環(huán)屏路隧道頂管施工引起的地表沉降分析

摘要 文章通過對環(huán)屏路隧道頂管施工引起的地表沉降進(jìn)行深入分析與研究，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，探討了沉降原因、影響范圍及應(yīng)對措施。研究表明，隨著施工進(jìn)行，地表呈現(xiàn)先隆起后沉降的變化趨勢，影響范圍主要集中在隧道中心線附近；有限元模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合度高，驗(yàn)證了模擬方法的可靠性。同時，文章提出了合理控制頂推力、注漿和隧道埋深等的關(guān)鍵措施，以有效控制地表沉降。

關(guān)鍵詞 隧道；頂管施工；地表沉降

中圖分類號 U455 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0097-03

0 引言

在城市建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的進(jìn)程中，隧道建設(shè)是解決交通擁堵和改善城市生活質(zhì)量的重要舉措之一[1]。然而，隨著城市化進(jìn)程的加快和人口密集區(qū)域的不斷擴(kuò)展，隧道施工所帶來的地表沉降問題日益引起人們的關(guān)注[2]。特別是頂管施工，由于其直接作用于地表，對周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響更加明顯[3]。

環(huán)屏路隧道作為當(dāng)?shù)匾豁?xiàng)重要的基礎(chǔ)設(shè)施工程，其建設(shè)對周邊交通和城市發(fā)展具有重要意義。然而，在隧道頂管施工過程中，地表沉降問題成為亟待解決的挑戰(zhàn)之一[4]。隨著城市地下空間的日益擁擠，地下工程施工所帶來的地表沉降問題不容忽視。因此，對環(huán)屏路隧道頂管施工引起的地表沉降進(jìn)行深入分析與研究，對于保障隧道施工安全、減少對周邊環(huán)境的影響具有重要意義[5]。

該文旨在通過對環(huán)屏路隧道頂管施工引起的地表沉降進(jìn)行系統(tǒng)分析與研究，通過對地表沉降的實(shí)際監(jiān)測結(jié)果和有限元數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行結(jié)合分析，探討其產(chǎn)生的原因、影響范圍及相應(yīng)的對策與措施，不僅能為類似工程的安全施工提供參考，也能為城市地下空間的合理利用和環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1 工程概況

1.1 工程簡介

該工程位于珠海市環(huán)屏路，建設(shè)項(xiàng)目為環(huán)屏路下穿隧道，采用雙向四車道，隧道起訖里程為K0+713.00～K1+417.00，總長704 m。其中過珠海大道采用頂45/YAuL6uyaWDT9g01SO62Jg5NzuTQfonIk/WeD775A=管法施工，頂管段長18 8m，在環(huán)屏路—珠海大道路口的南北各設(shè)一座頂管井，其余均采用明挖法施工。

1.2 工程地質(zhì)條件

據(jù)地勘報告顯示，擬建場地現(xiàn)場地勢平坦，標(biāo)高在1.79～4.86 m之間，原始地貌屬山前地貌。根據(jù)野外鉆探揭露的地層，按成因時代及地基土的物理力學(xué)性質(zhì)，場地地層共劃分為4個巖性單元（層），自上而下依次為第四紀(jì)人工填土層、第四紀(jì)沖洪積層、第四紀(jì)殘積層及燕山期花崗巖層。

1.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘查報告aLRPazjEi4A1JNhFlR40degN63asDBCE5iseC8Qt7js=，該工程地下水主要以孔隙潛水和上層滯水為主。穩(wěn)定水位埋深在1.57～3.68 m，水位標(biāo)高在?0.31～1.46 m。填土層分布的孔隙水主要受大氣降水補(bǔ)給，地面蒸發(fā)排泄，因此地下水位受雨季降水影響較大。根據(jù)區(qū)域水位資料，場內(nèi)地下水年變化幅度約1.5 m。

場地地下水主要以側(cè)向徑流補(bǔ)給、大氣降水的入滲補(bǔ)給為主，主要以側(cè)向徑流和地面蒸發(fā)形式進(jìn)行排泄。

2 地表沉降監(jiān)測方法

2.1 監(jiān)測儀器選取

地表監(jiān)測儀器采用美國天寶Trimble公司購置的DiNi03電子水準(zhǔn)儀，其1 km往返精度為0.3 mm，測量范圍為1.5～100 m，補(bǔ)償精度為±15'，安平精度為±0.2″，望遠(yuǎn)鏡倍率為32×，100 m視野為2.8 m，短視距為0.6 m且支持夜間及隧道測量，同時配備一把長度為2 m的鋼尺。

2.2 監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)

為滿足地表沉降監(jiān)測的規(guī)定，監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)沿基坑較長側(cè)進(jìn)行平行設(shè)置，并確保與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的邊緣相隔5 m、10 m及20 m。首先，使用鉆機(jī)在道路硬化表面上打孔，然后將監(jiān)測用的鋼筋垂直打入地下，確保鋼筋與上方的土層緊密結(jié)合，形成一體。這樣一來，任何土層沉降的變化都會直接反映在鋼筋的沉降量上。鑒于大多數(shù)監(jiān)測點(diǎn)位于繁忙的珠海大道上，為防止過往車輛的碾壓對監(jiān)測結(jié)果造成干擾，鋼筋頂端應(yīng)低于路面5～10 cm。此外，鉆孔應(yīng)加裝保護(hù)管，并在其上方覆蓋蓋板以保護(hù)監(jiān)測點(diǎn)免受損害。

根據(jù)環(huán)屏路隧道施工過程的實(shí)際情況，該次測點(diǎn)埋設(shè)應(yīng)從始發(fā)井開始，每間隔5 m設(shè)置一個監(jiān)測斷面直至接收井，共計設(shè)置了1 322個監(jiān)測點(diǎn)。

2.3 測量方法

在綜合考慮可能對監(jiān)測造成影響的多種因素后，該次監(jiān)測的監(jiān)測順序應(yīng)根據(jù)奇數(shù)站和偶數(shù)站進(jìn)行區(qū)別。在進(jìn)行奇數(shù)站的觀測時，采用后、前、前、后的觀測順序；而進(jìn)行偶數(shù)站的觀測時，則采用前、后、后、前的觀測順序，這樣的順序有助于提高測量的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.4 沉降計算方法

在開始工程施工之前，先對起始高度進(jìn)行精確測量，使用水準(zhǔn)測量的基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)定地面沉降監(jiān)測點(diǎn)的起始高度。完成工程施工后，可采用式（1）計算每一次的高度變化數(shù)據(jù)：

ΔH=Hn?H0 （1）

式中，?H——地表沉降值（mm）；H0——起始高度（mm）；Hn——第n個測站點(diǎn)的測量高度（mm）。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

該次研究取3個不同監(jiān)測斷面上的11個監(jiān)測點(diǎn)在8個不同施工階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)，不同施工階段的累計豎向位移如圖1～3所示：

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和沉降曲線的分析，可以發(fā)現(xiàn)在頂管機(jī)剛開始施工時，即到達(dá)開采面的階段，地表初步呈現(xiàn)隆起狀態(tài)。然而隨著隧道的掘進(jìn)，地表開始經(jīng)歷持續(xù)的垂直沉降。這一變化在圖1的監(jiān)測斷面A的沉降曲線中有明顯體現(xiàn)。隨著隧道掘進(jìn)到一定距離后，監(jiān)測點(diǎn)的沉降值開始減小，并最終趨于穩(wěn)定。在所有的監(jiān)測點(diǎn)中，位于隧道中心線上的監(jiān)測點(diǎn)6出現(xiàn)了最大的沉降值，達(dá)到了24.11 mm。以監(jiān)測點(diǎn)6為中心，兩側(cè)的每個監(jiān)測點(diǎn)沉降值逐漸減小，形成了一個沉降槽。而位于沉降槽兩端的監(jiān)測點(diǎn)1、2、10、11的沉降值非常小，這表明這些位置已超出了地表沉降槽的影響范圍。然而，在施工階段6和7時，盡管監(jiān)測點(diǎn)8距離隧道中心線較遠(yuǎn)，但其實(shí)測沉降值仍出現(xiàn)了較大數(shù)值，甚至超過了更靠近隧道中心線的監(jiān)測點(diǎn)7。這一異常情況是由于在掘進(jìn)過程中未能及時進(jìn)行頂管管尾的注漿，導(dǎo)致了較大的地層損失和顯著的地表沉降，這一發(fā)現(xiàn)是通過進(jìn)一步的工程現(xiàn)場調(diào)查得出。因此，及時的注漿工作對于防止地表沉降具有重要意義。

根據(jù)圖2中監(jiān)測斷面B及圖3中監(jiān)測斷面C的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頂管機(jī)距離監(jiān)測斷面前方5 m時，該斷面的地表開始出現(xiàn)變形，初期表現(xiàn)為地表的豎向隆起，然而隨著隧道的掘進(jìn)，這種隆起逐漸增大，最后在頂管機(jī)通過該監(jiān)測斷面后，地表變形轉(zhuǎn)變?yōu)槌两怠Ｐ枰⒁獾氖牵幢沩敼軝C(jī)已經(jīng)通過，該處地表的沉降并沒有穩(wěn)定，反而仍然在繼續(xù)沉降。

4 有限元數(shù)值模擬分析

為找到影響地表沉降變化的原因，該文采用專業(yè)有限元軟件對施工現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)值模擬，模型的長寬高分別為50 m、20 m和10 m，共有43 920個單元格、42 984個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。結(jié)合工程實(shí)際監(jiān)測結(jié)果，以監(jiān)測點(diǎn)6為中心設(shè)置對稱模型，在高度分別為0 m、5 m和10 m處設(shè)置橫向監(jiān)測斷面，設(shè)置與實(shí)際施工過程相同的7個施工階段。

在模型建立完成后，分析監(jiān)測斷面A上11個監(jiān)測點(diǎn)的豎向累計沉降數(shù)據(jù)，其數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測結(jié)果對比如圖4所示：

/mm

從圖4可以明顯看出，有限元模型預(yù)測的沉降結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)非常吻合。無論是模型預(yù)測還是實(shí)際監(jiān)測，其最大沉降值均出現(xiàn)在隧道中心線上方。實(shí)際監(jiān)測的最大沉降值為24.63 mm，而有限元模型預(yù)測的最大沉降值為25.79 mm。兩者之間的差異僅為1.16 mm，遠(yuǎn)小于2 mm，這表明有限元模型的預(yù)測精度已達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求。這種高度的一致性驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性，同時該文對兩者出現(xiàn)偏差的原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為是由下列兩點(diǎn)原因引起：

（1）施工過程中硬化道路的厚度與數(shù)值模擬不一致，導(dǎo)致硬化道路對沉降的影響較大，使得實(shí)際沉降值略小于模型預(yù)測值。

（2）實(shí)際施工制作注漿不及時，導(dǎo)致掘進(jìn)過程中的摩擦阻力較大，增大了地層損失和地表沉降，在后續(xù)施工時施工方和各單位加強(qiáng)了溝通，增大了注漿壓力和注漿量，確保將掘進(jìn)時的摩擦阻力降至最低。

5 地表沉降控制措施

5.1 頂推力控制措施

頂推力是頂管結(jié)構(gòu)在隧道內(nèi)行進(jìn)的關(guān)鍵，必須大于所有側(cè)向的摩擦力，但不能過大，以免引發(fā)地表沉降。同時，需要合理控制頂推力的大小和方向。在實(shí)際施工中，應(yīng)根據(jù)千斤頂?shù)淖畲箜斖屏晚敼芙Y(jié)構(gòu)，通過土層參數(shù)確定合適的起始推力數(shù)據(jù)。由于工期限制，施工方急劇增大推力導(dǎo)致地表裂縫，因此應(yīng)緩慢增大頂推力，保持與頂進(jìn)距離的線性增加關(guān)系。同時，還需要盡量控制頂管的前進(jìn)方向，使其按照設(shè)計的方向前進(jìn)，并在出現(xiàn)蛇形頂進(jìn)時，利用掘進(jìn)自動導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行緩慢糾正。

5.2 注漿控制措施

注漿控制在地表沉降管理中至關(guān)重要，能減少頂管結(jié)構(gòu)與土體的摩擦力，并彌補(bǔ)地層損失。注漿的材料屬性、壓力和及時性都影響地表沉降，需要選擇滿足設(shè)計要求的材料，如膨潤土和純堿，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。合理的注漿壓力和注入時間也很重要，以避免地表沉降過大或不合理的隆起。實(shí)地監(jiān)測結(jié)果顯示，注漿不及時和過度注漿都會導(dǎo)致不合理的結(jié)果。因此，施工單位需要協(xié)作，確保注漿壓力和注入時間合理，符合設(shè)計和規(guī)劃要求。

5.3 隧道埋深控制措施

隧道的尺寸和形狀確定后，需要確定其埋深。深度越大，對地表的影響越小，但過深可能對施工產(chǎn)生負(fù)面影響。在該工程中，隧道穿越了四層土層，最上層是雜填土，第二層是粉土，第三層是粉砂。該次試驗(yàn)選擇在粉土層進(jìn)行隧道掘進(jìn)，使得隧道的埋深較淺。

5.4 其他控制措施

除了已提到的控制措施，地下水位和隧道上方荷載也是影響地表沉降的關(guān)鍵因素。地下水位較深可以減小沉降影響，但需要進(jìn)行定期監(jiān)測。隧道荷載選擇為20 kPa，應(yīng)加強(qiáng)實(shí)際施工中重型機(jī)械和材料堆放的管理，以減小地表荷載。

6 結(jié)論

通過對環(huán)屏路隧道頂管施工引起的地表沉降進(jìn)行系統(tǒng)分析與研究，該文得出以下結(jié)論：

（1）隨著隧道施工的進(jìn)行，地表呈現(xiàn)出先隆起后沉降的變化趨勢。在施工初期，地表出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，隨著隧道掘進(jìn)，地表逐漸發(fā)生持續(xù)的垂直沉降。

（2）地表沉降的影響范圍主要集中在隧道中心線附近，形成了明顯的沉降槽。而離沉降槽較遠(yuǎn)的區(qū)域，沉降值較小，甚至不受影響。

（3）模擬分析結(jié)果表明，有限元數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合度高，驗(yàn)證了模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性。

（4）控制地表沉降的關(guān)鍵措施包括合理控制頂推力、注漿和隧道埋深。及時的注漿工作對于防止地表沉降具有重要意義。地下水位和隧道上方荷載也是影響地表沉降的關(guān)鍵因素，需要進(jìn)行定期監(jiān)測和加強(qiáng)管理。

參考文獻(xiàn)

[1]楊召召，祝彥知，糾永志.盾構(gòu)隧道施工引起縱向地表沉降的黏彈性分析[J].河南城建學(xué)院學(xué)報，2022（4）：1-6+18.

[2]王樂天，寧小亮，黃鵬輝.大直徑深埋頂管施工對地表沉降的影響[J].地質(zhì)科技通報，2022（6）：323-330.

[3]許有俊，孟毅欣，張朝，等.空間曲線頂管施工引起地表沉降的數(shù)值分析[J].內(nèi)蒙古科技大學(xué)學(xué)報，2023（1）：81-86.

[4]段超杰，蔣曉天，于飛.頂管下穿城市道路地表沉降規(guī)律分析[J].工程勘察，2023（5）：35-39.

[5]韓仲慧，王梅.淺埋矩形頂管施工對鄰近管線與地表的影響研究[J].都市快軌交通，2024（1）：135-142.

收稿日期：2024-04-17

作者簡介：康亞男（1992—），男，本科，工程師，研究方向：橋梁與隧道工程檢測及巖土工程監(jiān)測。