軟土地區超大斷面矩形頂管施工地表沉降分析

馮棟梁

（上海市市政工程建設發展有限公司，上海市 200025）

0 引言

矩形頂管斷面空間有效利用率高，對節約地下空間資源、提高地下空間利用率具有十分重要的意義。因此，在地下空間資源緊張的城市核心區，矩形頂管往往具有較強的適用性。20 世紀90 年代末，該工法在上海地鐵2 號線陸家嘴站5 號出入口地下人行通道工程中首次成功應用[1]。隨后，在國內地鐵車站出入口通道[2-7]、過街人行地道[8，9]等許多工程中得到了應用。

近年來，隨著超大斷面矩形頂管技術的發展，矩形頂管在城市地下通道建設中也得到了應用。矩形頂管的發展呈現出斷面越來越多、頂進距離越來越長的趨勢。矩形斷面與圓形斷面相比，在施工時對周邊環境影響更為顯著，尤其在城市核心區內，要重點關注矩形頂管施工引起的土體沉降問題。Peck 公式[10，11]以其經驗性和實用性在地下工程沉降預測中得到廣泛應用。目前，超大斷面矩形頂管長距離穿越案例較少，對其土體沉降實測數據還不多，Peck 公式用于其沉降預測的可靠性需進一步驗證。

本文結合上海某頂管工程，分析了大斷面矩形頂管施工引起的地表沉降，并對應用Peck 公式進行矩形頂管沉降預測進行了探討。

1 工程概況

上海某地下車行通道工程，其中穿越合流污水箱涵段采用超大斷面矩形頂管技術實施。如圖1 所示，該頂管為雙線頂管，長度163 m，斷面尺寸9.8 m×6.3 m（長×高），兩根頂管等標高，水平凈距3.4 m，頂管覆土厚度約12 m。頂管主要下穿構筑物為：9.85 m×4.3 m（長×寬）合流污水箱涵，最小垂直凈距約4.2 m；上部已建地下通道，最小垂直凈距約3.4 m。

圖1 頂管及周邊環境平面圖（單位：m）

頂管通道土層分布自上而下分別為②1層粉質黏土夾粉質粉土、②3-1層粉質砂土、②3-2層粉砂、③層淤泥質粉質黏土、④層淤泥質黏土、⑤1層粉質黏土。其中，頂管主要穿越②3-1層粉質砂土、④層淤泥質黏土。主要土層參數見表1。

表1 主要土層物理參數

頂管穿越范圍內為潛水，離地面-1.5～0.3 m，年平均地下水水位埋深離地面-0.7～0.5 m。

頂管始發井和接收井洞門設置三軸攪拌樁進出洞加固，寬度9 m。針對頂管穿越主要土層（②3-1層粉質砂土）流動性較強的特點，對穿越箱涵范圍內采用了綜合性加固方案。在箱涵和支管底部進行MJS加固托襯，并在穿越箱涵范圍采用雙軸攪拌樁等加固工藝形成頂管隔離倉，減少土層液化時對周邊環境的影響范圍。

2 地表沉降監測數據分析

2.1 頂管施工引起的地表縱軸線沉降分析

圖2、圖3 分別為東線、西線頂管軸線的地表沉降曲線。可以看到：

圖2 東線頂管軸線地表沉降曲線

圖3 西線頂管軸線地表沉降曲線

（1）進出洞加固、箱涵加固對減少頂管擾動效果明顯。箱涵范圍、已建上部通道區域由于既有結構存在，對頂管擾動產生隔離效果，相關區域地表變形顯著減小。

（2）在未加固區域，試驗段最大沉降量大于正常頂進段沉降量，沉降隨頂進距離而發展，體現了頂管施工工藝特點。

（3）東線、西線地表沉降最大點均位于試驗段5號（E5、W5）監測點附近，E5 點最大沉降約29.3 mm（頂進里程137 m，此時已趨于穩定），W5 點最大沉降約21.0 mm。

2.2 地表沉降隨頂進里程變化分析

圖4 為E5 監測點沉降隨頂進里程變化曲線。地層損失產生的主要階段發生在切口到達監測點至盾尾離開監測點這一過程，其后在泥漿套減摩和保壓作用下，沉降趨于穩定。因此，在矩形頂管施工中，擾動最大的過程為機頭穿越過程。其后隨著管節推進持續對土體進行擾動，但在泥漿套作用下，管節推進帶來的土體擾動可達到穩定值。

圖4 東線E5 監測點沉降隨頂進里程變化曲線

2.3 頂管施工引起的地表橫剖面沉降分析

選取東線、西線地表沉降變化最大點的橫剖面進行地表橫剖面沉降分析。圖5 是E5（里程為18 m）監測點剖面在不同工況下的沉降曲線。圖中5 條曲線分別為頂管切口到E5 監測點前（12.344 m）、切口到達E5 監測點（18.409 m）、機尾到達E5 監測點（27.543 m）、切口到達36.278 m 及頂管切口到達149.451 m 五種工況下的地表剖面沉降曲線。頂管穿越前，正面土壓力控制較好，地表略有沉降；自18.509～27.543 m 為頂管機身穿越階段，沉降量較大，最大沉降24.44 mm。頂管穿越后，管片在減摩泥漿的減摩和保壓作用下，頂進擾動較小，地表沉降呈現出逐漸收斂態勢，最大沉降29 mm。

圖5 東線E5 監測點剖面沉降曲線

圖6 為W5 監測點和E5 監測點地表剖面沉降曲線。沉降曲線均呈現沉降槽變形模式，在頂管軸線位置沉降量最大，距離軸線越遠，沉降量逐漸減小，沉降槽寬度均為30 m，且不隨沉降量變化而變化。

圖6 W5、E5 監測點剖面沉降曲線

3 Peck 公式在超大斷面矩形頂管沉降預測應用的探討

矩形頂管施工引起地表沉降與頂管斷面、深度、長度、施工工藝、地質條件等多方面因素有關，特別是施工工藝參數具有較強的經驗性。Peck 公式是在總結了大量隧道實測數據基礎上提出的，其所參考的實測資料以圓形隧道為主，在矩形頂管中的應用需要進一步通過實測數據驗證。

Peck[10]提出，在不排水條件下，地表變形由地層損失引起，沉降槽體積即地層損失體積，地表沉降槽近似高斯曲線分布，并給出了地面沉降預測的Peck公式，表示如下：

式中：Sx為距離隧道中線為x 處的地表沉降量，mm；Smax為隧道中線上方的地表沉降量，mm；x 為距離隧道中線的距離，m；i 為沉降槽的寬度系數，m；Vs為沉降槽面積，m2。

3.1 關于沉降槽寬度系數取值的探討

沉降槽寬度的取值除與土層條件直接相關，還受到隧道埋深和尺寸因素的影響。其中，隧道尺寸影響往往在淺埋、 超淺埋情況下較明顯（z0/D ＜1.0～1.5，z0為隧道中心埋深，D 為隧道直徑），本工程等效z0/D =1.7，屬于一般埋深。因此，剔除隧道尺寸因素的影響，僅考慮埋深。韓煊、李寧等[11]搜集了上海地區6 個樣本，給出了i=0.5z0的建議值。結合本工程實測情況和矩形頂管地層損失集中在頂部的特點，建議z0取實際埋深，則i=6 m。沉降槽寬度為5i=30 m，與本工程實測數據較吻合。

3.2 關于地層損失取值的探討

矩形頂管地層損失與工程地質、水文地質、頂管尺寸、頂管機性能、泥漿套性能、施工工藝參數、施工管理水平等多種因素有關，經驗性、離散性較強。東線最大沉降29.47 mm，沉降槽面積Vs=0.442 m2，頂管截面積55.78 m2，則地層損失比為0.79%。西線最大沉降21 mm，最大地層損失比為0.55%。后續同類項目可參考進行土體沉降估測。

4 結語

（1）合理采用土體預加固措施可顯著降低頂管施工對于土體擾動影響，從而保證頂管穿越構筑物的安全。

（2）矩形頂管施工過程中，機頭穿越階段擾動影響最大。在頂管機設計制造過程中應充分考慮全斷面切削、同步注漿、改良孔、間隙等措施，減少機頭穿越期間引起的沉降。同時可考慮穿越前控制切口前方土體微隆起狀態的沉降控制策略，降低最終沉降量。在管節持續推進過程中，泥漿套的保壓、減摩性能至關重要。在其作用下，管節持續移動帶來的影響可達到穩定收斂狀態。

（3）在一般埋深、深埋情況下，頂管外形、尺寸對沉降槽影響較小，Peck 公式依然適用于矩形頂管沉降預測，在淺埋情況下的適用性有待進一步探討。本次兩根頂管地層損失比分別約為0.79%、0.55%，可供后續同類工程進行沉降預測時進行參考。