S形空間曲線頂管施工引起的土體變形分析

鄭青

（北京市政建設(shè)集團有限責(zé)任公司，北京100079）

隨著國家經(jīng)濟的迅速發(fā)展，城市地上建筑空間由于各類基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)而趨于飽和。為繼續(xù)適應(yīng)現(xiàn)代化城市建設(shè)，城市地下空間的利用和開發(fā)變得越來越重要。

大部分的市政管線和配套設(shè)施都由地上轉(zhuǎn)到地下。新建工程的出現(xiàn)，以及前期各單位無規(guī)劃開發(fā)，必然導(dǎo)致地下空間的情況復(fù)雜。在新建地下管線或改建管線時，采用頂管施工可對城市上方建（構(gòu)）筑物起到明顯保護作用。曲線頂管可以使管節(jié)沿設(shè)計線形軌跡頂進，可在一定程度上避開障礙物，被廣泛運用于城市各類功能管線的隧道工程中［1-3］。

對于頂管沿直線頂進引起的土體變形，國內(nèi)外已有較多的研究，主要使用理論分析法、經(jīng)驗公式法、數(shù)值模擬法對隧道開挖導(dǎo)致的土體損失，管土之間的摩阻力、注漿等因素導(dǎo)致的地表沉降做了深入的研究，結(jié)果表明直線頂管施工引起的橫向地表沉降曲線以頂管隧道軸線為中心對稱分布［4-6］。研究頂管沿曲線頂進的作用機理及預(yù)測有著非常重要的工程價值和理論意義，但目前有關(guān)研究較少，尤其是對頂管隧道沿空間曲線頂進引起的土體變形規(guī)律的研究更是屈指可數(shù)［7］。

本文以寧波市220 kV潘橋新建電力頂管隧道工程為依托，分析泥水平衡頂管沿S形空間曲線頂進施工引起地表變形機理，結(jié)合實際工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，對S形空間曲線頂管施工地表沉降規(guī)律進行總結(jié)。

1 工程概況

寧波市潘橋新建電力頂管隧道工程一期遷建4#井—3#井頂管段全長約994 m。采用泥水平衡頂管，頂進長度為994 m，管節(jié)內(nèi)徑為4 000 mm，外徑為4 640 mm，管節(jié)長度為2.5 m。區(qū)間隧道從4#井出發(fā)后以2.63%（半徑R=2 000 m豎曲線）上坡至最高點，而后以0.87%（R=5 000 m豎曲線）及0.3%（R=5 000 m豎曲線）下坡到達3#井。其中R=2 000 m豎曲線與R=700 m的平曲線疊合形成長159.2 m的空間曲線段，如圖1所示。

圖1 頂管平縱面示意

本段頂管隧道埋深為10.7～17.6 m。根據(jù)地質(zhì)資料，本段頂管施工穿越的土層主要由雜填土、黏性土、淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、沙質(zhì)粉土。監(jiān)測斷面土層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 監(jiān)測斷面土層物理力學(xué)參數(shù)

2 地表變形監(jiān)測方案

在4#井出口S形空間曲線段軸線及關(guān)鍵斷面布置地表沉降測點。根據(jù)觀測要求，地表沉降測點采用直徑25 mm螺紋鋼，埋深1～2 m的淺埋標志［8］。橫斷面測點以頂管軸線為中心兩側(cè)對稱布置。從始發(fā)井端開始由近及遠布置5個關(guān)鍵橫斷面，編號為DC2-X—DC18-X。距離始發(fā)井最近的斷面為DC2-X，距始發(fā)井6 m，后續(xù)4個斷面距始發(fā)井距離分別為16，26，56，86 m。每個斷面測點間距按照近密遠疏的原則布置，由軸線向兩側(cè)延伸間距分別為2，3，5，8 m；縱斷面監(jiān)測沿軸線布設(shè)測點，間距為5 m，如圖2所示。

圖2 隧道地表沉降測點布置

3 試驗結(jié)果分析

3.1 地表橫斷面變形

選取試驗段上不同位置斷面作為關(guān)鍵斷面，其中DC2-X，DC4-X為直線段斷面，DC6-X為直線轉(zhuǎn)曲線段斷面，DC12-X，DC18-X為空間曲線段斷面。分別對不同位置的斷面沉降槽進行分析，比較直線段、直線轉(zhuǎn)曲線段與空間曲線段沉降槽形態(tài)，總結(jié)空間曲線段斷面沉降槽形態(tài)規(guī)律。

直線段最大沉降發(fā)生在斷面DC4-X，見圖3。可見在直線段，頂管頂進引起的斷面沉降以頂管軸線為中心對稱分布，最大沉降值發(fā)生在軸線處，且離軸線越遠沉降值越小。頂管出洞軌跡為坡度0.3%的上坡，更換第4節(jié)管節(jié)進洞后油缸回收出現(xiàn)后退現(xiàn)象，機頭及管節(jié)出現(xiàn)回退，造成刀盤掌子面卸荷，土體變形較大，地表沉降最大達到250 mm。可見，頂管直線段施工引起地表沉降由軸線向兩側(cè)減弱。直線段沉降槽中心位于隧道軸線上，斷面沉降值以沿軸線為中心左右對稱。

圖3 頂進前后直線段斷面DC4-X沉降槽形態(tài)

頂管從直線段進入曲線段，頂進前后斷面DC6-X沉降槽形態(tài)見圖4。可知，沉降槽形態(tài)明顯不對稱，其沉降最大值位于曲線軌跡內(nèi)側(cè)，且內(nèi)側(cè)沉降槽形態(tài)變化劇烈。這說明頂管對內(nèi)側(cè)土體擾動更大［9］。

圖4 頂進前后斷面DC6-X沉降槽形態(tài)

圖5 頂進前后曲線段斷面DC12-X，DC18-X沉降槽形態(tài)

S形空間曲線段斷面DC12-X和DC18-X的沉降槽形狀見圖5。可知：斷面DC12-X頂進前地表輕微沉降，范圍在5 mm以內(nèi)；隧道頂進中同步注漿，地表輕微隆起，軸線隆起最大值在5 mm以內(nèi)，頂管機頂進斷面后，頂管機同步注漿量由3.50 m3增至3.75 m3，且保持不變，導(dǎo)致地表隆起較大，最大隆起值達到25 mm，且測點隆起無規(guī)律。隨后土體固結(jié)，頂進20 d后最終沉降達到最大值15 mm。斷面DC12-X和DC18-X都是在曲線外側(cè)距軸線0.5D（D為隧道直徑）處沉降最大，且繼續(xù)向外側(cè)發(fā)展，地表變形變?yōu)槁∑穑磺€內(nèi)側(cè)在頂進過程中表現(xiàn)為隆起，且向邊緣隆起值減小。這是因為，頂管在曲線段頂進，機頭向內(nèi)側(cè)糾偏，導(dǎo)致頂管內(nèi)側(cè)與土體擠壓，擠土效應(yīng)使得土體隆起，且軸線處擠土效應(yīng)最明顯，向邊緣減弱［10］。曲線軌跡向內(nèi)側(cè)糾偏導(dǎo)致外側(cè)與土體產(chǎn)生空隙，且由于頂管豎曲線及豎向坡度都是向地表延伸，頂管在平曲線段轉(zhuǎn)彎的同時，也在向上轉(zhuǎn)彎，導(dǎo)致頂管對上部土體擠壓較為明顯，故整個斷面的豎向位移表現(xiàn)為隆起，同時曲線外側(cè)產(chǎn)生空隙導(dǎo)致土體向下運動，產(chǎn)生最大沉降，其沉降位置位于頂管與土體接觸的界面，即距軸線0.5D處。

以上分析表明，對于頂管在鄰近相似土層中沿S形空間曲線頂進引起的地表沉降規(guī)律一致，最大沉降點出現(xiàn)在曲線外側(cè)，且內(nèi)側(cè)擠土效應(yīng)比外側(cè)明顯［11］，在同步注漿的作用下外側(cè)隆起較大。

對頂管頂進后DC4-X斷面8月26日的沉降采用Peck經(jīng)驗公式擬合，結(jié)果見圖6。可知，沉降曲線呈V形，地表最大沉降為250 mm，擬合得到沉降槽1/2寬度i=4.5 m，最大沉降Smax=220 mm，計算得到地層損失率V1=19.7%。

圖6 DC4-X斷面沉降擬合曲線

在直線段選取多個斷面（圖7）進行沉降監(jiān)測，并采用Peck公式擬合，結(jié)果見表2。其中，D為隧道直徑。計算得到直線段地層平均損失率為0.998%。

圖7 直線段斷面測點布置

表2 直線段斷面Peck公式擬合結(jié)果

3.2 地表縱斷面變形

4#井出口段，頂管頂進20 m后進入平曲線（半徑700 m）和豎曲線（半徑2 000 m）的疊合S形空間曲線段。本文對頂進過程中沿隧道軸線的縱向測線進行監(jiān)測，測點間距為5 m。選取空間曲線段中部DC9—DC13數(shù)據(jù)進行分析。這5個中心測點的隆沉歷時曲線見圖8。可知，各測點的變形基本呈現(xiàn)先隆起，后輕微沉降，再隆起增大，之后沉降趨穩(wěn)定。

圖8 DC9～DC13測點隆沉歷時曲線

總結(jié)得到縱向測點變形發(fā)展可分為4階段。

階段1：頂進前測點土體隆起階段。該階段頂管機機頭還未頂進到測點位置，由于機頭正面的頂推力使得掘進面前方的土體發(fā)生擠壓變形，測點區(qū)域地表出現(xiàn)輕微隆起［12］。

階段2：頂進中沉降階段。該階段頂管機機頭通過測點位置，掘進刀盤對土體擠壓到達最大并開始減弱。頂管開挖的通道中土體卸荷且后續(xù)管節(jié)與土體之間存在間隙，注漿不及時，使地表發(fā)生沉降，階段2的沉降與階段1的隆起相抵消，并最終表現(xiàn)為輕微沉降。

階段3：頂進后劇烈隆起階段。該階段8月26日至8月28日，頂管機施工的同步注漿量由3.50 m3增至3.75 m3，且注漿壓力不變，泥漿充滿空隙并對上方土體進行擠壓，故在8月28日至8月29日，軸線測點向上隆起較大，最大值達到27 mm。

階段4：最終沉降階段。該階段以測點豎向變形為主，歷時最長，土體受頂管機擾動越來越小，開始固結(jié)沉降，進入最終沉降狀態(tài)［13］。9月17日最大沉降達到23.2 mm。

4 結(jié)論

1）在直線段頂進時監(jiān)測斷面沉降槽成V形，最大沉降位于頂管隧道軸線上方，軸線兩側(cè)測點距隧道軸線越遠沉降越小。

2）在空間曲線段頂進時同一監(jiān)測斷面測點最大沉降位置發(fā)生偏移，位于曲線外側(cè)0.5D處。其位置變化與土層、頂管機注漿量、糾偏有關(guān)，施工期間應(yīng)作為重點關(guān)注點。

3）頂管施工過程中，地表縱向測點變形主要分為頂進前隆起階段、頂進中沉降階段、頂進后劇烈隆起階段和最終沉降階段。地表變形的主要階段在最終固結(jié)沉降，造成最終固結(jié)沉降的原因為隧道內(nèi)開挖土體卸荷和地層損失，且持續(xù)時間較久。施工過程中可通過適當增加注漿量，使地表產(chǎn)生部分隆起，以減小后期地表固結(jié)沉降量。

4）本工程大部分直線段斷面沉降數(shù)據(jù)均符合Peck公式擬合規(guī)律，可針對具體施工情況及頂進軌跡推導(dǎo)相應(yīng)的經(jīng)驗公式，對當?shù)亟窈箢愃乒こ烫岢鲱A(yù)測方法。

5）對于空間曲線段斷面沉降數(shù)據(jù)，建議通過引入偏移量對Peck公式進行修正，可以較好反映空間曲線段地表沉降規(guī)律，為以后頂管施工提供一定的借鑒作用。