頂管施工引起巖溶區既有道路沉降變形機理分析

摘要：文章以桂林市第二水源工程引水管道頂管施工下穿桂興高速公路某段路基時引發的路面下沉開裂為例，根據場地實際地質情況，對巖溶區頂管施工時，管道沿土巖界面掘進中發生的道路路面大幅下沉甚至地面塌陷問題進行分析，得出其沉降變形機理主要為：（1）溶蝕裂隙發育導致土層損失率將遠大于一般情況，根據Peck理論公式，頂管施工導致的地面快速沉降主要由于地層損失引起，且快速沉降量與土層損失率成正比；（2）原狀土擾動軟化后力學強度下降導致其承載力不足；（3）擾動軟化土在自重及外部荷載作用下固結沉降，沉降時間取決于擾動土的滲透性質。

關鍵詞：溶蝕裂隙發育；土層損失；擾動軟化；固結沉降

U416.1A130423

0 引言

隨著城市高速發展，城市人口急劇增加，城市地下空間不斷發展，頂管法已廣泛應用于地下管道（引排水管道、電力管道等）的施工中。但頂管施工因其對原狀土層的掘取及擾動，導致原有地層的土層損失，同時施工對原狀土的擾動導致原狀土軟化，力學強度急劇下降。廣西桂林地區大部為巖溶發育區，因溶蝕裂隙發育，土巖界面地下水豐富導致土體易在人為條件干預下發生土體流失。巖溶區地質條件復雜，溶蝕裂隙發育，地下水豐富，在巖溶區進行頂管施工時，可能誘發地面沉降甚至地面塌陷，其發生機理復雜。本文以桂林市第二水源工程引水管道頂管施工下穿桂興高速某段路基時引發的路面下沉開裂為例，分析了該類路基病害發生的成因機理，為巖溶區頂管施工導致的地面沉降提供參考，也為后期治理提供依據，可供相似工程參考、借鑒。

1 項目簡介

桂林第二水源工程-引水工程下穿桂林至興安高速公路，采用泥水平衡法頂管施工穿越，頂管施工采用雙管下穿，管道凈間距為2.94 m，頂管中線高程為170.0 m，管道埋深約為13 m，混凝土管內徑為2.4 m。2021年底完成左側管道掘進施工后，發現距離高速公路右側路基15 m處管道上方有一處1.5 m、深1.0 m的小型塌陷坑。

2022-02-27出現泥漿大量流失，2022年3月初右側管道在掘進過程路面出現開裂下沉，隨即停止掘進施工。

2022-03-01上午9：00左右，發現往桂林方向（右幅）慢車道發育有微小裂縫，并開始逐步出現下沉變形，2022-03-01下午16：00，高速公路右幅路面已下沉達18 cm；路面裂縫沿左右管道外側至快車道逐步形成了斷續圈椅狀裂縫，裂縫寬度為5～10 mm，截止至2022-03-03 18：00沉降高差達280 mm，同時發現往興安方向（左幅）慢車道最大沉降約100 mm，并發育有微小裂縫，同時兩側路面仍在緩慢下沉。

2 工程地質概況

2.1 地形地貌

勘察場地屬溶蝕剝蝕丘陵壟崗區，場地覆蓋層為殘坡積堆積物，有陡坎、高速公路、果地、林地。場地地面高程為181.29～184.53 m。勘察場地坡度相對較為平緩，人類改造較大。

2.2 地層巖性

根據地質調查、鉆探揭示及室內土工試驗結果，并結合前期鉆探資料，場地內地層主要由第四系堆積層（Qml）、第四系殘坡積層（Qel+dl）、石炭系下統巖關階（C1y）地層組成。根據室內試驗及地區經驗，各地層的物理力學參數如表1所示。

2.3 地質構造

根據區域地質資料及鉆探揭示，勘察區存在的區域性斷裂為靈川大斷層，呈北東－南西向，長度gt;30 km，規模大，最大斷距約為1 000 m，控制了中泥盆統至下石炭統不同巖石類型的分布，在地貌上呈北東－南西向的狹長谷地，構成“湘桂走廊”的一部分。靈川大斷層形成于距今約4億年的中泥盆世晚期（東崗嶺期），在距今約2億年的印支運動期間再次強烈活動，切穿了泥盆系上統和石炭系地層，以后的喜馬拉雅運動（距今約200萬年）及第四紀以來未留下活動痕跡，可以認為自距今約200萬年的第三紀后該斷裂構造基本上趨于穩定。場地附近未見基巖露頭，根據區域地質圖，巖層產狀為：353°/NE∠30°。

3 水文地質條件

3.1 地表水

路基兩側均有排水邊溝，雨季有水，旱季無水。場地地表水體主要屬大氣降水形成的地表面流，且地處巖溶洼地，較易匯集上體地表水體形成地表面流，一部分向低洼區域排泄，另一部分入滲補給地下水。

3.2 地下水

地下水主要為賦存于第四系地層中的孔隙水及溶蝕裂隙中的巖溶裂隙水，均屬潛水。均受大氣降水或地表水補給，接受補給后，潛水一部分向下徑流或側向補給其他類型地下水，一部分以滲流等形式分散排泄于低洼部位，一部分以蒸發形式排泄。潛水水位受季節影響變化較大，本次勘察期間于鉆孔內測得穩定地下水位為170.81～172.83 m。

3.3 巖土體的滲透性及固結系數

第四系人工堆積層（Qml）素填土屬強透水層，第四系殘坡積層第一、二層（Qel+dl-1、Qel+dl-2）黏土屬微透水層，第四系殘坡積層第一層（Qel+dl-1）及第三層（Qel+dl-3）含角礫（碎石）粉質黏土屬弱透水層，石炭系下統巖關階（C1y）強風化泥灰巖屬強透水層，中風化泥灰巖、灰巖的透水性因溶蝕裂隙發育程度等情況不同而差異較大。

受施工擾動影響，擾動土層將會發生固結沉降，沉降時間取決于其滲透性質。根據勘察資料取流塑黏土滲透系數為1.92×10-6 cm/s，固結系數Cv為8.294 4×10-2 m2/d；軟塑狀含角礫粉質黏土滲透系數為1×10-5 cm/s，固結系數Cv為1.728 m2/d。

4 擾動土層承載力和沉降變形驗算

4.1 路基軟弱下臥層承載力驗算

根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》［1］（JTG 3363-2019）5.2.6軟弱下臥層承載力驗算公式得，計算參數按表1選取；

Pz=γ1（h+z）+α（P-γ2h）≤γRfa（1）

右側路基軟弱下臥層（流塑狀黏土）修正后的地基承載力特征值為：

fa=20+（19.8×5+19.2×6.2）/（5+6.2）×（5+6.2-3）=179.64 kPa；

在不考慮附加應力，僅考慮自重應力作用下，軟弱下臥層頂部自重應力為：

Pcz=γ1（h+z）=19.8×5+19.2×6.2=218.04 kPa＞γRfa=1×179.64=179.64 kPa；

左側路基軟弱下臥層（軟塑狀含角礫粉質黏土）fa=40+（19.8×6+19.2×4.7）/（6+4.7）×（6+4.7-3）=190.43 kPa；

在不考慮附加應力，僅考慮自重應力作用下，軟弱下臥層頂部自重應力為：

Pcz=γ1（h+z）=19.8×6+19.2×4.7=209.04 kPa＞γRfa=1×190.43=190.43 kPa；

可見，軟弱下臥層承載力在自重應力作用下不能滿足要求，再加上車輛荷載作用，會更進一步加劇路基的變形破壞。

4.2 路基沉降變形驗算

路基沉降由兩部分組成，一部分為土層損失導致的快速沉降，另一部分為擾動土體后期的固結沉降。

4.2.1 快速沉降階段

土層損失［2］導致的快速沉降理論依據主要是根據Peck理論［3-4］，理論公式如下：

S（x）=Smaxexp-x22i2（2）

Smax=Vl2πi（3）

i=Rh2Rn（4）

式中：Sx——地面沉降值（m）；

x——距隧道軸線的水平距離（m）；

Smax——地面最大沉降值（m）；

i——沉降槽寬度系數（m）；

Vl——土體損失率（m3/m）；

R——隧道半徑（m）；

h——覆土厚度（m）；

n——指數參數，通常n=0.8～1.0，土質越軟n取值越大。

其后的研究者根據實際情況不斷對公式進行修正后，理論公式大致相同，該理論公式為經驗公式，跟統計數據有較大關系，且會根據地質情況的不同導致結論有較大出入。因此，本文僅對快速沉降階段作定性分析，可以看到地面最大沉降量與土層損失率成正比，這與本項目左右兩側路基實際的快速沉降量相符。右側路基的土層損失主要是巖溶區裂隙發育導致土層隨泥漿大量流失，因此土層損失較大，快速沉降量較大，實測最大沉降量為280 mm；左側路基土層損失則主要為掘進出土過程中的損失，損失量相對較小，快速沉降量較小，實測沉降量為100 mm。

4.2.2 固結沉降階段

固結沉降主要由擾動土層自重及車輛荷載引起［5］，固結沉降所需時間取決于地層的滲透性質。項目勘察階段固結沉降尚未完成。本文利用GEO5軟件2022版中的地基固結沉降分析模塊，采用壓縮模量法計算路基固結沉降變形情況，計算參數按表1選取，根據擾動土層最大厚度分別選取橫斷面5-5’及6-6’，車輛荷載取20 kPa進行沉降計算分析，計算模型及結果見圖1、圖2。

通過上述的定性分析及定量計算分析，路基下伏軟弱擾動土層未能滿足承載力和沉降變形要求，路面已出現塌陷破壞。右側路基快速沉降量為280 mm，最大固結沉降變形量達225.5 mm，根據一維固結理論，固結度達到95%所需時間約72 d；左側路基快速沉降量為100 mm，最大固結沉降變形量達151.4 mm，固結度達到95%所需時間約10 d。由此可見兩側均需要及時進行處治施工，可根據高速公路的實際交通情況進行分期處治，右側路基處治施工可在左側路基之后。

5 路基塌陷機理分析

綜上所述，場地地質條件復雜，路基下伏基巖面附近溶蝕裂縫發育，地下水的補給排泄通道較多。右側路基頂管下穿高速公路右幅路基段屬半巖半土區域，即位于土巖界面溶蝕裂隙發育區掘進，且巖面附近黏土具有較強水敏性，在頂管泥水平衡法施工過程中［6］，存在上軟下硬的地質條件，在鉆頭掘進時，上半部分土體切削快于下半部分巖石，但為維持掘進平衡及內部泥漿壓力平衡，上半部土體會被不斷軟化、擾動形成泥漿充填，且范圍擾動范圍會不斷增大。因該段溶蝕裂縫發育，地下水補給排泄通道較多，使得頂管鉆進過程中會消耗更多的泥漿水來維持泥漿壓力平衡。左側路基主要發生了頂管掘進過程中的一般土體損失，土層損失量相對較小，同時施工擾動使擾動影響范圍內土體軟化。因此，路基塌陷的機理主要有以下幾點：

（1）右側路基下頂管施工中泥漿流失帶走大量軟化后的黏土，使土層損失較正常情況急劇增大。根據Peck理論及相關經驗，土層損失是頂管施工過程中路基快速變形的主要原因，且快速沉降量與土層損失量成正比，左側路基下土層損失相對較小，屬正常情況，因此快速沉降量也相對較小。

（2）后期監測發現，兩側路基仍在緩慢變形，是由于土體軟化后，在自重及附加荷載作用下發生的固結變形時間受土體的滲透性質決定。

（3）右側路基下頂管施工中泥漿流失會出現泥漿壓力失衡的情況，從而使土體發生主動破壞，為路基塌陷創造了有利條件。

（4）兩側路基隨著頂管施工的不斷觸發，泥漿不斷循環置換，管道附近區域土體軟化范圍不斷增大，形成了結構性破壞土體（施工擾動土層），失去了原有土體結構的受力平衡，當達到路基及其下土層自重和車輛荷載作用極限時，且在土層損失導致路基快速沉降條件下，發生路面塌陷變形破壞。

6 建議處治措施

根據病害路段場地工程地質條件和路基塌陷變形發展特點，結合場地條件，本病害路段治理主要解決路基下部巖土體加固的問題：

（1）右幅道路采用復合地基對病害路基及下部土體進行加固，避免路基路面出現進一步下沉；左幅道路亦可采用復合地基或其他地基加固措施處治。

（2）對地表塌陷坑進行回填及封閉，避免雨水下滲導致塌陷范圍進一步擴大，影響路基穩定。

（3）及時做好供水管道上方場地的截排水，避免大氣降水淤積于塌陷區域低洼處；施工后完善道路截排水系統。

7 結語

（1）路基病害區域屬巖溶發育區，溶蝕裂隙發育，地下水主要為賦存于第四系地層中的孔隙水及溶蝕裂隙中的巖溶裂隙水，均屬潛水。

（2）受頂管施工擾動于路基下部形成施工擾動軟化土層，主要為流程黏土及軟塑狀含角礫粉質黏土：軟塑狀含角礫粉質黏土主要分布于道路左側；流程黏土主要分布于右側路面下頂管管道頂部及兩側，由流塑狀黏土及頂管施工置換的泥漿組成。擾動土層具有含水量高、孔隙比大、高壓縮性、承載力低、變形持續時間長等特點。

（3）路基塌陷的內因為場地地質條件復雜，誘因為供水管網頂管施工使泥漿不斷循環置換，管道附近區域土體受施工擾動軟化范圍不斷增大，形成了結構性破壞土體即路基軟弱下臥層，失去了原有土體結構的受力平衡，當達到路基及其下土層自重和車輛荷載作用極限時，且在土層損失導致路基快速沉降條件下，發生路面塌陷變形破壞。因施工擾動軟化后的土層在土體自重及車輛荷載作用下，路基進一步發生固結沉降，固結沉降時間取決于土體的滲透性質。

（4）建議對路基病害及時進行搶險處治施工，避免病害進一步擴大，造成高速公路斷路等風險；建議采用復合地基對病害路基及下部土體進行加固，避免路基路面出現進一步下沉；同時完善路基區域截排水系統，并對地表塌陷區域進行及時回填封閉處治。

（5）及時做好供水管道上方場地的截排水，避免大氣降水淤積于塌陷區域低洼處；對塌陷坑進行回填及封閉，避免雨水下滲導致塌陷范圍進一步擴大。

（6）頂管施工擾動導致的地面沉降已有較多研究成果，但巖溶區地質條件復雜，且在溶蝕裂隙或溶洞出現的地層損失量難以量測，本文對該類情況的沉降變形機理僅作定性分析，定量尚需進一步研究。

參考文獻：

［1］JTG 3363-2019，公路橋涵地基與基礎設計規范［S］.

［2］方從啟，王承德.頂管施工中的地面沉降及其估算［J］.江蘇理工大學學報（自然科學版），1998，19（4）：106-110.

［3］房營光，莫海鴻，張傳英.頂管施工擾動區土體變形的理論與實測分析［J］.巖石力學與工程學報，2003，22（4）：601-605.

［4］韓國良.頂管施工引起的地面變形問題研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2018.

［5］王立忠，李玲玲.結構性土體的施工擾動及其對沉降的影響［J］.巖土工程學報，2007，29（5）：697-704.

［6］劉春波.頂管施工地表沉降數值模擬分析［J］.城市道路與防洪，2003，282（10）：166-169.