南水北調中線磁縣段污水管下穿公路頂管施工地表變形規律

尹文強，劉世偉，*，屈春來，朱澤奇，王曉凡

(1. 河北工程大學水利水電學院，邯鄲 056000； 2. 中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071)

隨著中國城鎮化進程的深入，一大批地下通道和污水排放管道等工程廣泛發展[1]。頂管工法具有環保、安全和擾動影響小等特點，在市政工程建設過程中廣泛應用[2]。由于城市前期基礎設施建設以及城市空間的限制，使得這些工程施工中不得不下穿越既有建筑物或構筑物，進而導致地層和既有建筑物產生復雜變形，成為影響工程施工安全和亟須解決的關鍵問題之一。

中外研究學者針對此類問題采用數值模擬、理論分析、模型試驗和現場實測等手段進行了諸多研究。如劉波等[3]以南京某地下步行通道為研究對象，采用數值模擬和現場監測相結合的方法，對頂管施工可能引起的隧道及地表變形情況進行了預測分析；趙文等[4]基于彈性力學圓孔擴張理論，提出了帶翼緣板圓形鋼管的管周塑性區計算公式；Shen等[5-6]、Cui等[6]、 Zhen等[7]從不同角度對頂管施工擾動下得地表變形和深層土體變形規律進行了研究分析；史培新等[8]研究了頂管頂力計算與評價方法；王斌等[9]對砂土和黏土條件下頂管施工擾動度進行了分析；李方楠等[10]提出考慮注漿壓力影響的頂管施工擾動下的地層土體變形計算方法；潘偉強[11]依托上海14號線桂橋路站管幕段工程，對頂管頂進施工過程地面沉降情況進行監測分析，并對水土分算或合算進行討論；另有學者針對頂管施工擾動下地層變形影響因素進行了分析，揭示了深淺部地層變形機理[12-16]。不同于軟土地層、巖質地層等均質地層，砂礫石地層是由具有一定尺寸、高彈性模量的巖塊和低彈性模量的土體構成的極端不均勻松散巖土介質系統，致使地下結構及圍巖土體的力學行為與變形規律呈現隨機性變化，尤其是在地下水豐富地區[17]。上述研究成果為頂管施工過程中地層變形研究提供了較好的技術范式和方法，然而對邯鄲西部地區，尤其是在南水北調中線磁縣段，砂礫石地層中頂管施工對地層變形的影響研究成果尚未有報道。

基于此，現以邯鄲西部磁縣污水管網下穿和諧大道為工程背景，采用理論分析和現場實測相結合的方法，對頂管施工過程中的地表及公路路面變形進行研究，優化理論預測計算參數，進而修正地表沉降變形理論模型。以期相關研究成果為該地區其他工程建設提供技術和理論借鑒。

1 工程概況

和諧大道污水管道工程位于邯鄲市磁縣西部，離南水北調中線干線磁縣段約百米左右，頂管施工主要橫穿磁縣和諧大道，是污水管道網穿越南水北調中線干線配套工程，如圖 1所示。頂管工程管道直徑為1m，埋深約為6.13m，單個管節長2m，厚度為0.1m，采用DN1000Ⅲ級鋼承口混凝土管，從工作井穿越到接收井長度約為46m。

圖 1 工程區域概況Fig.1 Overview of the project area

根據相關地質勘察資料顯示，施工區地質條件復雜，具備粗礫石、中礫石占比較大，卵石群分段式密集的地質特點。鉆孔揭露該區域地層巖性主要為：上第三系中新統湖積黏土巖、砂巖、礫巖、細砂，第四系中更新統下段冰磧泥礫、細砂。其中黏土巖厚度8.2～10.3m；砂巖厚度0.9～5.1m；礫巖與卵石互層，厚度2.5m；卵石粒徑一般為5～8cm，最大15cm，主要成分為石英砂巖，含量60%，充填砂質，厚度1.8～5.6m；細砂厚度為5.5m左右；泥礫中卵石粒徑一般為5～8cm，最大15cm，主要成分為石英砂巖，含量約80%，泥質包裹，夾細砂層，厚度3～5.2m；細砂厚度1.8～3.8m。和諧大道北側工作井開挖揭露的地質斷面顯示，頂管施工主要位于砂卵礫石地層中，且上覆存在含卵礫石的粉質黏土和砂卵礫石地層互層現象，如圖 2所示。各地層的主要物理力學參數如表 1所示。由此可見，該工程區域內地層屬于典型的砂礫石地質條件，砂礫石地層觸變靈敏度較高，頂管下穿和諧大道施工過程中必然會對公路路面沉降變形產生影響，進而影響行車安全，因此有必要針對頂管施工過程中的地表變形進行預測和監測控制。

圖 2 工作井開挖揭露的地層斷面情況Fig.2 Stratum section exposed by working well excavation

表 1 地層物理力學參數Table1 Physical and mechanical parameters of formation

2 基于經驗公式的地表變形預測分析

Peck公式是預測地表沉降的主要經驗公式，眾多工程應用表明其具有較高的可信度。Peck通過對大量實測地表沉降資料采用概率分析的方法得到了地表橫向的大致沉降曲線。

(1)

當隧道直徑D一定時，地層體積損失率Vl和沉降槽寬度系數i是影響地表沉降變形結果的關鍵因素。其中： 地層損失率依賴于地層類型、地下水條件、施工工法、支護時機以及施工管控質量等因素有關，通常依地區施工經驗取值。大量現場試驗結果總結發現地層損失率的范圍在0.22%～6.9%，其中90%以上的數據在0.25%～1.5%[18]。

對于沉降槽寬度系數i估算方法研究成果較多，根據i值與地層土體內摩擦角φ、隧道埋深z0以及隧道半徑R的相關關系，提煉總結得出以下經驗估算方法[19]。

(1)Knothe估算法

(2)

(2)Clough-Schmidt估算法

i=R(z0/2R)0.8

(3)

(3)O’Reilly估算法

i=Kz0

(4)

式(4)中：K為沉降槽寬度系數指數。

韓煊等[18]通過總結中國部分地區的不同地質條件下隧道開挖引起的地表沉降資料，給出了沉降槽寬度系數指數K建議取值，如表 2所示。關于邯鄲地區砂礫石地層地表沉降研究成果相對較少，臺灣地區與本工程區域地質條件類似，根據工程類比思想，本文計算中沉降槽寬度系數取值為0.48。

表 2 中國部分地區沉降槽寬度系數指數建議值[18]Table2 Preliminary suggested values of settlement trough parameters in some areas of China[18]

表 3 地表最大沉降預測結果Table3 Prediction results of maximum ground settlement

假定本工程中地層體積損失率介于0.22%～6.9%，根據式(1)～式(4)可計算得出地表最大沉降量，如表 3所示。根據《給水排水工程頂管技術規程》中規定可知，該工程范圍內地表沉降量應當不超過20mm，可見該施工區域內地層體積損失率控制在6.9%以內均能滿足地層變形穩定性要求。然而上述3種經驗公式對于邯鄲地區的砂卵礫石地層中頂管施工影響預測研究成果不多，其適用性有待進一步探討和優化。

3 頂管施工誘發地表變形現場試驗

3.1 監測斷面與監測點布置

考慮到試驗結果的準確有效性與監測斷面布設密度有關，在工作井與接收井之間，每2m布設一個監測斷面，共23個監測斷面，依次為DJC1～DJC23。開挖擾動影響范圍約為4倍管道直徑，故每個斷面布設9個監測點，以管道軸線為中心向兩邊等間距分布，各監測點間距設置為1m，斷面監測寬度為8m，如圖 3所示。

地表沉降采用水準儀測量，頂管施工過程中，頂進前方10m內的監測點，每30min測量一次，頂管結束后，每60min再測量一次，同時做好沉降量記錄，如圖 4所示。

圖 4 路面沉降觀測與記錄Fig.4 Observation and record of pavement settlement

圖 3 地面沉降監測點布設示意圖Fig.3 Schematic diagram of ground settlement monitoring points

3.2 頂管施工地表沉降實測結果分析

3.2.1 頂管施工對地層變形擾動影響分析

由于受到頂管直徑大小和地層條件的影響，該工況條件下頂管施工對地層變形影響具有“即時擾動”特征，即頂進工作面處地表變形量較大，而頂進工作面前方范圍內地層受擾動影響相對較小。相比于定頂工作面前方地表變形量而言，定頂工作面處地表變形量呈現“跌落”式增加。

如圖 5所示，頂管施工頂進2m時，DJC1斷面地表最大沉降值約為2mm，DJC2斷面地表最大沉降約為1mm，而斷面DJC3、DJC4和DJC5處地表沉降幾乎沒有變化；頂管施工頂進6m時，斷面DJC2和DJC3的地表沉降與斷面DJC1地表沉降值幾乎達到同一水平，最大值為2～2.5mm，斷面DJC4和DJC5處地表沉降略有增大，但未超過1mm；頂管施工頂進10m時，5個監測斷面的地表沉降值幾乎達到同一水平，最大值在2.8mm左右；頂進24m時，5個監測斷面的沉降幾乎同步，最大沉降量約為3.5mm，基本已達到最大沉降水平，表明此時地表變形已趨于穩定。

圖 5 頂進過程不同監測斷面的沉降量變化Fig.5 Settlement variation of different monitoring sections during jacking

3.2.2 地表變形累計沉降分析

頂管施工完成后，地表累計沉降變形情況如圖 6 所示。由圖6分析可知，沿管道橫斷面方向，地表沉降在1.5～4mm變化，頂管開挖沉降量最大值均發生在軸線上方，距軸線水平距離越遠沉降量越小；沿管道縱剖面方向，地表沉降變形相對較為穩定，軸線處沉降量比兩側范圍內沉降量大；和諧大道路面沉降相對較小，可能由于路面和路基相對剛度較大引起；當到達接收井時地表沉降略有增加。綜合地表沉降理論預測分析結果可知，該工程施工范圍內地層體積損失率應當不小于2%。

圖 6 各監測斷面地表沉降變化曲線Fig.6 Change curve of surface settlement of each monitoring section

圖 7 地表沉降實測與預測結果對比分析Fig.7 Contrast analysis of the measured and predicted results of surface subsidence

4 基于實測數據的地表變形預測參數修正

4.1 現場實測與已有理論預測對比

綜合上述分析，該施工工程區域內的地層體積損失率選取為2%進計算分析。由于O’Reilly 估算法形式簡單、便于應用，采用該方法對沉降槽寬度系數值進行預測。同時，在計算過程中，選取DJC1、DJC6和DJC18三個典型斷面并采用Peck公式對地表沉降進行預測分析，理論預測結果與現場實測結果對比分析，如圖 7所示。由圖 7 分析可知，理論預測結果與現場實測結果的變化規律基本一致，可見頂管下穿磁縣和諧大道施工擾動影響下地表變形沉降規律符合高斯分布特點；采用Peck公式進行地表沉降預測時，存在地層體積損失率Vl和沉降槽寬度系數i兩個關鍵參數的取值問題，對于兩個關鍵參數，現有的估算方法預測結果與現場實測結果之間存在一定的差異，可能由于現有估算方法沒有考慮地下水滲流的影響，而該工程距離南水北調中線磁縣段較近，地下水較為豐富，對地表變形影響不可忽視，因此需要針對該類工況條件下的地層體積損失率Vl和沉降槽寬度系數i進行修正。

4.2 基于實測數據的預測模型修正

由于實測數據分布形式符合高斯分布，采用Gauss函數對實測結果進行回歸分析，獲得不同監測斷面處的最大地表沉降量Smax和沉降槽寬度系數i。進一步采用直接反演法得出地層體積損失率，采用O’Reilly 估算方法反演得出沉降槽寬度系數指數K的分布范圍。Gauss函數的形式為

(5)

式(5)中：y0、w、xc、A為Gauss分布函數中的常實數，其中y0、xc分別為Gauss分布函數中縱坐標和橫坐標修正項。

通過對比式(1)和式(5)的形式發現，由Peck公式預測的地表沉降最大值Smax和沉降槽寬度系數i可采用Guass函數參數表示為

(6)

此外，式(5)中的xc為地表沉降曲線的水平坐標修正項。采用式(5)對監測斷面DJC1～DJC15的實測數據進行回歸分析，模型參數回歸反演結果如表 4所示。依據“去大、去小、留中”的原則，對表 4中數據進行分析可知，邯鄲西部磁縣地區采用頂管工法進行地下通道施工時，最大地表沉降量變化范圍為3.02～3.52；地層體積損失率Vl的變化范圍1.82%～3.8%，平均為2.81%，地層損失率小于6.9%，地層變形滿足安全要求；沉降槽寬度系數指數K的變化范圍為0.28～0.57，平均為0.425，相比于韓煊等[18]研究建議值略小。

表 4 地表變形預測參數反演分析結果Table4 Inversion analysis results of surface deformation prediction parameters

采用上述回歸分析獲得的參數取值結果，對監測斷面DJC16～DJC23進行預測分析，實測數據與模型預測結果對比分析如圖 8所示。由圖8中分析可知，監測斷面DJC16～DJC23的地表沉降實測數據全部位于模型預測結果上下限之間，平均預測結果與地表整體變形實測結果較為吻合。因此，在今后南水北調中線磁縣段砂礫石地層中進行類似頂管工程施工時，建議地表沉降預測計算中沉降槽寬度系數指數取值為0.425，地層損失率取2.81%。

圖 8 修正模型驗證Fig.8 Revised model verification

5 結論

(1)該工程地層體積損失率控制在6.9%以內時，地表沉降變形均能滿足相關規程安全要求。

(2)該工況條件下頂管施工對地層變形影響具有“即時擾動”特征，即頂進工作面處地表變形量較大，而頂進工作面前方范圍內地層受擾動影響相對較小，地表最大沉降量實測值位于2.5～4mm，在地表變形安全閾值范圍內。

(3)南水北調中線磁縣段類似工況下進行地表沉降預測時，建議地層損失率取值為2.81%，沉降槽寬度系數指數K取值為0.425。