矩形頂管在綜合管廊中的應用研究

王俊杰 田文勝 董玉輝

（武漢市政建設監理有限公司，湖北 武漢 430050）

1 綜合管廊和矩形頂管綜述

1.1 綜合管廊

地下綜合管廊又叫共同溝，指的是城市中用于鋪設各種市政管線的公共隧道［1-2］。綜合管廊自1833年誕生于巴黎，至今已有一百八十多年的發展歷程。綜合管廊在國外發達國家已建設得比較完善［3］。我國綜合管廊工程始于北京天安門廣場地下管廊的建設，截止到2015 年，我國已建和在建地下管廊總長達1 600 km，發展歷程如圖1 所示。此外，為了實現城市現代化，綜合管廊的建設必不可少，相關的技術規程也在逐步制定和完善［4-5］。

圖1 我國綜合管廊發展過程

傳統管線多采用架空敷設或埋地敷設，綜合管廊與之相比具有如下優點：①不占用地表空間，或僅投料口、檢查井占用少量地表空間，美化了市容市貌；②一次性建設，杜絕了“馬路拉鏈”，減少了對城市交通和人們生活的干擾；③管線分類入廊，進行日常巡查維護，提高了管線的安全性和使用壽命。但綜合管廊在中心城區和老城區建設也面臨多種難題。例如：施工空間狹小，難以滿足傳統的大開挖施工方式；征地協調難度大，拆遷成本高，進一步增加建設成本；管線遷改成本高，施工周期長。

1.2 綜合管廊施工方法

綜合管廊施工方法主要有明挖法和暗挖法兩種，其中暗挖法包括頂管法、盾構法和淺埋暗挖法等。鑒于明挖法對城市環境的影響較大，暗挖法在城市綜合管廊施工中占據越來越多的份額。其中頂管法由于距離短、成本低、斷面形式多變，適用于多樣性地層，施工安全可靠［6］。

頂管法作為一種“綠色、環保、安全”的非開挖施工技術，首先在20 世紀70 年代初被提出，在20世紀90年代進入中國，并取得了飛速發展。矩形頂管憑借其非開挖施工優勢應用于綜合管廊的建設中，但由于綜合管廊斷面較大，相對埋深（管頂覆土深度與管廊高度的比值，H/D）相對較小，仍不可避免地會擾動上覆地層。然而，現有研究大都集中在小直徑的圓形頂管和開挖敷設綜合管廊建設方面。

本研究結合某市綜合管廊矩形頂管穿越工程（見圖2），布設了地表沉降監測斷面，分析綜合管廊頂管施工引起的地表沉降規律，為后續工程進行地表沉降預測、控制提供參考。

2 工程背景

某新建綜合管廊的斷面尺寸為6.7 m×5.4 m，該管廊穿越城市主干道，穿越段的長度為93 m。由于車流量大，采用分幅明挖并結合交通導流仍不能滿足交通需求。因此，綜合考慮采用矩形頂管施工，管廊功能布置見圖2。地層以填土、黏土、中砂、礫砂等軟弱土層為主，地下水位較高，在地面下1 m。

圖2 三倉式綜合管廊斷面圖（單位：mm）

3 監測方案

3.1 矩形頂管施工引起地表變形因素分析

矩形頂管施工引起地表變形的機理十分復雜，其主要因素一般有以下3個。

3.1.1 土體損失。指的是頂管施工時，開挖的土體體積大于設計開挖的土體。

3.1.2 頂管推力。頂管施工時，開挖面前頂管的推力控制不均勻，可能會導致底層變形。

3.1.3 管道外壁摩阻力。管道頂進施工時，管道與土體間會產生摩擦力，導致土體變形破壞。

實際施工中，上述3 個因素并不是相互獨立的，而是互相影響的，且它們的相對大小并不是一成不變的；其中，管道外壁摩阻力相對比較穩定，而頂管推力和土體損失則是動態變化的，它們的大小與現場施工情況緊密相關。

3.2 頂管施工引起地表沉降范圍預測

由于上述因素的存在，矩形頂管在頂進作業時可能會導致地表不均勻沉降，那么在布置地面沉降監測點時，要考慮地表沉降的影響。一般情況下，沉降槽是地表不均勻沉降的主要形式，監測點的布置須根據沉降槽的影響范圍來進一步確定。頂管施工監測時常用的沉降槽模型呈正態曲線分布；國內學者引入隨機介質理論來確定開挖施工在水平面的最大影響半徑，即沉降槽寬度；另外還有相關學者和工程師做出了沉降曲線中心到曲線拐點的距離為沉降槽寬度6倍的假設。

對于圓形隧道來說，應用上述研究成果問題不大，但對于矩形頂管隧道來說，具有較大的斷面，且形狀為矩形，這都導致了矩形頂管隧道的沉降與圓形隧道有所不同。根據朗肯主動土壓力理論和勘察設計成果，本項目的沉降監測范圍取頂管寬度b與兩倍的頂管底面深度h×tan30°之和，具體見圖3。

圖3 監測點布置圖

3.3 監測斷面布設

根據沉降范圍預測和設計要求，布置如圖3 所示的監測點。橫向上，在圖3 中的1～7 各布置一個測點；縱向上，在距離頂進始發井的5 m、25 m、50 m、75 m 的位置各布置一個監測斷面。共布置28個測點。

3.4 監測點的埋設方法

路面沉降點的布置是為了測量路面的沉降，當路面是土體時，路面表層的沉降便能代表整個土體的沉降。但當路面是鋼筋混凝土或瀝青結構時，路面表層的沉降便不能代表土體整體的沉降，這時就需要測量路基的沉降。通常，路基沉降點設置成窖井測點的形式，以便不受破壞，具體如圖4 所示。測量沉降的儀器主要采用水準儀和銦鋼尺。水準測量方法是主要測量觀測方法。

圖4 路基沉降監測點布置圖

4 監測結果及分析

4.1 監測結果

頂進距離隨頂進時間的關系如圖5 所示，從圖5 可以看出，矩形頂管的頂進長度基本隨著時間的變化成比例增長，呈勻速狀態。4 個監測斷面頂管上方的3～5 三個監測點的地面沉降隨時間的變化曲線如圖6 至圖9 所示。其中在頂管頂進至29 m時（7月25日），25 m處斷面的沉降曲線如圖10所示。其余斷面的沉降曲線與此類似，不在此一一列舉。

圖5 頂管頂進距離與頂進時間的關系曲線

圖6 5 m斷面地表沉降隨時間的變化關系曲線

圖7 25 m斷面地表沉降隨時間的變化關系曲線

圖8 50 m斷面地表沉降隨時間的變化關系曲線

圖9 75 m斷面地表沉降隨時間的變化關系

圖10 25 m斷面處的地表沉降變化曲線

4.2 監測結果分析

4.2.1 沿軸向的擾動范圍。對布置有監測點的5 m、25 m、50 m 處的監測斷面進行分析可以看出，當頂管施工至12 m、17 m、22 m處時，5 m、25 m、50 m 處的監測斷面的地表雖暫時未隆起，但地表沉降卻先發生了。參考設計文件和施工組織設計，在頂管頂進施工時，頂管設備的操作人員應將開挖倉壓設置為朗肯主動土壓力，但在現場施工時，開挖倉壓大于朗肯主動土壓力。因此，頂管上部的土體在該情況下發生了主動破壞，并且因為頂管的高寬比（H/D=1）較小，斷面較大（36 m2），頂進施工引起的土體破壞很快就傳遞到了地表。該綜合管廊頂管的高度為5.4 m，根據監測結果可知，機頭前方受擾動區的范圍約為頂管高度的2～3倍。

4.2.2 穿越加固區的擾動。如圖6 所示，監測斷面5 m 處的地表沉降曲線呈鋸齒狀波動，地表的變形在沉降和隆起之間變化。7 月26 日時，地表由沉降變為隆起。原因是該段土體經地基處理后，水泥漿加固了土體，土體由軟塑～硬塑狀變為板結狀的固體，在頂管頭的切削攪動下，經水泥漿固化后的土體不能隨著頂管頂進變為流塑狀，且其中較硬的土體會被反復攪動，對附近土體產生擾動。

4.2.3 沿橫斷面的擾動范圍。從圖6至圖9可以發現，監測點4 的沉降量大于監測點3、5，這說明頂管機上方的土體和地表沉降并不均勻，呈現出中間大兩邊小的形態。原因是監測點4 位于頂管頂進的正上方，而監測點4、5 位于頂管軸線兩側。利用土體的剪切破壞理論可以解釋這個現象，即頂管在頂進時，會在頂管兩側的土體中形成剪切帶，剪切帶內側的土體受向上的剪切力，外側的土體受到向下的剪切力。因為土體的碎散性，難以形成一個整體的剛性體，這就造成越靠近剪切帶的土體變形和沉降越小，而越是遠離剪切帶的土體的變形和沉降就越大。這就是頂管上方的土體沉降槽形成的原因，具體如圖11所示。

圖11 25 m斷面地表沉降槽形狀

由圖11 可以看出，頂管隧道沉降槽的范圍依舊在頂管兩側土體的剪切破壞面內。據此，可以根據庫倫主動破壞模型來確定剪切破裂面的具體位置，剪切破裂面與水平面的夾角可取45°+φ/2，進而確定地表沉降的范圍。

4.2.4 地面沉降對豎向土壓力的影響。當地層不受擾動處于靜止狀態時，地層中任意點的豎向土壓力等于該點的靜止土壓力，即該點上方底層的自重。但若在地層中進行施工，比如頂管頂進，這就會導致地層擾動，地層的受力平衡被打破，造成地層沉降或隆起。

隨著頂管頂進的施工，在頂管兩側土體剪切帶的帶動下，頂管上方土體的受力平衡也會發生變化，豎向土壓力的一部分在頂管頂進時會通過摩擦向頂管兩側的土體傳遞。這就導致了頂管上方土體所受的豎向土壓力小于該處土體的靜止土壓力。并且，由于土體具有碎散性，頂管上方土體的受力不均，呈現中間大兩邊小的形態，這與上文中圖11 所示的沉降槽正好相反。因此，在管廊結構設計時，如仍采用靜止土壓力計算，則結構設計是安全的。

4.2.5 減少地表沉降的措施。根據上述的理論分析和監測結果可知，為了減少頂管上方土體的沉降或隆起，可采取以下措施：第一，盡量保證開挖倉壓與地層的靜止土壓力保持一致，從而避免頂管附近土體的主動破壞；第二，頂管頂進施工時，為避免形成的剪切破壞帶范圍較大，要及時向頂管四周注入潤滑泥漿；第三，頂管施工完成后可能會遇到頂管范圍內土體出現局部較大的變形和沉降，此時，應果斷向沉降部位注入高壓泥漿，避免出現土體的過大沉降，影響土體中管線安全和地表交通等；第四，若頂管施工使路基與路面之間產生空隙，應盡早發現，并及時灌漿，避免地表坍塌，影響交通和人員安全［7］。

5 結論

本研究介紹了某新建綜合管廊矩形頂管地表沉降監測結果，并分析了頂管施工引起的地表沉降范圍及其對豎向土壓力的影響，得出以下5個結論。

①沿頂管軸向，機頭前方受擾動區的范圍為頂管高度的2～3倍。

②頂管穿越土體加固區段，地表的沉降變形隨時間呈鋸齒狀變化，相對于未加固段，加固段的沉降較小。

③頂管斷面上土體的沉降范圍可以根據庫倫主動破壞模型來預測。

④頂管上方的地表沉降和土壓力都不均勻，均呈現出中間大兩側小的形態。

⑤頂管施工時若地表產生較大的沉降，此時須提高開挖倉壓，并向管節外周注入足量高壓泥漿頂起地層，同時在路面與路基的孔隙中灌漿，以防止地面坍塌。