淺覆土小間距矩形頂管施工地表變形控制技術(shù)

韓占波， 豆小天， 曹偉明， 王晉波， 趙李勇， 鄭麗軍

(1. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河 065201)

0 引言

頂管法具有機械化施工、主體結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝、對地上交通及環(huán)境影響小的優(yōu)勢，在城市地下空間開發(fā)中被廣泛應(yīng)用。其中矩形頂管的空間利用率高和開挖土方量少，相比圓形頂管更具優(yōu)勢。目前，矩形頂管技術(shù)在國內(nèi)已成功應(yīng)用于綜合管廊、地鐵區(qū)間隧道、地下過街通道等多個工程項目。但是，在頂管工程施工過程中不可避免地會引起地層擾動，造成地表變形，施工過程存在較大安全風(fēng)險。

國內(nèi)學(xué)者通過現(xiàn)場試驗、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及借助數(shù)值模擬手段，對頂管施工地表變形規(guī)律及機制進行研究，取得了良好成果[1-3]。在頂管施工地表變形產(chǎn)生的原因方面，相關(guān)研究[4-6]表明，頂管施工過程的地層損失是產(chǎn)生地表沉降的主要因素，而土艙壓力主要影響掘進面的地表土體隆起變形。在變形控制技術(shù)方面，袁凱等[7]研究采用渣土改良、控制頂進速度、同步注漿等技術(shù)有效控制了地表變形； 朱劍等[8]提出了頂管機頭上抬、加設(shè)注漿套板、管節(jié)減摩注漿以及合理的頂進參數(shù)等變形控制措施； 榮亮等[9]針對鄭州市下穿中州大道矩形頂管隧道工程，研究了頂管機防背土、頂管隧道止退等沉降控制關(guān)鍵技術(shù)； 顧陽華[10]、王偉[11]、 楊燁旻[12]、李錚華[13]分別依托具體頂管工程，對施工風(fēng)險控制、地表沉降控制等進行了總結(jié)及分析。

本文依托某地下停車場試驗項目，為國內(nèi)外首例嘗試采用結(jié)構(gòu)分割轉(zhuǎn)換工法(cut and convert method, 簡稱“CC”工法)施工的裝配式地下工程，頂管施工為淺覆土的隧道群小間距掘進。因此，該工程與常規(guī)單線頂管隧道，以及已實施完成的小間距隧道群工程有所不同，其變形規(guī)律及變形控制措施具有特殊性。需在常規(guī)頂管工程地表變形研究基礎(chǔ)上，進一步探討本工程中地表變形控制技術(shù)。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某地下停車場試驗項目，為采用CC工法的頂管施工大型裝配式地下工程。該地下停車庫規(guī)模為34.2 m×85.8 m(寬×長)，為地下1層結(jié)構(gòu)，設(shè)計停車位約99個。該項目采用頂管法施工，東端為頂管始發(fā)井，坑底尺寸為36.548 m×13.468 m(長×寬)，工作井深9.1 m；西端為頂管接收井，坑底尺寸為36.548 m×9.468 m(長×寬)，工作井深9.1 m；頂進長度為61.58 m，頂管埋深為3.0 m。地下停車場示意圖如圖1所示。

圖1 地下停車場示意圖

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

本場地勘探范圍內(nèi)揭露的第四系(Q)沉積地層，自上而下分別為雜填土、粉砂、粉土、黏土及粉砂。場區(qū)地質(zhì)剖面如圖2所示，各土層參數(shù)如表1所示。本項目地下停車場明挖基坑段及頂管施工段結(jié)構(gòu)底板最大埋深為9.15 m，主體結(jié)構(gòu)全部位于粉土層，土性為稍濕，稍密—中密，土層分布連續(xù)。在本次勘探深度范圍內(nèi)地下水類型為第四系潛水。場地地下水位埋深約18 m。

圖2 場區(qū)地質(zhì)剖面

土層層厚/m重度/(kN/m3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)壓縮模量/MPa雜填土0.3516810粉砂1.6617101512.0粉土12.6516.810.927.19.0黏土1.3119.714.617.28.5粉砂1017.2101516.5

1.3 CC工法頂管施工特點

CC工法的核心是結(jié)構(gòu)分割及受力體系轉(zhuǎn)換。根據(jù)地下空間的建筑需求及目前的建造技術(shù)，將地下空間斷面分割為若干易于施工的小單元，逐個分部施工，通過空間結(jié)構(gòu)改造將諸多小空間轉(zhuǎn)換為大空間，最終完成地下空間開發(fā)的施工方法。該類工法可采用盾構(gòu)或頂管等方法實現(xiàn)。

隧道群分割及施工順序如圖3所示。首先進行結(jié)構(gòu)分割，將大型矩形斷面劃分為小型斷面，則原大型地下空間分割為7個密貼頂管隧道群，每條隧道長度為61.5 m，依序進行頂管推進施工。因分割斷面的特殊性，利用定制的成套施工裝備，采用1臺5.02 m×5.74 m頂管機頂推中間5跨，其余2個邊跨待頂管機改裝斷面為5.02 m×2.87 m，再分別從東往西頂進，分別依序始發(fā)、接收。待2個相鄰頂管隧道獨立成型之后，需要進行頂管隧道群的合并，進行整體的受力轉(zhuǎn)換，形成大型矩形斷面結(jié)構(gòu)。

圖3 隧道群分割及施工順序

本工程因采用CC工法建造，為多條隧道并行的小間距頂管施工，且頂管埋深較淺，因此對施工過程的變形控制要求較高。

2 地表變形的影響因素分析

因本工程采用特殊的CC工法進行頂管施工，其工程場區(qū)覆土厚度、相鄰隧道密貼施工的交互影響、頂管施工過程的地層損失等諸多因素，都會在一定程度上對隧道上方地表變形產(chǎn)生影響。

2.1 上覆土厚度的影響

本工程采用5.02 m×5.74 m組合式矩形頂管機，頂管機截面面積較大，若等效成面積相同的圓形截面則等效半徑為3 m，按圓形頂管的標(biāo)準(zhǔn)屬于大口徑頂管，埋深一般要求不小于6 m；但本工程上覆土只有3 m，埋深較淺，施工時頂管機及管節(jié)上方土體整體穩(wěn)定性難以保證，在推進過程中掌子面土體容易出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，地表則表現(xiàn)為較大的土體沉降變形。

2.2 相鄰隧道小間距施工的影響

不同于其他頂管施工，頂管機與既有管節(jié)的關(guān)系如圖4所示。本工程隧道群相鄰2條隧道管節(jié)之間的間距為30 mm，頂管機與既有相鄰管節(jié)之間間距為10 mm，間距極小，在頂管施工過程中相鄰隧道間會產(chǎn)生交互影響。一方面，開挖中的隧道會對其周邊已完成隧道及土體產(chǎn)生擾動； 另一方面，因已完成隧道距開挖隧道距離極小，其前期開挖過程已造成了周邊土體的擾動，改變了土體顆粒間的接觸應(yīng)力，影響了其固結(jié)狀態(tài)，待開挖該處的隧道時，已經(jīng)擾動的土體則更易發(fā)生變形，甚至發(fā)生失穩(wěn)問題。

圖4 頂管機與既有管節(jié)的關(guān)系

Fig. 4 Positioning relationship between pipe jacking machine and existing pipe section

另外，隧道的小間距施工，受到已掘進完成的相鄰隧道管節(jié)空間位置的影響，施工時的軸線姿態(tài)控制及糾偏可能會受到一定的限制，進而影響掘進姿態(tài)，可能導(dǎo)致土體變形。

2.3 地層損失的影響

頂管施工過程中，產(chǎn)生地層損失的原因是多方面的。本工程采用多條小間距隧道群施工，掘進過程中不可避免地會出現(xiàn)地層損失的現(xiàn)象。

2.3.1 頂管機與管節(jié)外徑差引起的地層損失

頂管機與管節(jié)外徑差示意圖如圖5所示。本工程所用頂管機外徑尺寸如下： 分體前頂管機外徑尺寸為5.02 m×5.74 m,管節(jié)外徑尺寸為5 m×5.7 m；分體后頂管機外徑尺寸為5.02 m×2.87 m,管節(jié)外徑尺寸為5 m×2.85 m。在正常推進時需要通過注漿來填充頂管機與管節(jié)的外徑差，但在出現(xiàn)漏漿或者注漿量不足時，在外徑差的影響下，頂管機上方土體則會發(fā)生沉降，引起地層損失。

圖5 頂管機與管節(jié)外徑差示意圖

Fig. 5 Distance difference of eternal diameter between pipe jacking machine and pipe section

2.3.2 超欠挖引起的地層損失

頂管施工時，隨著土質(zhì)和掘進速度及出土量的變化會造成一定的超欠挖，主要集中發(fā)生于掌子面。當(dāng)出現(xiàn)超挖時則地表會發(fā)生沉降，反之，因頂推力的作用，地表會發(fā)生隆起。實際施工中，超挖現(xiàn)象較為突出，所以在頂管掘進過程中應(yīng)嚴格控制出渣量，防止地面變形。

2.4 注漿效果影響

施工時需采用觸變泥漿進行同步注漿，起到潤滑減阻、支撐地層等作用。若注漿效果不佳，如未及時形成完整、有效的泥漿套，則可能導(dǎo)致頂管推力增大，進而引起后期的較大變形。另外，隧道貫通后，觸變泥漿勢必會失水、收縮和固結(jié)，造成地表后期持續(xù)沉降。

3 地表變形控制措施

通過對地表變形影響因素的分析,針對本項目特殊工況，在頂管推進過程中采取相關(guān)控制措施，以達到控制變形的目的。

3.1 控制掘進速度

頂管機在施工過程中，若開挖面被嚴重擠壓,土體會發(fā)生較大的變形，工作面前方地表可能會出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。一般情況下，頂管的掘進速度控制為20 mm/min內(nèi)。在本工程中,由于始發(fā)和接收洞門區(qū)域為回填水泥土，土質(zhì)較硬，故設(shè)定頂進速度控制為5～10 mm/min； 隧道正常推進段土質(zhì)較為松軟，故設(shè)定頂進速度控制為10～15 mm/min。在掘進過程中，根據(jù)實際情況，結(jié)合掘進姿態(tài)、注漿速度、螺旋輸送機出土速度等多種因素，實時調(diào)整掘進速度，以保證掘進過程的穩(wěn)定作業(yè)。

3.2 控制土艙壓力

控制開挖面穩(wěn)定的關(guān)鍵是控制作用在開挖面內(nèi)的土壓力，從而控制地表隆起和沉降。本工程采用土壓平衡式頂管機螺旋機出土，出土量與頂進速度之間如若協(xié)調(diào)不當(dāng)，則會導(dǎo)致正面土體的超挖或欠挖，從而引起土艙壓力的變化。當(dāng)土艙壓力增加到一定程度時，頂管上方土體即發(fā)生隆起變形；當(dāng)土艙壓力不足、刀盤壓力較小時，掘土量過大導(dǎo)致工作面土體損失，引起地表沉降的發(fā)生。結(jié)合本工程實際情況，通過傳感器來監(jiān)測土艙壓力的變化，在理想狀態(tài)下土艙壓力為0.017 MPa,但在實際掘進過程中土艙壓力一般控制為0.02 MPa。在實際施工中，通過設(shè)備系統(tǒng)自動調(diào)壓及實時監(jiān)測周圍土體擾動情況，調(diào)整掘進速度，協(xié)調(diào)掘土量與出土量的關(guān)系，保證土艙壓力的穩(wěn)定。

3.3 注漿

為減小隧道及地層間的摩阻力，施工時需同步注漿及二次注漿，頂管同步注漿漿液采用觸變泥漿，起到潤滑減阻、支撐地層等作用。

注漿時必須遵循“先壓后頂、隨頂隨壓、及時補漿”的原則，確保及時形成完整的泥漿套。由于頂管隧道覆土較淺，同步注漿時，選用壓力穩(wěn)定的螺桿泵進行注漿，以確保觸變泥漿壓入地層時的壓力穩(wěn)定、精確，防止觸變泥漿擊穿地層。同時在注漿孔端部安裝壓力傳感器，以確保注漿壓力的精確。

根據(jù)本工程實際情況，每m注漿量計算公式為V=(F1-F2)×1(F1為頂管機的截面積；F2為管節(jié)的截面積)，則V=(5.02×5.74-5×5.7)×1=0.3 m3。由于管道頂進過程中，糾偏、漏漿和漿液的失水等因素，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，選擇理論計算的2～4倍為實際注漿量。

二次注漿主要起到保證觸變泥漿套的完整及補充地層損失的作用。在頂管推進過程中，每掘進10～15 m完成一次整條隧道的二次注漿，其注漿量可根據(jù)頂管推力、地層參數(shù)、泥漿性能、地表沉降等參數(shù)進行確定，一般為同步注漿量的0.2～0.3倍。

在頂管隧道貫通后需進行置換注漿，及時壓注水泥漿，置換或填充施工過程中的觸變泥漿，固結(jié)隧道和地層。置換或填充注漿順序如下: 環(huán)向為從管節(jié)的頂部對稱向下部進行施工； 軸向為從隧道的一個洞門處順序注漿至另一個洞門。

3.4 控制出渣量

本工程管節(jié)標(biāo)準(zhǔn)尺寸為1.5 m/環(huán)，正常推進情況下，頂管機分體前每推進1環(huán)的出土量為 1.5×5.02×5.74=43.2 m3，頂管機分體后每推進1環(huán)的出土量為1.5×5.02×2.87=21.6 m3，根據(jù)本工程實際土質(zhì)情況，考慮出渣的松散系數(shù)為1.21倍，根據(jù)渣斗尺寸控制出渣量。

3.5 控制頂進姿態(tài)

頂管頂進過程中，需對頂進姿態(tài)進行調(diào)整和控制，若頂管頂進軸線偏差過大，發(fā)生超挖或者欠挖，則會造成管外周地層的損失或土壓變化。因此，本工程頂管頂進過程中，需對頂進姿態(tài)進行實時監(jiān)測與控制，并及時糾偏。

施工時采用MTG-M頂管自動導(dǎo)向系統(tǒng)進行掘進姿態(tài)監(jiān)測。當(dāng)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)向姿態(tài)偏離軸線時，需及時調(diào)整鉸接行程差，且調(diào)整幅度不宜過大，調(diào)整行程差一般為5～10 mm。當(dāng)頂管機掘進姿態(tài)偏差比較大，僅靠鉸接油缸無法完成頂管機趨勢的調(diào)整時，則需同時調(diào)整主動油缸的行程差，在推力滿足推進的情況下，在油缸縮短的一側(cè)可以減少使用1根或者2根油缸。

4 變形監(jiān)測

4.1 監(jiān)測方案

地表變形監(jiān)測點位布置圖如圖6所示。從始發(fā)井端頭開始，沿每條隧道軸線上方設(shè)置地表變形監(jiān)測點，間距為5 m，直至接收井，每排布設(shè)13個點位(7排)，共計91個點位。監(jiān)測頻率為從始發(fā)井到機頭開挖面前10 m內(nèi)連續(xù)跟蹤量測，3次/d，日變形量變化較大時需加大監(jiān)測頻率,至穩(wěn)定為止。

圖6 地表變形監(jiān)測點位布置圖

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

4.2.1 1#隧道地表變形控制分析

1#隧道地表變形部分監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示。可以看出： 1)1#隧道在推進至第5環(huán)時，地表變形相對比較穩(wěn)定，但推進至第7環(huán)時，D4-2、D4-3監(jiān)測點發(fā)生較大沉降，沉降值分別達到-4.37 mm和-3.04 mm； 2)在頂管機掘進至第10環(huán)時，地表變形進一步增大，D4-2、D4-3監(jiān)測點沉降值分別為-6.25 mm和-5.33 mm。

表2 1#隧道地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

通過對施工現(xiàn)場分析，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是掘進速度較快，注漿不及時，導(dǎo)致泥漿套未能及時有效地形成，上方土體發(fā)生一定程度的流失，導(dǎo)致沉降較大。針對此現(xiàn)象，現(xiàn)場隨即采取措施，將土艙壓力調(diào)整至0.02 MPa，并對盾體后方進行補充注漿。1#隧道地表變形如圖7所示。可以看出： 通過采取控制措施，當(dāng)掘進至第14環(huán)時，D4-2、D4-3監(jiān)測點沉降值分別為-4.95 mm和-4.88 mm，表明采取控制措施后，地表沉降幅度有所降低，變形值控制為5 mm以內(nèi)，前期地表變形較大區(qū)域已開始呈現(xiàn)穩(wěn)定的變形趨勢。

圖7 1#隧道地表變形

4.2.2 施工對相鄰隧道地面變形控制分析

在1#頂管隧道施工時，記錄尚未進行施工的相鄰2#、3#隧道地表的變形累計量。1#隧道施工時1#、2#、3#隧道地表變形數(shù)據(jù)如表3所示。1#隧道掘進時相鄰隧道地表變形如圖8所示。

表3 1#隧道施工時1#、2#、3#隧道地表變形數(shù)據(jù)

Table 3 Surface deformation data of tunnel #1, #2 and #3 during construction of tunnel #1

監(jiān)測斷面地表變形/mm1#隧道2#隧道3#隧道1-4.980.050.252-5.69-3.25-2.823-1.120.791.954-5.02-0.1-0.025-1.062.25-1.263.08-2.51-2.4376.372.372.3980.0200.059-4.92-1.02-0.7310-5.810.080.111-5.250.05-0.1812-4.15-1.05-0.1213-3.03-0.98-0.88

圖8 1#隧道掘進時相鄰隧道地表變形

Fig. 8 Surface deformation of adjacent tunnels during construction of tunnel #1

由表3和圖8可以看出：

1)在1#隧道掘進完成后，地表變形在安全范圍內(nèi)，最大隆起值為6.37 mm，最大沉降值為-5.69 mm。

2)2#、3#隧道分別位于1#隧道兩側(cè)相同距離，其軸線上方地表變形呈現(xiàn)相似的變化趨勢，該區(qū)域內(nèi)土體變形較穩(wěn)定，未出現(xiàn)局部突變的問題。

3)1#隧道在掘進前半段時，地表沉降和隆起均較突出，進而引起了相鄰2#、3#隧道相應(yīng)的變形，在推進至20環(huán)時，因1#隧道地表隆起較大同時造成2#、3#隧道也產(chǎn)生較大的地表隆起，現(xiàn)場采取控制推進速度、加大出土量等措施，隆起現(xiàn)象開始減緩，變形曲線逐漸恢復(fù)穩(wěn)定趨勢。

4.2.3 施工對已完成隧道地表變形分析

在2#隧道頂管施工時，記錄1#、2#隧道上方地表的累計變形量，并與1#隧道施工完成時的累計變形量進行比較，分別得出1#、2#隧道在2#隧道掘進過程的累計凈變化量。2#隧道施工地表變形數(shù)據(jù)如表4所示，2#隧道掘進時相鄰隧道地表變形如圖9所示。

由表4和圖9可以看出：

1)在2#隧道掘進過程中，地表最大沉降為-8.09 mm，較1#隧道掘進過程的沉降(-5.69 mm)大，原因主要是在已受到前期1#隧道施工擾動的影響下，該部分土體穩(wěn)定性有所降低，施工2#隧道時，土體更易發(fā)生變形。

2)在D4—D7斷面內(nèi)，即距離始發(fā)洞門15～30 m時，地表產(chǎn)生了隆起變形，最大凈隆起量為3.78 mm，該現(xiàn)象主要是因為現(xiàn)場出現(xiàn)了欠挖現(xiàn)象，掌子面土艙壓力過大。隨即采取加快出土速度，協(xié)調(diào)掘進與出土速度，地表隆起趨勢減弱，逐漸轉(zhuǎn)為較小沉降的變化趨勢，直至穩(wěn)定。

3)1#隧道地表變形與2#隧道地表變形趨勢相近，說明2#隧道施工過程對相鄰已完成的1#隧道地表變形呈正相關(guān)。2#隧道地表沉降量大時，1#隧道沉降也相對較大； 2#隧道地表隆起量大時，1#隧道也有所隆起，但對隆起量的影響程度沒有沉降的影響大。這種現(xiàn)象可能是由于受2條相鄰隧道先后施工擾動的影響，該區(qū)域內(nèi)地層土體穩(wěn)定性及整體性均變差，土體易流失，沉降易發(fā)生，而難恢復(fù)。

表4 2#隧道施工地表變形數(shù)據(jù)

圖9 2#隧道掘進時相鄰隧道地表變形

Fig. 9 Surface deformation data of adjacent tunnels during construction of tunnel #2

4)針對上述變形特征，在施工2#隧道時，嚴格控制各項頂進參數(shù)，及時注漿減摩，預(yù)防上方淺覆土的較多流失，穩(wěn)定地層。另外，對已施工完成的1#隧道，將前期注入的減摩泥漿進行置換注漿，加固土層。現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明，通過這些措施的實施，2條隧道在施工后期的變形趨勢穩(wěn)定，未發(fā)生較大的變形問題。

4.2.4 頂推過程地表變形控制分析

通過研究頂推開挖面在推進過程中的不同階段的地表實時變形規(guī)律，從而在不同階段采取相應(yīng)的變形控制措施，減小地表變形。以1#隧道掘進過程中，監(jiān)測點D4-5(接近始發(fā)端)、D4-8 、D4-12(遠離始發(fā)端)，在頂管機刀盤距各測點前后各5 m的推進距離內(nèi)的變形數(shù)據(jù)進行分析，1#隧道頂進過程地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)如表5所示。1#隧道頂進過程地表變形曲線如圖10所示。

表5 1#隧道頂進過程地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

Table 5 Monitoring data of surface deformation during construction of tunnel #7

開挖面距離/m累計變形量/mmD4-4D4-8D4-12-5-0.880.11-1.32-40.230.820.12-3-0.450.33-0.78-2-0.98-1.43-2.04-1-1.93-2.54-2.770-5.05-3.77-4.341-4.68-3.85-4.522-4.38-3.31-3.783-4.29-3.21-3.694-4.33-3.26-3.615-4.28-3.22-3.67

圖10 1#隧道頂進過程地表變形曲線

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，該3個點位的變形曲線趨勢基本相同，可以分為以下4個階段進行分析。

4.2.4.1 開挖面到達監(jiān)測點之前

各監(jiān)測點變形較小，在初期開挖面前方的土體由于受到頂推力的擠壓作用表現(xiàn)為輕微的隆起。隨后，地表變形表現(xiàn)為小幅度的持續(xù)下沉，結(jié)合現(xiàn)場工況，考慮產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是出土速度過快，土艙壓力不足，土體發(fā)生少量流失。

4.2.4.2 開挖面到達監(jiān)測點時

此時各點均發(fā)生沉降，且D4-4的單次沉降量最大，這是因為現(xiàn)場出現(xiàn)了超挖現(xiàn)象,開挖面地層損失導(dǎo)致地表發(fā)生沉降。

4.2.4.3 開挖面通過監(jiān)測點時(監(jiān)測點在開挖面后方5 m左右)

此時,監(jiān)測點出現(xiàn)了較大沉降量。這一階段,由于頂進過程中，因摩阻力的影響，與土體直接接觸的機身、管節(jié)必然會引起部分土的流失，進而導(dǎo)致土體沉降。另外，由于施工中存在注漿作業(yè)及漿液產(chǎn)生效果的延時性，不可避免地會造成一定程度的土體流失，引起上方土體的下沉。

現(xiàn)場施工時，通過嚴格控制超欠挖、及時進行注漿作業(yè)，并對掘進速度進行了調(diào)整，地表沉降趨勢有所穩(wěn)定。

4.2.4.4 頂管機機尾離開監(jiān)測點時(監(jiān)測點在開挖面后方10 m左右)

在頂管機機尾離開監(jiān)測面時,地面監(jiān)測點會有持續(xù)的沉降，但變化量較小，這是因為頂管機與后續(xù)管節(jié)間的結(jié)構(gòu)間隙以及隧道周圍土體的應(yīng)力松弛引起的。

4.3 地表變形異常及原因分析

本工程施工7#隧道過程中，出現(xiàn)了隧道上方地表變形超限。7#隧道頂管施工過程中，在頂進第6、7環(huán)時，地面變形情況相對比較穩(wěn)定，但掘進至第9環(huán)時監(jiān)測點D1-1、D1-2、D1-3突然出現(xiàn)急劇下沉，在后續(xù)的推進過程中，沉降量還在持續(xù)增大，但除此之外的點位地表沉降變化較穩(wěn)定，并無明顯變化。7#隧道地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)如表6所示，7#隧道地表變形曲線如圖11所示。

表6 7#隧道地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

通過對現(xiàn)場該區(qū)域地表道路、土性參數(shù)、地表變形曲線以及頂推參數(shù)等綜合分析可知，導(dǎo)致地表局部變形超限的主要原因如下。

1)本工程為隧道群小間距施工，在1條隧道掘進過程中，必然會對其周邊隧道土體產(chǎn)生擾動，造成不同程度的變形。7#隧道為最后1條掘進隧道，其他6條隧道在掘進時已對其產(chǎn)生了多次影響，土體穩(wěn)定性已經(jīng)相對較差，本身極易產(chǎn)生較大變形。

圖11 7#隧道地表變形曲線

2)場區(qū)地面結(jié)構(gòu)面層為地板磚，下層為結(jié)構(gòu)土體，中間澆筑混凝土墊層。在施工其他隧道時，該隧道上方土體可能已經(jīng)發(fā)生了少量的土體流失，在未掘進時，監(jiān)測數(shù)據(jù)雖有變化但仍處于正常范圍。待掘進時，各項掘進參數(shù)未作特殊調(diào)整的情況下，導(dǎo)致了地層變形的進一步惡化。

3)與該隧道位置對稱的6#隧道先行施工，掘進過程中姿態(tài)控制良好，未發(fā)生較大變形。施工7#隧道時，類比6#隧道掘進參數(shù)，仍按較大的頂推力持續(xù)作業(yè)。又因隧道覆土較淺，頂管、管節(jié)與上覆土存在較大的摩阻力，最終發(fā)生了背土，導(dǎo)致上覆土體更為嚴重的流失，繼而在局部產(chǎn)生過大的地表沉降。

5 結(jié)論與建議

1)影響本項目頂管施工地表變形的因素有上覆土厚度、施工過程地層損失、相鄰隧道小間距施工的土體擾動作用等。

2)提出了采取控制掘進速度、控制土艙壓力、控制注漿量、控制出渣量、控制頂進姿態(tài)等地表沉降控制技術(shù)措施。

3)對施工過程地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，在頂推過程的各個階段，地表變形呈現(xiàn)不同的特點。當(dāng)出現(xiàn)變形過大時，通過調(diào)整土艙壓力、補充注漿等控制變形措施，可有效控制地表變形，使其逐漸趨于穩(wěn)定變化狀態(tài)。

4)研究分析7#隧道地表變形超限問題的原因，主要為該隧道在多次受到其他隧道施工擾動，未能采取調(diào)整頂推力等參數(shù)的控制措施條件下，上覆土體發(fā)生了背土效應(yīng)，導(dǎo)致土體急劇沉降。在頂管施工過程中，及時采取有效的地表變形控制措施，對工程安全施工具有十分重要的意義。

本工程為試驗性項目，具有其特殊的工程特性，本文主要對該試驗項目中采用到的控制措施的應(yīng)用效果進行了一些探討。對于各項控制措施對變形控制的影響程度，各項措施的協(xié)調(diào)控制，以及對于這種特殊工程，是否還有適應(yīng)性更強、效果更佳、更具創(chuàng)新性的控制技術(shù)等問題，有待進一步研究，以達到更好的控制效果。