鋼管幕埋深及頂進(jìn)順序?qū)Φ乇碜冃蔚挠绊?/h1>
2024-03-18 05:13:12張興其楊新安李路恒李趙翰青袁齊虎
科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2024年7期
張興其，楊新安，李路恒*，李趙翰青，袁齊虎
（1.合肥市市政設(shè)計(jì)研究總院有限公司，合肥 230031；2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；3.中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司，合肥 230012）
隨著我國城市建設(shè)的飛速發(fā)展，地面交通日趨復(fù)雜，城市內(nèi)的淺埋大斷面下穿隧道日益增多，各類暗挖施工技術(shù)由此應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。管幕箱涵法相較于其他工法而言，可用于任意斷面形狀隧道的穿越工程，適用于淤泥土、黏土、砂土等各種地層，尤其在城市內(nèi)部的淺覆土、大斷面下穿工程中具有明顯的優(yōu)勢，因此在國內(nèi)外均得到了廣泛應(yīng)用[3-5]。管幕箱涵法作為一種新型暗挖技術(shù)，是在始發(fā)井與接受井之間，通過在隧道四周頂入鋼管，以形成封閉的地下空間，在此空間內(nèi)采用箱涵頂進(jìn)、機(jī)械開挖或牽引對拉等方案修建下穿隧道，被廣泛應(yīng)用于穿越道路、鐵路、機(jī)場等非開挖工程中[6]。
本文依托合肥市廬州大道淺埋隧道段實(shí)程，結(jié)合有限差分模型和實(shí)際施工情況，分析鋼管幕在不同埋深和頂進(jìn)順序下對于地表變形的影響，總結(jié)出更為合理的豎向鋼管幕頂進(jìn)方案。
1 工程概況
濱湖科學(xué)城廬州大道淺埋隧道段位于合肥市包河區(qū)廬州大道與駱崗機(jī)場主跑道交界處，采用管幕箱涵法施工，隧道在里程K17+95—K19+33 處下穿機(jī)場主跑道，平面交角約45.3°。管幕段長度138 m，隧道頂最小覆土深度5.1 m，最大6.3 m，結(jié)構(gòu)縱坡-0.5%。駱崗機(jī)場作為合肥市快速發(fā)展的歷史見證者，在下穿施工中應(yīng)嚴(yán)格控制機(jī)場跑道的變形量，保證其在施工過程中不被破壞。
管幕段通過在隧道周圍土體內(nèi)共計(jì)頂進(jìn)44 根鋼管組成圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。頂管均采用單種Φ1.6 m×16 mm 鋼管，鋼管長度137 m，其中上、下部各18 根，鋼管間距184 mm，左、右部各6 根，鋼管間距209 mm。鋼管幕段主要穿越⑤2層黏土，上覆土層為①雜素填土和⑤1層黏土，如圖2 所示。區(qū)域內(nèi)各土層物理學(xué)參數(shù)見表1。
表1 場地土層物理學(xué)參數(shù)
圖1 管幕段橫斷面及頂進(jìn)順序示意圖
圖2 管幕段穿越機(jī)場跑道地質(zhì)情況立面圖
綜合考慮廬州大道管幕段的土體穩(wěn)定性、弱膨脹性、管幕成形質(zhì)量、施工進(jìn)度和施工便利性等因素，頂進(jìn)施工采用如下順序原則：①因膨脹土超固結(jié)力和剪脹力過大的影響，管幕不設(shè)置鎖口，管幕之間通過漿液構(gòu)成水密性圍護(hù)結(jié)構(gòu)；②鋼管按照施工順序依次頂進(jìn)，后續(xù)鋼管的頂進(jìn)對已施工部分存在影響。根據(jù)以上原則，實(shí)際采用的鋼管幕群頂進(jìn)順序如圖1 所示。
2 計(jì)算模型
為了明確鋼管幕在不同埋深條件及頂進(jìn)順序下對地表位移的影響[7-8]，利用有限差分軟件FLAC 3D建立豎向鋼管頂進(jìn)模型，對鋼管幕豎向鋼管的頂進(jìn)施工過程進(jìn)行模擬，模型簡圖如圖3 所示。由于鋼管是逐節(jié)頂進(jìn)，并且存在多臺頂管機(jī)同時(shí)施工的情況，具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，因此建立三維計(jì)算模型更為合理。數(shù)值計(jì)算模型的尺寸為60.8 m（長）×50 m（寬）×31.3 m（高），管幕結(jié)構(gòu)共設(shè)置6 根鋼管，從上至下依次編號為1#至6#。1#鋼管埋深4.8 m，鋼管采用殼單元模擬，本構(gòu)模型采用彈性本構(gòu)；土層本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫本構(gòu)。土層計(jì)算參數(shù)見表1。鋼管模擬時(shí)假設(shè)計(jì)算邊界處于原始應(yīng)力狀態(tài)，邊界條件設(shè)置：底部邊界約束豎向位移，兩側(cè)邊界約束水平位移，地表是自由邊界。
圖3 鋼管幕模型示意圖
3 地表變形影響因素分析
3.1 頂管順序?qū)Φ乇碜冃蔚挠绊?/h3>
為探究鋼管頂進(jìn)順序和頂進(jìn)間距對地表變形的影響，首先研究兩根管幕的頂進(jìn)情況，分析以下4 種頂進(jìn)方案：①1#→2#鋼管（先上后下）；②2#→1#鋼管（先下后上）；③1#→3#鋼管（先上后下）；④3#→1#鋼管（先下后上）。方案①和②的地表位移曲線如圖4 和5 所示。
圖4 方案①（1#→2#）地表位移曲線
如圖4 所示，方案①的頂進(jìn)施工對地表沉降槽寬度和地面沉降影響較小，沉降槽寬度約為8.57 m，最大沉降值約為0.57 mm。管幕頂進(jìn)的同時(shí)也會引起外圍地表的小幅隆起。
由圖5 可知，方案②的頂進(jìn)施工造成的地表變形特征不同于方案①，2#鋼管施工完成后，地表沉降槽寬度約為21.68 m，最大沉降值約為0.94 mm。1#鋼管施工完成后，地表沉降值和沉降槽寬度均有所減小，1#鋼管的施工會削弱2#鋼管對于地表變形的影響。這是由于1#鋼管相較于2#鋼管的埋深更淺，2#鋼管的存在會限制1#鋼管對地表變形的影響，并且由于鋼管剛度大、土體的弱膨脹性等因素，1#鋼管的頂進(jìn)會造成地表的隆起，緩解2#鋼管產(chǎn)生的沉降。
圖5 方案②（2#→1#）地表位移曲線
對比方案①和②可知，2 種方案施工完成后產(chǎn)生的沉降槽寬度和最大沉降值基本相同，但方案①中下部管幕的頂進(jìn)會造成鋼管幕整體結(jié)構(gòu)的沉降，方案②中上部管幕的頂進(jìn)會造成整體結(jié)構(gòu)的隆起，方案②產(chǎn)生的瞬時(shí)沉降量更大，因此方案①的頂進(jìn)效果要優(yōu)于方案②。
方案③和④的地表位移曲線如圖6 和7 所示。
圖6 方案③（1#→3#）地表位移曲線
圖7 方案④（3#→1#）地表位移曲線
在方案③中，3#頂進(jìn)完成后，地表最大沉降值約為1.57 mm，隆起區(qū)域逐漸消失，地表沉降量明顯大于方案①和②。
在方案④中，上部鋼管1#的頂進(jìn)同樣緩解了下部鋼管3#對地表產(chǎn)生的影響，但影響效果明顯弱于方案②。地表最大沉降值約為1.73 mm，為4 個(gè)方案中地表沉降變形最為嚴(yán)重的。
綜上所述，先下后上的頂進(jìn)方案引起的地表最大沉降值和沉降槽寬度均大于先上后下的方案。上部鋼管的頂進(jìn)會造成地表的小幅隆起，減少下部鋼管頂進(jìn)產(chǎn)生的沉降量。下部鋼管的頂進(jìn)會加劇整體結(jié)構(gòu)的地表變形量。另外，豎向鋼管之間的間隔距離越大，下部對上部鋼管的影響越大，上部對下部鋼管的影響則越小。同時(shí)，鋼管埋深越大，施工引起的地表沉降值和沉降區(qū)域也隨之增大。結(jié)合上述分析，方案①在豎向管幕的頂進(jìn)方案中最優(yōu)。
3.2 管幕埋深對地表變形的影響
為探究不同埋深下鋼管頂進(jìn)對地表變形的影響，分別對1#至6#單根鋼管的頂進(jìn)過程進(jìn)行了模擬，地表豎向位移曲線如圖8 所示。
圖8 單根鋼管頂進(jìn)地表豎向變形曲線
如圖8 所示，隨著鋼管埋深的不斷增加，地表沉降槽寬度不斷擴(kuò)大，1#、2#和3#鋼管頂進(jìn)引起的地表沉降槽寬度依次為8.1、13.6 和37.8 m，呈現(xiàn)出隨著管幕埋深的增加，沉降槽寬度迅速擴(kuò)大的趨勢。而4#、5#和6#鋼管頂進(jìn)引起的地表沉降區(qū)域基本不再變化，沉降槽寬度逐漸趨于穩(wěn)定，大約為52 m。
由圖9 可知，1#至6#鋼管頂進(jìn)施工時(shí)引起的地表豎向最大沉降值依次為0.38、0.94、1.73、3.21、6.29、9.45 mm。可以看出，隨著鋼管埋深的增加，地表最大沉降值也迅速增加，且呈現(xiàn)出指數(shù)型遞增的趨勢。
圖9 不同埋深下鋼管施工時(shí)地表最大沉降值
綜上所述，鋼管幕的埋深越淺，頂管施工對地表的影響越小，最大沉降值和沉降槽寬度也隨之越小，且會出現(xiàn)地表隆起現(xiàn)象。因此，在實(shí)際鋼管幕的頂進(jìn)施工過程中，選擇由上至下依次頂進(jìn)的方案，即為1#→2#→3#→4#→5#→6#。
4 豎向管幕頂進(jìn)分析
4.1 有限差分模型分析
按照擬定的頂進(jìn)施工順序，從上至下依次頂進(jìn)1#至6#鋼管，每次頂進(jìn)1 m。單根鋼管頂進(jìn)完成后接續(xù)頂進(jìn)下一根，不考慮鋼管同時(shí)頂進(jìn)的情況，頂進(jìn)過程中地表的豎向位移曲線如圖10 所示。
圖10 地表豎向位移曲線
分析圖10 所示的地表豎向位移變化規(guī)律可知，1#至3#鋼管的頂進(jìn)對地表變形影響較小，地表最大沉降值只有1.15 mm，但隨后4#至6#鋼管的頂進(jìn)引起的地表豎向位移的迅速增長，分別為3.12、9.34、23.57 mm，由此可以認(rèn)為4#鋼管頂進(jìn)時(shí)的埋深是引起地表豎向位移突變的臨界值。隨著鋼管頂進(jìn)施工的進(jìn)行，地表沉降區(qū)域迅速擴(kuò)大，鋼管左右兩側(cè)的沉降變化相較于中心位置較為平緩，最終豎向位移曲線呈現(xiàn)出“凹”字形，地表沉降最大值位于鋼管幕左右兩側(cè)，表明上部已頂進(jìn)鋼管對地表的變形起到了一定的控制作用。
圖11 為鋼管幕在不同施工階段的豎向應(yīng)力分布云圖，從圖中可知，1#至3#鋼管的頂進(jìn)對于地層應(yīng)力分布影響較小，與圖10 展示出的結(jié)果相吻合。從4#鋼管施工開始時(shí)，淺部地層中開始形成明顯的壓力拱，鋼管底部應(yīng)力釋放區(qū)域迅速擴(kuò)大，最終形成了如圖11（f）所示的結(jié)果。以4#鋼管頂進(jìn)時(shí)的埋深作為臨界值，深部地層應(yīng)力分布呈現(xiàn)出V 形，淺部地層應(yīng)力分布呈現(xiàn)出W 形，表明了1#至3#鋼管由于其埋深淺、剛度大的特點(diǎn)，會對地表變形起到一定的限制作用。
圖11 豎向應(yīng)力分布云圖
4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析
結(jié)合依托工程地質(zhì)條件和管幕施工情況，駱崗機(jī)場主跑道上沉降監(jiān)測點(diǎn)布置如圖12 所示。垂直于隧道軸線方向布置3 個(gè)監(jiān)測斷面[9-10]，各監(jiān)測斷面距管幕箱涵隧道施工起點(diǎn)的距離依次為22.26、68.33、114.4 m。監(jiān)測斷面1 和監(jiān)測斷面3 測點(diǎn)布置間距相同，隧道范圍內(nèi)測點(diǎn)間距3.0 m，隧道輪廓線外測點(diǎn)間距5.0 m，每個(gè)監(jiān)測斷面均布設(shè)有19 個(gè)測點(diǎn)；監(jiān)測斷面2 測點(diǎn)間距均為3.0 m，測點(diǎn)均布置在機(jī)場跑道上，共布設(shè)25 個(gè)測點(diǎn)。
圖12 機(jī)場跑道變形監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖
從圖1 中可以看出，在實(shí)際施工過程中，左側(cè)和右側(cè)的豎排管幕均采用從上至下依次頂進(jìn)的方式，分別為12#→18#→21#→24#→26#→28#和13#→19#→22#→23#→25#→27#。
左側(cè)豎向管幕頂進(jìn)過程中，產(chǎn)生的地表變形曲線如圖13 所示。其中，監(jiān)測斷面1 位于機(jī)場跑道范圍以外，監(jiān)測斷面2 位于機(jī)場跑道范圍內(nèi)。
圖13 左側(cè)管幕頂進(jìn)期間地表變形曲線
從圖13 中可以看出，隨著豎向管幕的頂進(jìn)，鋼管幕右側(cè)的沉降變形量要明顯大于左側(cè)，表明鋼管幕施工區(qū)域內(nèi)的地表沉降量要大于施工區(qū)域外，上排管幕的頂進(jìn)對區(qū)域內(nèi)土體進(jìn)行了一定的擾動，造成土體的液化。豎向管幕施工期間產(chǎn)生的最大沉降值出現(xiàn)在距離中心線大約3 m 的位置處，監(jiān)測斷面1 和2 的最大沉降值分別為19.26 mm 和17.75 mm，豎向管幕右側(cè)的地表位移曲線呈現(xiàn)出明顯的V 字形，與有限差分模型得到的結(jié)果相吻合。
右側(cè)豎向管幕頂進(jìn)過程中，產(chǎn)生的地表變形曲線如圖14 所示，監(jiān)測斷面1 和2 位于機(jī)場跑道范圍以內(nèi)。
圖14 右側(cè)管幕頂進(jìn)期間地表變形曲線
分析圖14 可知，右側(cè)豎向鋼管幕在頂進(jìn)過程中，左側(cè)的沉降變形量要明顯大于右側(cè)，同樣呈現(xiàn)出鋼管幕施工區(qū)域內(nèi)的地表變形量大于施工區(qū)域外。豎向管幕施工期間的最大沉降值出現(xiàn)在距離中心線大約-3 m的位置處，監(jiān)測斷面1 和2 的最大沉降值分別為13.95 mm 和13.60 mm，左側(cè)地表變形曲線同樣呈現(xiàn)出V 字形。
結(jié)合圖13 和圖14，在頂進(jìn)施工過程中，埋深越大的鋼管頂進(jìn)對地表變形的影響越大。豎排鋼管中心線的豎向位移呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，即1#至5#鋼管頂進(jìn)時(shí)，地表變形為持續(xù)增長的沉降；6#鋼管頂進(jìn)時(shí)，地表變形為先沉降后小幅隆起，與數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果相同，主要原因?yàn)殇摴艿膭偠却螅拗屏说乇淼某两担瑫r(shí)鋼管幕整體表現(xiàn)出了一定的群管效應(yīng)，對地表變形起到了控制作用。
5 結(jié)論
本文結(jié)合合肥市濱湖科學(xué)城廬州大道淺埋隧道段工程，對不同埋深與頂進(jìn)順序下鋼管幕的頂進(jìn)施工過程進(jìn)行了模擬。結(jié)合有限差分模型結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，總結(jié)出鋼管幕埋深與頂進(jìn)順序?qū)τ诘乇碜冃蔚挠绊懀⒌贸鲆韵陆Y(jié)論。
1）豎向鋼管幕頂進(jìn)施工時(shí)，先上后下的頂進(jìn)方案明顯優(yōu)于先下后上的頂進(jìn)方案，上部鋼管的存在能夠有效控制下部鋼管對于地表變形的影響，可以減小施工過程中產(chǎn)生的沉降。同時(shí)豎向鋼管間的間隔距離越大，下部對上部鋼管的影響越大，上部對下部鋼管的影響則越小。
2）鋼管埋深越大，其頂進(jìn)對地表變形的影響也越大。隨著埋深的增加，沉降槽寬度逐漸擴(kuò)大，管幕中心線上的地表最大沉降值呈現(xiàn)出指數(shù)型遞增的趨勢。
3）鋼管幕從上至下依次頂進(jìn)為最優(yōu)方案，隨著鋼管的依次頂進(jìn)，地表沉降不斷增大，地表變形曲線從V形向W 形轉(zhuǎn)變，淺部鋼管會在一定程度上限制地表沉降的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測地表沉降規(guī)律基本相同，表明該頂進(jìn)方案能有效控制地表位移。
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本文依托合肥市廬州大道淺埋隧道段實(shí)程，結(jié)合有限差分模型和實(shí)際施工情況，分析鋼管幕在不同埋深和頂進(jìn)順序下對于地表變形的影響，總結(jié)出更為合理的豎向鋼管幕頂進(jìn)方案。
1 工程概況
濱湖科學(xué)城廬州大道淺埋隧道段位于合肥市包河區(qū)廬州大道與駱崗機(jī)場主跑道交界處，采用管幕箱涵法施工，隧道在里程K17+95—K19+33 處下穿機(jī)場主跑道，平面交角約45.3°。管幕段長度138 m，隧道頂最小覆土深度5.1 m，最大6.3 m，結(jié)構(gòu)縱坡-0.5%。駱崗機(jī)場作為合肥市快速發(fā)展的歷史見證者，在下穿施工中應(yīng)嚴(yán)格控制機(jī)場跑道的變形量，保證其在施工過程中不被破壞。
管幕段通過在隧道周圍土體內(nèi)共計(jì)頂進(jìn)44 根鋼管組成圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。頂管均采用單種Φ1.6 m×16 mm 鋼管，鋼管長度137 m，其中上、下部各18 根，鋼管間距184 mm，左、右部各6 根，鋼管間距209 mm。鋼管幕段主要穿越⑤2層黏土，上覆土層為①雜素填土和⑤1層黏土，如圖2 所示。區(qū)域內(nèi)各土層物理學(xué)參數(shù)見表1。
表1 場地土層物理學(xué)參數(shù)
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圖2 管幕段穿越機(jī)場跑道地質(zhì)情況立面圖
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2 計(jì)算模型
為了明確鋼管幕在不同埋深條件及頂進(jìn)順序下對地表位移的影響[7-8]，利用有限差分軟件FLAC 3D建立豎向鋼管頂進(jìn)模型，對鋼管幕豎向鋼管的頂進(jìn)施工過程進(jìn)行模擬，模型簡圖如圖3 所示。由于鋼管是逐節(jié)頂進(jìn)，并且存在多臺頂管機(jī)同時(shí)施工的情況，具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，因此建立三維計(jì)算模型更為合理。數(shù)值計(jì)算模型的尺寸為60.8 m（長）×50 m（寬）×31.3 m（高），管幕結(jié)構(gòu)共設(shè)置6 根鋼管，從上至下依次編號為1#至6#。1#鋼管埋深4.8 m，鋼管采用殼單元模擬，本構(gòu)模型采用彈性本構(gòu)；土層本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫本構(gòu)。土層計(jì)算參數(shù)見表1。鋼管模擬時(shí)假設(shè)計(jì)算邊界處于原始應(yīng)力狀態(tài)，邊界條件設(shè)置：底部邊界約束豎向位移，兩側(cè)邊界約束水平位移，地表是自由邊界。
圖3 鋼管幕模型示意圖
3 地表變形影響因素分析
3.1 頂管順序?qū)Φ乇碜冃蔚挠绊?/h3>
為探究鋼管頂進(jìn)順序和頂進(jìn)間距對地表變形的影響，首先研究兩根管幕的頂進(jìn)情況，分析以下4 種頂進(jìn)方案：①1#→2#鋼管（先上后下）；②2#→1#鋼管（先下后上）；③1#→3#鋼管（先上后下）；④3#→1#鋼管（先下后上）。方案①和②的地表位移曲線如圖4 和5 所示。
圖4 方案①（1#→2#）地表位移曲線
如圖4 所示，方案①的頂進(jìn)施工對地表沉降槽寬度和地面沉降影響較小，沉降槽寬度約為8.57 m，最大沉降值約為0.57 mm。管幕頂進(jìn)的同時(shí)也會引起外圍地表的小幅隆起。
由圖5 可知，方案②的頂進(jìn)施工造成的地表變形特征不同于方案①，2#鋼管施工完成后，地表沉降槽寬度約為21.68 m，最大沉降值約為0.94 mm。1#鋼管施工完成后，地表沉降值和沉降槽寬度均有所減小，1#鋼管的施工會削弱2#鋼管對于地表變形的影響。這是由于1#鋼管相較于2#鋼管的埋深更淺，2#鋼管的存在會限制1#鋼管對地表變形的影響，并且由于鋼管剛度大、土體的弱膨脹性等因素，1#鋼管的頂進(jìn)會造成地表的隆起，緩解2#鋼管產(chǎn)生的沉降。
圖5 方案②（2#→1#）地表位移曲線
對比方案①和②可知，2 種方案施工完成后產(chǎn)生的沉降槽寬度和最大沉降值基本相同，但方案①中下部管幕的頂進(jìn)會造成鋼管幕整體結(jié)構(gòu)的沉降，方案②中上部管幕的頂進(jìn)會造成整體結(jié)構(gòu)的隆起，方案②產(chǎn)生的瞬時(shí)沉降量更大，因此方案①的頂進(jìn)效果要優(yōu)于方案②。
方案③和④的地表位移曲線如圖6 和7 所示。
圖6 方案③（1#→3#）地表位移曲線
圖7 方案④（3#→1#）地表位移曲線
在方案③中，3#頂進(jìn)完成后，地表最大沉降值約為1.57 mm，隆起區(qū)域逐漸消失，地表沉降量明顯大于方案①和②。
在方案④中，上部鋼管1#的頂進(jìn)同樣緩解了下部鋼管3#對地表產(chǎn)生的影響，但影響效果明顯弱于方案②。地表最大沉降值約為1.73 mm，為4 個(gè)方案中地表沉降變形最為嚴(yán)重的。
綜上所述，先下后上的頂進(jìn)方案引起的地表最大沉降值和沉降槽寬度均大于先上后下的方案。上部鋼管的頂進(jìn)會造成地表的小幅隆起，減少下部鋼管頂進(jìn)產(chǎn)生的沉降量。下部鋼管的頂進(jìn)會加劇整體結(jié)構(gòu)的地表變形量。另外，豎向鋼管之間的間隔距離越大，下部對上部鋼管的影響越大，上部對下部鋼管的影響則越小。同時(shí)，鋼管埋深越大，施工引起的地表沉降值和沉降區(qū)域也隨之增大。結(jié)合上述分析，方案①在豎向管幕的頂進(jìn)方案中最優(yōu)。
3.2 管幕埋深對地表變形的影響
為探究不同埋深下鋼管頂進(jìn)對地表變形的影響，分別對1#至6#單根鋼管的頂進(jìn)過程進(jìn)行了模擬，地表豎向位移曲線如圖8 所示。
圖8 單根鋼管頂進(jìn)地表豎向變形曲線
如圖8 所示，隨著鋼管埋深的不斷增加，地表沉降槽寬度不斷擴(kuò)大，1#、2#和3#鋼管頂進(jìn)引起的地表沉降槽寬度依次為8.1、13.6 和37.8 m，呈現(xiàn)出隨著管幕埋深的增加，沉降槽寬度迅速擴(kuò)大的趨勢。而4#、5#和6#鋼管頂進(jìn)引起的地表沉降區(qū)域基本不再變化，沉降槽寬度逐漸趨于穩(wěn)定，大約為52 m。
由圖9 可知，1#至6#鋼管頂進(jìn)施工時(shí)引起的地表豎向最大沉降值依次為0.38、0.94、1.73、3.21、6.29、9.45 mm。可以看出，隨著鋼管埋深的增加，地表最大沉降值也迅速增加，且呈現(xiàn)出指數(shù)型遞增的趨勢。
圖9 不同埋深下鋼管施工時(shí)地表最大沉降值
綜上所述，鋼管幕的埋深越淺，頂管施工對地表的影響越小，最大沉降值和沉降槽寬度也隨之越小，且會出現(xiàn)地表隆起現(xiàn)象。因此，在實(shí)際鋼管幕的頂進(jìn)施工過程中，選擇由上至下依次頂進(jìn)的方案，即為1#→2#→3#→4#→5#→6#。
4 豎向管幕頂進(jìn)分析
4.1 有限差分模型分析
按照擬定的頂進(jìn)施工順序，從上至下依次頂進(jìn)1#至6#鋼管，每次頂進(jìn)1 m。單根鋼管頂進(jìn)完成后接續(xù)頂進(jìn)下一根，不考慮鋼管同時(shí)頂進(jìn)的情況，頂進(jìn)過程中地表的豎向位移曲線如圖10 所示。
圖10 地表豎向位移曲線
分析圖10 所示的地表豎向位移變化規(guī)律可知，1#至3#鋼管的頂進(jìn)對地表變形影響較小，地表最大沉降值只有1.15 mm，但隨后4#至6#鋼管的頂進(jìn)引起的地表豎向位移的迅速增長，分別為3.12、9.34、23.57 mm，由此可以認(rèn)為4#鋼管頂進(jìn)時(shí)的埋深是引起地表豎向位移突變的臨界值。隨著鋼管頂進(jìn)施工的進(jìn)行，地表沉降區(qū)域迅速擴(kuò)大，鋼管左右兩側(cè)的沉降變化相較于中心位置較為平緩，最終豎向位移曲線呈現(xiàn)出“凹”字形，地表沉降最大值位于鋼管幕左右兩側(cè)，表明上部已頂進(jìn)鋼管對地表的變形起到了一定的控制作用。
圖11 為鋼管幕在不同施工階段的豎向應(yīng)力分布云圖，從圖中可知，1#至3#鋼管的頂進(jìn)對于地層應(yīng)力分布影響較小，與圖10 展示出的結(jié)果相吻合。從4#鋼管施工開始時(shí)，淺部地層中開始形成明顯的壓力拱，鋼管底部應(yīng)力釋放區(qū)域迅速擴(kuò)大，最終形成了如圖11（f）所示的結(jié)果。以4#鋼管頂進(jìn)時(shí)的埋深作為臨界值，深部地層應(yīng)力分布呈現(xiàn)出V 形，淺部地層應(yīng)力分布呈現(xiàn)出W 形，表明了1#至3#鋼管由于其埋深淺、剛度大的特點(diǎn)，會對地表變形起到一定的限制作用。
圖11 豎向應(yīng)力分布云圖
4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析
結(jié)合依托工程地質(zhì)條件和管幕施工情況，駱崗機(jī)場主跑道上沉降監(jiān)測點(diǎn)布置如圖12 所示。垂直于隧道軸線方向布置3 個(gè)監(jiān)測斷面[9-10]，各監(jiān)測斷面距管幕箱涵隧道施工起點(diǎn)的距離依次為22.26、68.33、114.4 m。監(jiān)測斷面1 和監(jiān)測斷面3 測點(diǎn)布置間距相同，隧道范圍內(nèi)測點(diǎn)間距3.0 m，隧道輪廓線外測點(diǎn)間距5.0 m，每個(gè)監(jiān)測斷面均布設(shè)有19 個(gè)測點(diǎn)；監(jiān)測斷面2 測點(diǎn)間距均為3.0 m，測點(diǎn)均布置在機(jī)場跑道上，共布設(shè)25 個(gè)測點(diǎn)。
圖12 機(jī)場跑道變形監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖
從圖1 中可以看出，在實(shí)際施工過程中，左側(cè)和右側(cè)的豎排管幕均采用從上至下依次頂進(jìn)的方式，分別為12#→18#→21#→24#→26#→28#和13#→19#→22#→23#→25#→27#。
左側(cè)豎向管幕頂進(jìn)過程中，產(chǎn)生的地表變形曲線如圖13 所示。其中，監(jiān)測斷面1 位于機(jī)場跑道范圍以外，監(jiān)測斷面2 位于機(jī)場跑道范圍內(nèi)。
圖13 左側(cè)管幕頂進(jìn)期間地表變形曲線
從圖13 中可以看出，隨著豎向管幕的頂進(jìn)，鋼管幕右側(cè)的沉降變形量要明顯大于左側(cè)，表明鋼管幕施工區(qū)域內(nèi)的地表沉降量要大于施工區(qū)域外，上排管幕的頂進(jìn)對區(qū)域內(nèi)土體進(jìn)行了一定的擾動，造成土體的液化。豎向管幕施工期間產(chǎn)生的最大沉降值出現(xiàn)在距離中心線大約3 m 的位置處，監(jiān)測斷面1 和2 的最大沉降值分別為19.26 mm 和17.75 mm，豎向管幕右側(cè)的地表位移曲線呈現(xiàn)出明顯的V 字形，與有限差分模型得到的結(jié)果相吻合。
右側(cè)豎向管幕頂進(jìn)過程中，產(chǎn)生的地表變形曲線如圖14 所示，監(jiān)測斷面1 和2 位于機(jī)場跑道范圍以內(nèi)。
圖14 右側(cè)管幕頂進(jìn)期間地表變形曲線
分析圖14 可知，右側(cè)豎向鋼管幕在頂進(jìn)過程中，左側(cè)的沉降變形量要明顯大于右側(cè)，同樣呈現(xiàn)出鋼管幕施工區(qū)域內(nèi)的地表變形量大于施工區(qū)域外。豎向管幕施工期間的最大沉降值出現(xiàn)在距離中心線大約-3 m的位置處，監(jiān)測斷面1 和2 的最大沉降值分別為13.95 mm 和13.60 mm，左側(cè)地表變形曲線同樣呈現(xiàn)出V 字形。
結(jié)合圖13 和圖14，在頂進(jìn)施工過程中，埋深越大的鋼管頂進(jìn)對地表變形的影響越大。豎排鋼管中心線的豎向位移呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，即1#至5#鋼管頂進(jìn)時(shí)，地表變形為持續(xù)增長的沉降；6#鋼管頂進(jìn)時(shí)，地表變形為先沉降后小幅隆起，與數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果相同，主要原因?yàn)殇摴艿膭偠却螅拗屏说乇淼某两担瑫r(shí)鋼管幕整體表現(xiàn)出了一定的群管效應(yīng)，對地表變形起到了控制作用。
5 結(jié)論
本文結(jié)合合肥市濱湖科學(xué)城廬州大道淺埋隧道段工程，對不同埋深與頂進(jìn)順序下鋼管幕的頂進(jìn)施工過程進(jìn)行了模擬。結(jié)合有限差分模型結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，總結(jié)出鋼管幕埋深與頂進(jìn)順序?qū)τ诘乇碜冃蔚挠绊懀⒌贸鲆韵陆Y(jié)論。
1）豎向鋼管幕頂進(jìn)施工時(shí)，先上后下的頂進(jìn)方案明顯優(yōu)于先下后上的頂進(jìn)方案，上部鋼管的存在能夠有效控制下部鋼管對于地表變形的影響，可以減小施工過程中產(chǎn)生的沉降。同時(shí)豎向鋼管間的間隔距離越大，下部對上部鋼管的影響越大，上部對下部鋼管的影響則越小。
2）鋼管埋深越大，其頂進(jìn)對地表變形的影響也越大。隨著埋深的增加，沉降槽寬度逐漸擴(kuò)大，管幕中心線上的地表最大沉降值呈現(xiàn)出指數(shù)型遞增的趨勢。
3）鋼管幕從上至下依次頂進(jìn)為最優(yōu)方案，隨著鋼管的依次頂進(jìn)，地表沉降不斷增大，地表變形曲線從V形向W 形轉(zhuǎn)變，淺部鋼管會在一定程度上限制地表沉降的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測地表沉降規(guī)律基本相同，表明該頂進(jìn)方案能有效控制地表位移。
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