软土地区超大断面矩形顶管施工地表沉降分析

冯栋梁

（上海市市政工程建设发展有限公司，上海市 200025）

0 引言

矩形顶管断面空间有效利用率高，对节约地下空间资源、提高地下空间利用率具有十分重要的意义。因此，在地下空间资源紧张的城市核心区，矩形顶管往往具有较强的适用性。20 世纪90 年代末，该工法在上海地铁2 号线陆家嘴站5 号出入口地下人行通道工程中首次成功应用[1]。随后，在国内地铁车站出入口通道[2-7]、过街人行地道[8，9]等许多工程中得到了应用。

近年来，随着超大断面矩形顶管技术的发展，矩形顶管在城市地下通道建设中也得到了应用。矩形顶管的发展呈现出断面越来越多、顶进距离越来越长的趋势。矩形断面与圆形断面相比，在施工时对周边环境影响更为显著，尤其在城市核心区内，要重点关注矩形顶管施工引起的土体沉降问题。Peck 公式[10，11]以其经验性和实用性在地下工程沉降预测中得到广泛应用。目前，超大断面矩形顶管长距离穿越案例较少，对其土体沉降实测数据还不多，Peck 公式用于其沉降预测的可靠性需进一步验证。

本文结合上海某顶管工程，分析了大断面矩形顶管施工引起的地表沉降，并对应用Peck 公式进行矩形顶管沉降预测进行了探讨。

1 工程概况

上海某地下车行通道工程，其中穿越合流污水箱涵段采用超大断面矩形顶管技术实施。如图1 所示，该顶管为双线顶管，长度163 m，断面尺寸9.8 m×6.3 m（长×高），两根顶管等标高，水平净距3.4 m，顶管覆土厚度约12 m。顶管主要下穿构筑物为：9.85 m×4.3 m（长×宽）合流污水箱涵，最小垂直净距约4.2 m；上部已建地下通道，最小垂直净距约3.4 m。

图1 顶管及周边环境平面图（单位：m）

顶管通道土层分布自上而下分别为②1层粉质黏土夹粉质粉土、②3-1层粉质砂土、②3-2层粉砂、③层淤泥质粉质黏土、④层淤泥质黏土、⑤1层粉质黏土。其中，顶管主要穿越②3-1层粉质砂土、④层淤泥质黏土。主要土层参数见表1。

表1 主要土层物理参数

顶管穿越范围内为潜水，离地面-1.5～0.3 m，年平均地下水水位埋深离地面-0.7～0.5 m。

顶管始发井和接收井洞门设置三轴搅拌桩进出洞加固，宽度9 m。针对顶管穿越主要土层（②3-1层粉质砂土）流动性较强的特点，对穿越箱涵范围内采用了综合性加固方案。在箱涵和支管底部进行MJS加固托衬，并在穿越箱涵范围采用双轴搅拌桩等加固工艺形成顶管隔离仓，减少土层液化时对周边环境的影响范围。

2 地表沉降监测数据分析

2.1 顶管施工引起的地表纵轴线沉降分析

图2、图3 分别为东线、西线顶管轴线的地表沉降曲线。可以看到：

图2 东线顶管轴线地表沉降曲线

图3 西线顶管轴线地表沉降曲线

（1）进出洞加固、箱涵加固对减少顶管扰动效果明显。箱涵范围、已建上部通道区域由于既有结构存在，对顶管扰动产生隔离效果，相关区域地表变形显著减小。

（2）在未加固区域，试验段最大沉降量大于正常顶进段沉降量，沉降随顶进距离而发展，体现了顶管施工工艺特点。

（3）东线、西线地表沉降最大点均位于试验段5号（E5、W5）监测点附近，E5 点最大沉降约29.3 mm（顶进里程137 m，此时已趋于稳定），W5 点最大沉降约21.0 mm。

2.2 地表沉降随顶进里程变化分析

图4 为E5 监测点沉降随顶进里程变化曲线。地层损失产生的主要阶段发生在切口到达监测点至盾尾离开监测点这一过程，其后在泥浆套减摩和保压作用下，沉降趋于稳定。因此，在矩形顶管施工中，扰动最大的过程为机头穿越过程。其后随着管节推进持续对土体进行扰动，但在泥浆套作用下，管节推进带来的土体扰动可达到稳定值。

图4 东线E5 监测点沉降随顶进里程变化曲线

2.3 顶管施工引起的地表横剖面沉降分析

选取东线、西线地表沉降变化最大点的横剖面进行地表横剖面沉降分析。图5 是E5（里程为18 m）监测点剖面在不同工况下的沉降曲线。图中5 条曲线分别为顶管切口到E5 监测点前（12.344 m）、切口到达E5 监测点（18.409 m）、机尾到达E5 监测点（27.543 m）、切口到达36.278 m 及顶管切口到达149.451 m 五种工况下的地表剖面沉降曲线。顶管穿越前，正面土压力控制较好，地表略有沉降；自18.509～27.543 m 为顶管机身穿越阶段，沉降量较大，最大沉降24.44 mm。顶管穿越后，管片在减摩泥浆的减摩和保压作用下，顶进扰动较小，地表沉降呈现出逐渐收敛态势，最大沉降29 mm。

图5 东线E5 监测点剖面沉降曲线

图6 为W5 监测点和E5 监测点地表剖面沉降曲线。沉降曲线均呈现沉降槽变形模式，在顶管轴线位置沉降量最大，距离轴线越远，沉降量逐渐减小，沉降槽宽度均为30 m，且不随沉降量变化而变化。

图6 W5、E5 监测点剖面沉降曲线

3 Peck 公式在超大断面矩形顶管沉降预测应用的探讨

矩形顶管施工引起地表沉降与顶管断面、深度、长度、施工工艺、地质条件等多方面因素有关，特别是施工工艺参数具有较强的经验性。Peck 公式是在总结了大量隧道实测数据基础上提出的，其所参考的实测资料以圆形隧道为主，在矩形顶管中的应用需要进一步通过实测数据验证。

Peck[10]提出，在不排水条件下，地表变形由地层损失引起，沉降槽体积即地层损失体积，地表沉降槽近似高斯曲线分布，并给出了地面沉降预测的Peck公式，表示如下：

式中：Sx为距离隧道中线为x 处的地表沉降量，mm；Smax为隧道中线上方的地表沉降量，mm；x 为距离隧道中线的距离，m；i 为沉降槽的宽度系数，m；Vs为沉降槽面积，m2。

3.1 关于沉降槽宽度系数取值的探讨

沉降槽宽度的取值除与土层条件直接相关，还受到隧道埋深和尺寸因素的影响。其中，隧道尺寸影响往往在浅埋、 超浅埋情况下较明显（z0/D ＜1.0～1.5，z0为隧道中心埋深，D 为隧道直径），本工程等效z0/D =1.7，属于一般埋深。因此，剔除隧道尺寸因素的影响，仅考虑埋深。韩煊、李宁等[11]搜集了上海地区6 个样本，给出了i=0.5z0的建议值。结合本工程实测情况和矩形顶管地层损失集中在顶部的特点，建议z0取实际埋深，则i=6 m。沉降槽宽度为5i=30 m，与本工程实测数据较吻合。

3.2 关于地层损失取值的探讨

矩形顶管地层损失与工程地质、水文地质、顶管尺寸、顶管机性能、泥浆套性能、施工工艺参数、施工管理水平等多种因素有关，经验性、离散性较强。东线最大沉降29.47 mm，沉降槽面积Vs=0.442 m2，顶管截面积55.78 m2，则地层损失比为0.79%。西线最大沉降21 mm，最大地层损失比为0.55%。后续同类项目可参考进行土体沉降估测。

4 结语

（1）合理采用土体预加固措施可显著降低顶管施工对于土体扰动影响，从而保证顶管穿越构筑物的安全。

（2）矩形顶管施工过程中，机头穿越阶段扰动影响最大。在顶管机设计制造过程中应充分考虑全断面切削、同步注浆、改良孔、间隙等措施，减少机头穿越期间引起的沉降。同时可考虑穿越前控制切口前方土体微隆起状态的沉降控制策略，降低最终沉降量。在管节持续推进过程中，泥浆套的保压、减摩性能至关重要。在其作用下，管节持续移动带来的影响可达到稳定收敛状态。

（3）在一般埋深、深埋情况下，顶管外形、尺寸对沉降槽影响较小，Peck 公式依然适用于矩形顶管沉降预测，在浅埋情况下的适用性有待进一步探讨。本次两根顶管地层损失比分别约为0.79%、0.55%，可供后续同类工程进行沉降预测时进行参考。