多排平行顶管施工对地表沉降影响的模型试验分析

胡 聪，曹广勇，邓文杰，余世祥，杨俊峰，杨祖兵

(1. 安徽建筑大学 土木工程学院，合肥 230601；2. 安徽建筑大学 建筑结构与地下工程安徽省重点实验室，合肥 230601；3. 中铁四局集团第四工程有限公司，合肥 230601)

近年来，城市化步伐的加快以及对地下空间开发规模的扩大，近距离多排顶管工程越来越多。相对于单排顶管，多排平行顶管由于相邻顶管管道距离较近，相互影响大，若沉降控制不当，特别在复杂的城市环境中会对周围建筑物造成较大危害。因此，分析多排近距离水平平行顶管施工所引起的地面沉降量及扰动影响对顶管工程施工有着重要意义。

目前，诸多学者采用数值模拟、室内实验以及现场监测等方法，对单排顶管施工的沉降分析及扰动影响范围等进行详实的研究[1-7]。魏新江[8]结合工程实例，分析单根顶管施工及水平平行顶管施工的地面沉降计算方法，提出一种新的后顶管地面沉降计算方法。李树峰[9]通过离心模型试验分析三管并行盾构隧道近接施工时的围岩压力，称其内力和地表为一的分布规律。李博[10]通过室内实验分析在不同注浆条件下，顶管顶进时顶力的变化、土体表面变形、地层劈裂和新顶进顶管对既有平行顶管管道产生的影响。现场监测以及有限元模拟结果指出[11-15]，当两顶管轴线距离较近时，后顶管施工所引起的地面沉降曲线是不均匀的。

文中在传统顶管机的基础上将刀盘削切装置以及螺旋出土装置引入本试验系统，探究在注浆及出土条件下三排水平平行顶管隧道施工所引起的地表沉降规律，并就扰动机理方面分析曲线幅值状况，得出相关意见与结论，为后续同类型工程施工提供参考依据。

1 试验设备

本试验采用自行设计的室内模型实验平台，通过对三排管节不同顺序的顶进，模拟现实情况下的短间距多排顶管施工对相邻顶管的影响，可以获得不同间距下的顶管对既有顶管的影响，以及对地层沉降的影响。

本试验的设备主要有砂土顶管试验箱、液压顶进系统、压力注浆系统、螺旋出土装置、刀盘削切系统和激光监测数据采集系统。

1.1 顶管试验箱系统

试验箱如图1所示，试验箱尺寸为1.5 m×0.8 m×0.8 m。试验箱尺寸根据Peck公式对砂土地表沉降槽形状的预测范围制定，目的是使砂土地表沉降在激光监测系统范围内。试验箱两面为透明玻璃，便于观察砂土平面高度。

图1 顶管试验箱

1.2 压力注浆系统

压力注浆系统如图2所示，该系统由空气压缩机、调压阀和压力容器三部分组成。在顶管前部注浆孔顶入土体后，开启空气压缩机给压力容器加压，通过控制调压阀以及排气装置使得压力容器内气压恒定在43.7 kPa，使膨润土泥浆以恒定均匀的速度压入顶管内部注浆管道。

图2 压力注浆系统

1.3 螺旋出土装置

螺旋出土装置由电动机以及一个长条螺旋状的齿条组成。该构件位于顶管内部空间的下方，由电动机带动，在旋转的同时携带出顶管前部刀盘所切削的土体,该系统如图3所示。

1.4 刀盘削切系统

刀盘的实物如图4所示。刀盘由后方电动机驱动，可根据不同地层发射不同指令调整不同转速，刀盘转动所削切下来的土可由螺旋出土系统排出。

图4 刀盘实物

模型实验共顶进3根试验顶管，顶进顺序为1号管节、3号管节，最后是2号管节，相邻两根顶管间距为100 mm。

试验箱填铺：将砂在10 cm高度均匀填入箱内，每填筑10 cm，平整1次砂平面，直至设计高度。激光位移计采用对称布置，共计14个。2号顶管轴线方向每间隔11 cm设置1个激光位移计，共计6个。横向方向每隔15 cm设置1个激光位移计，共计8个。试验箱平面监测长度为160 cm，如图5所示。

图5 激光监测点布置

2 试验数据分析

2.1 纵向地表沉降分析

图6(a)为顶进1号顶管时所测得的地表轴线测点沉降曲线，可以看出：在顶管顶进初期，各测点处有不同程度的隆起，而在切口切入距测点约100 mm时地表位移由隆起转下沉。切口到达时，沉降量已达0.1 mm；切口通过时，测点急剧沉降。在切口通过后，沉降速率明显趋于缓和，且沉降出现一定程度回弹; 当切口距测点150 mm时，沉降基本稳定，最大沉降量发生在顶进至700 mm时的测点12，为0.26 mm。

图6(b)为顶进3号顶管所测得的地表轴线测点沉降曲线，可以看出：与1号顶管顶进所引起的沉降情况相类似，3号顶管顶进在切口到达前所引起的纵向地表沉降曲线表现为先隆起后下沉。在切口到达时地表沉降迅速扩大，曲线出现明显落差。在切口通过后，沉降速率趋于缓和，且伴随着一定程度回弹; 最大沉降量发生在顶进至700 mm时的测点11，为0.31 mm。

图6(c)为顶进2号顶管所测得的地表轴线测点沉降曲线，可以明显地看出2号顶管顶进所造成的沉降曲线与前两根顶管顶进所造成的沉降曲线出现很大差异。主要表现在：

(a)1号顶管顶进所引起地表轴线测点沉降曲线

1) 靠前方的测点9、10、11、12出现微微隆起后马上很大程度地下沉，表现尤为明显的为测点10。

2) 出现大规模下沉后，又立即产生较大程度的地表隆起，表现尤为明显的为测点12。

1、2、3号顶管最初地表隆起的原因主要是前期顶进速度大于出土速度，造成刀盘前方土体受到挤压，从而引起地面出现少量隆起，使得沉降值出现正值。

1、2、3号顶管在纵向地表沉降趋于平缓过程中，沉降值出现少量的回弹，这与李方楠[16]提出的一种关于顶管施工过程中注浆引起土体隆起的计算方法所揭示的规律一致。

2号顶管顶进初期测点所测得的沉降值激增是因为平行顶管施工过程中，先施工顶管会在其顶进方向产生45°+φ/2的卸荷扰动区，再次进行顶管施工时又将产生45°+φ/2的卸荷扰动区。由于本试验顶管间距较小，扰动区将不可避免地产生重叠，所以此时将会产生沉降值的激增[13]。

2.2 横向地表沉降分析

图7(a)为1号顶管顶进时所测得的地表横向测点沉降曲线，可以看出：沉降曲线整体偏向左侧，在顶管顶进初期，各测点沉降值均比较小，在顶距为150 mm时沉降值开始显著增大。在顶距为700 mm时达到最大沉降为0.67 mm。

图7(b)为顶进3号顶管时所测得的地表横向测点沉降曲线，可以看出：沉降曲线整体偏向右侧，在顶距为100 mm时沉降值开始显著增大。在顶距为750 mm时达到最大沉降为0.86 mm。

图7(c)为顶进2号顶管所测得的地表横向测点沉降曲线，可以明显看出2号顶管顶进所造成的沉降曲线与前两根顶管顶进所造成的沉降曲线出现很大差异，主要表现在：

(a)1号顶管隧道顶进所引起横向测点沉降曲线

1)在顶距为200～300 mm所测得的地表轴线测点沉降值为正值，最大隆起高度为0.31 mm。

2)最大沉降发生在顶距为650 mm处，其值远远小于前两次所测得的结果，为0.22 mm。

1、3号顶管横向测点沉降曲线大致呈对称分布，但由于1号顶管比较靠近试验箱右侧，所以1号顶管所测得的横向测点沉降曲线的大致对称轴偏向测点一侧。而3号顶管偏向比较靠近试验箱左侧，所以3号顶管所测得的横向测点沉降曲线的大致对称轴偏向测点5一侧。

3号顶管施工引起的沉降要大于1号顶管单独施工时所引起的沉降，这又在另一侧面印证魏刚[17]提出的平行顶管施工时，中间区域受到双重扰动会造成较大沉降这一结论。

横向测点是布置在顶距为400 mm处，但是由图可知横向地表最大沉降并非发生在此处，而是发生在更加靠后的区段，这是由于顶管顶进是对土体持续施加扰动的过程，因此，在切口通过顶距为400 mm后的比较长的一段距离土体将会继续发生沉降[18]，最后趋于稳定。

2.3 试验扰动机理分析

如图8所示，由于2号顶管顶进所引起的横向地表沉降以及纵向地表沉降均出现异常波动，现就该现象做出以下分析：由于顶管施工对周围土体的挤压、剪切及注浆等扰动，根据前人对顶管施工扰动的研究[19-20]，1、3号顶管顶进将会产生与水平面呈45°+φ/2夹角的卸荷扰动区。该扰动区将不可避免地在2号顶管上方产生重叠，而2号顶管顶进时将再次对土体产生扰动，此时将会出现三重扰动区，使得土体的固结程度和整体性提高。而在本试验中为了维持实验的唯一变量原则，顶进速度及注浆压力均未发生改变，因此，在2号顶管顶进的初期会出现较大程度的隆起，但随着顶距的扩大，切口渐进测点的下方时，扰动引起的沉降要大于顶进引起的隆起，此时地表沉降曲线表现为下沉[21]。

(a)纵向扰动

3 结 论

文中通过砂土室内模型实验探究多排顶管施工对地表沉降的变化规律，得出如下结论：

1) 顶管切口到达前，地表沉降曲线呈先隆起后下沉的形态，切口到达后的地表横向沉降曲线基本符合Peck公式。地表沉降主要发生在切口到达及顶管通过的过程中。

2) 后施工顶管所造成的沉降值要大于先施工顶管。先施工顶管对周围土体产生的扰动会使后施工顶管施工时产生的沉降加剧，使得后施工顶管引起的最大地面沉降和沉降槽宽度都要变大，且地面沉降曲线不对称，其横向沉降曲线偏向先施工顶管方向。

3) 膨润土泥浆的压入会使土体沉降值趋于稳定后出现少量回弹，回弹值约为0.02 mm，即顶管施工过程中注浆会引起土体隆起。

4) 削切装置及出土装置的引入可有效减少顶管施工中的地表隆起现象。三排水平平行顶管隧道施工时，应考虑到两边顶管隧道开挖对中间土体扰动的叠加作用，顶进速度应适当减缓，以防止地面隆起开裂，对周围建构筑物造成不良影响。

5) 卸荷扰动区的叠加会使土体性质发生改变，若仍以相同顶进速度施工，将会造成地面先隆起后下沉，对地面建构筑物造成比仅下沉或仅隆起情况下更大的危害。就扰动机理方面分析，若要在实际工况下减轻多排顶管顶进所造成的沉降效果的叠加危害，可以考虑减缓顶进速度，以减小地面沉降。