CJ21斷面各管頂進(jìn)結(jié)束時的橫向地表沉降

Fig. 6 Transverse ground surface settlement after pipe-jacking of cross-section CJ21

將某根頂管頂進(jìn)結(jié)束時的累計地表沉降與前一根頂管頂進(jìn)結(jié)束時的累計地表沉降的差值作為該頂管單管頂進(jìn)引起的地表沉降。結(jié)合3個斷面的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，對每根頂管單管頂進(jìn)時的沉降槽曲線采用Peck公式擬合，即

式(1)—(2)中:S(x)為地表沉降量；x為距隧道軸線的水平距離；Smax為隧道軸線上方地表最大沉降量；Vs為單位長度地層損失量，Vs=ηπR2，η為地層損失率；i為地面沉降槽寬度系數(shù)。

將擬合得到的沉降槽寬度系數(shù)i及最大沉降量Smax代入式(2)，求得對應(yīng)的單位長度地層損失量Vs，再根據(jù)Vs=ηπR2計算得到單管頂進(jìn)時的地層損失率η。各管頂進(jìn)時的沉降槽寬度系數(shù)、沉降槽寬度參數(shù)、最大沉降量以及地層損失率計算值分別如圖7—10所示。

圖7 各頂管頂進(jìn)結(jié)束時沉降槽寬度系數(shù)計算值

Fig. 7 Calculated values of settlement trough width coefficient after pipe-jacking

圖8 各頂管頂進(jìn)結(jié)束時沉降槽寬度參數(shù)計算值

Fig. 8 Calculated values of settlement trough width parameter after pipe-jacking

由圖7—10可知： 1)沉降槽寬度系數(shù)為4～16 m。2)沉降槽寬度參數(shù)隨頂管埋深增大而減小，范圍為0.31～0.87，平均值為0.59。 3)地面最大沉降量隨著頂管埋深的增加而減小，最小值由埋深較大的19#、20#、21#頂管引起，最大值由0#頂管引起，其范圍為 0.2～2.7 mm，平均值為0.9 mm； 地面最大沉降量總體以20#頂管為中心呈對稱分布，其中，0#及5#頂管引起的地面最大沉降量比與其埋深相近的4#及33#頂管引起的地面最大沉降量大，主要原因是0#和5#頂管作為試驗管在頂進(jìn)作業(yè)技術(shù)不熟練的情況下頂進(jìn)，施工過程中存在較多偏差，導(dǎo)致地層損失較大。4)地層損失率范圍為0.3%～1.5%，對3個斷面的地層損失率取平均得 0#管頂進(jìn)時平均地層損失率為1.5%，3個斷面所有頂管頂進(jìn)結(jié)束時的平均地層損失率為0.8%。

圖9 各頂管頂進(jìn)結(jié)束時地面最大沉降量計算值

圖10 各頂管頂進(jìn)結(jié)束時地層損失率計算值

根據(jù)已有研究成果[8,10-13]及分析結(jié)果可知，沉降槽寬度系數(shù)與頂管埋深有關(guān)。對3個斷面所有埋深相同的頂管所對應(yīng)的沉降槽寬度系數(shù)分別取平均，與常用的沉降槽寬度系數(shù)經(jīng)驗公式[9,12,13,17]對比，并對其進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖11所示。

圖11 沉降槽寬度系數(shù)與頂管埋深關(guān)系

Fig. 11 Relationship between settlement trough width coefficient and pipe buried depth

由圖11可知，沉降槽寬度系數(shù)擬合曲線與各經(jīng)驗公式較為吻合。埋深小于15 m時，沉降槽寬度系數(shù)與文獻(xiàn)[17]公式的計算結(jié)果吻合度較高； 大于25 m時，逐漸偏向O′Reilly & New公式的計算結(jié)果一側(cè)，線性擬合結(jié)果為i=0.35z+2.72，相關(guān)系數(shù)為0.86。因此，由沉降槽寬度參數(shù)k=i/z可得k=0.35+2.72/z。

3 管間時空作用分析

根據(jù)地層損失率的計算結(jié)果可知，第1根頂管0#管對應(yīng)的地層損失率，即初始地層損失率為1.5%，管幕工程頂進(jìn)結(jié)束時，3個斷面所有頂管平均地層損失率為0.8%。利用Peck公式分別計算地層損失率為1.5%和0.8%時各頂管頂進(jìn)結(jié)束時的地面沉降。其中，沉降槽寬度系數(shù)采用擬合結(jié)果i=0.35z+2.72計算。通過對比地表沉降模擬值、實測值及計算值，分析頂進(jìn)作業(yè)技術(shù)熟練程度及管間作用對地表沉降的影響。

3.1 數(shù)值模擬

管幕頂進(jìn)距離遠(yuǎn)大于管道直徑，因此管幕頂進(jìn)過程可模擬成平面應(yīng)變問題。本文采用國際通用有限元軟件Plaxis2D對頂管頂進(jìn)引起的地面沉降進(jìn)行模擬。考慮消除邊界效應(yīng)，模型寬度取80 m，深度取至管幕以下2層土的底部。模型選用15節(jié)點三角形單元，共計 2 931個單元、24 747個節(jié)點，整個模型如圖12所示。

圖12 管幕模型(單位： m)

鋼管采用板單元模擬，彈性模量為210 GPa，泊松比取0.2，分別取徑向收縮率為1.5%和0.8%來控制地表沉降。假設(shè)各土層材料特性為小應(yīng)變土體硬化模型(Hss)，土層抗剪強(qiáng)度采用三軸固結(jié)排水剪切試驗的數(shù)據(jù)，剛度模量根據(jù)Plaxis手冊建議的各變形模量間的關(guān)系換算。則Eoed=Es，E50=Eoed，Eur=(3～5)Eoed，G0=(3～5)Eur，其中，Eoed為壓縮切線模量，Es為壓縮模量，E50為割線模量，Eur為卸載再加載模量，G0為剪切模量。數(shù)值模擬所采用的各項參數(shù)如表1—3所示。

表1 頂管參數(shù)

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)

表3 土層材料參數(shù)

按圖2所示的頂管接收順序分步模擬，模擬工況為： 應(yīng)力初始化—0#管開挖、支護(hù)—5#管開挖、支護(hù)……20#管開挖、支護(hù)。管幕工程第1階段(0#、5#頂管)、第2階段(9#、10#、28#、29#頂管)以及第3階段(其余群管)頂進(jìn)結(jié)束時的模擬結(jié)果如圖13—15所示(徑向收縮率取0.8%)。

圖13 管幕工程第1階段頂進(jìn)結(jié)束時的豎向變形(單位： m)

Fig. 13 Vertical ground settlement after first stage of pipe-jacking (unit: m)

圖14 管幕工程第2階段頂進(jìn)結(jié)束時的豎向變形(單位： m)

Fig. 14 Vertical ground settlement after second stage of pipe-jacking (unit: m)

圖15 管幕工程第3階段頂進(jìn)結(jié)束時的豎向變形(單位： m)

Fig. 15 Vertical ground settlement after third stage of pipe-jacking (unit: m)

由圖13—15可知： 1)管幕工程第1階段(0#頂管和5#頂管)頂進(jìn)結(jié)束后，0#頂管和5#頂管上方土體發(fā)生沉降，且頂管正上方土體沉降量最大。2)第2階段(9#、10#、28#、29#頂管)頂進(jìn)結(jié)束后，0#頂管和5#頂管上方土體沉降量進(jìn)一步增加，中部左側(cè)2個頂管上方土體出現(xiàn)沉降，靠近頂管部分土體沉降量最大，但小于0#頂管和5#頂管沉降量； 中部右側(cè)2根頂管由于埋深相對較大，且位于0#頂管和5#頂管正下方，上部土體受到頂管的加固作用，其上方土體沉降量較0#頂管和5#頂管以及中部左側(cè)2根頂管沉降量均偏小。3)第3階段結(jié)束后，整個管幕正上方土體沉降量最大，且距離管幕斷面中軸線越遠(yuǎn)土體沉降量越小。

3.2 地層損失率取1.5%

不考慮頂進(jìn)技術(shù)熟練程度及管間作用對后頂管地層損失率的影響，所有頂管統(tǒng)一按地層損失率1.5%計算地面沉降，將各管頂進(jìn)引起的地表沉降簡單疊加，得到各管頂進(jìn)結(jié)束時的地表累計沉降量如圖16—18所示。

圖16管幕工程第1階段頂進(jìn)結(jié)束時的地表累計沉降量(地層損失率為1.5%)

Fig. 16 Cumulative ground surface settlement after first stage of pipe-jacking (ground loss ratio of 1.5%)

圖17管幕工程第2階段頂進(jìn)結(jié)束時的地表累計沉降量(地層損失率為1.5%)

Fig. 17 Cumulative ground surface settlement after second stage of pipe-jacking (ground loss ratio of 1.5%)

圖18管幕工程第3階段頂進(jìn)結(jié)束時的地表累計沉降量(地層損失率為1.5%)

Fig. 18 Cumulative ground surface settlement after third stage of pipe-jacking (ground loss ratio of 1.5%)

由圖16—18可以看出： 當(dāng)不考慮頂進(jìn)技術(shù)的熟練程度及管間作用對后頂管地層損失率的影響時，第1階段2根試驗管頂進(jìn)結(jié)束時的地表沉降計算值與實測值吻合度較高，管間作用不明顯； 第2階段各頂管頂進(jìn)結(jié)束時，地表沉降計算值和模擬值明顯大于實測值，由于該階段頂管數(shù)量不多，管間作用不明顯，出現(xiàn)地表沉降減小的原因主要是頂管頂進(jìn)技術(shù)熟練程度的提高使地層損失得到了控制； 第3階段頂進(jìn)結(jié)束時，除了受頂進(jìn)技術(shù)熟練程度的影響，還由于先頂管群對土體具有加固作用，限制了管幕上方的土體變形，導(dǎo)致地表沉降計算值近似為實測值的1倍，差值約為16 mm。

3.3 地層損失率取0.8%

考慮頂進(jìn)技術(shù)的熟練程度及管間作用對后頂管地層損失率的影響，所有頂管按平均地層損失率 0.8%計算地面沉降，各頂管頂進(jìn)結(jié)束時的地表累計沉降量如圖19—21所示。

圖19管幕工程第1階段頂進(jìn)結(jié)束時的地表累計沉降量(地層損失率為0.8%)

Fig. 19 Cumulative ground surface settlement after first stage of pipe-jacking (ground loss ratio of 0.8%)

圖20管幕工程第2階段頂進(jìn)結(jié)束時的地表累計沉降量(地層損失率為0.8%)

Fig. 20 Cumulative ground surface settlement after second stage of pipe-jacking (ground loss ratio of 0.8%)

圖21管幕工程第3階段頂進(jìn)結(jié)束時的地表累計沉降量(地層損失率為0.8%)

Fig. 21 Cumulative ground surface settlement after third stage of pipe-jacking (ground loss ratio of 0.8%)

由圖19—21可知： 當(dāng)考慮頂進(jìn)技術(shù)的熟練程度及管間作用對后頂管地層損失率的影響后，管幕工程第1階段和第2階段6根頂管的地表沉降實測值約為最大計算值的1倍；第3階段所有頂管頂進(jìn)結(jié)束時，地表沉降計算值、模擬值及實測值吻合度較高。此結(jié)果與地層損失率取1.5%時的結(jié)果正好相反。

4 結(jié)論與討論

1)拱北隧道管幕工程37根頂管全部頂進(jìn)結(jié)束時，各斷面的瞬時地表沉降曲線呈拋物線狀，地表最大沉降點靠近管幕中軸線，最大沉降量在20～25 mm，滿足地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)單根頂管引起的沉降槽寬度系數(shù)隨頂管埋深的增大而增大；地面最大沉降量隨頂管埋深的增大而減小，平均值為0.9 mm；地層損失率為0.3%～1.5%，平均地層損失率為0.8%。

3)頂管頂進(jìn)技術(shù)熟練程度的提高減少了地層損失，同時，先頂管群對土體的加固作用限制了土體變形，有效控制了地表沉降。

鑒于頂管間的相互作用，下一步可通過分析不同頂管頂進(jìn)順序下的地表變形規(guī)律，確定合理的頂進(jìn)順序，進(jìn)一步控制地表沉降，為類似管幕工程的設(shè)計和施工提供有益參考。