矩形顶管在综合管廊中的应用研究

王俊杰 田文胜 董玉辉

（武汉市政建设监理有限公司，湖北 武汉 430050）

1 综合管廊和矩形顶管综述

1.1 综合管廊

地下综合管廊又叫共同沟，指的是城市中用于铺设各种市政管线的公共隧道［1-2］。综合管廊自1833年诞生于巴黎，至今已有一百八十多年的发展历程。综合管廊在国外发达国家已建设得比较完善［3］。我国综合管廊工程始于北京天安门广场地下管廊的建设，截止到2015 年，我国已建和在建地下管廊总长达1 600 km，发展历程如图1 所示。此外，为了实现城市现代化，综合管廊的建设必不可少，相关的技术规程也在逐步制定和完善［4-5］。

图1 我国综合管廊发展过程

传统管线多采用架空敷设或埋地敷设，综合管廊与之相比具有如下优点：①不占用地表空间，或仅投料口、检查井占用少量地表空间，美化了市容市貌；②一次性建设，杜绝了“马路拉链”，减少了对城市交通和人们生活的干扰；③管线分类入廊，进行日常巡查维护，提高了管线的安全性和使用寿命。但综合管廊在中心城区和老城区建设也面临多种难题。例如：施工空间狭小，难以满足传统的大开挖施工方式；征地协调难度大，拆迁成本高，进一步增加建设成本；管线迁改成本高，施工周期长。

1.2 综合管廊施工方法

综合管廊施工方法主要有明挖法和暗挖法两种，其中暗挖法包括顶管法、盾构法和浅埋暗挖法等。鉴于明挖法对城市环境的影响较大，暗挖法在城市综合管廊施工中占据越来越多的份额。其中顶管法由于距离短、成本低、断面形式多变，适用于多样性地层，施工安全可靠［6］。

顶管法作为一种“绿色、环保、安全”的非开挖施工技术，首先在20 世纪70 年代初被提出，在20世纪90年代进入中国，并取得了飞速发展。矩形顶管凭借其非开挖施工优势应用于综合管廊的建设中，但由于综合管廊断面较大，相对埋深（管顶覆土深度与管廊高度的比值，H/D）相对较小，仍不可避免地会扰动上覆地层。然而，现有研究大都集中在小直径的圆形顶管和开挖敷设综合管廊建设方面。

本研究结合某市综合管廊矩形顶管穿越工程（见图2），布设了地表沉降监测断面，分析综合管廊顶管施工引起的地表沉降规律，为后续工程进行地表沉降预测、控制提供参考。

2 工程背景

某新建综合管廊的断面尺寸为6.7 m×5.4 m，该管廊穿越城市主干道，穿越段的长度为93 m。由于车流量大，采用分幅明挖并结合交通导流仍不能满足交通需求。因此，综合考虑采用矩形顶管施工，管廊功能布置见图2。地层以填土、黏土、中砂、砾砂等软弱土层为主，地下水位较高，在地面下1 m。

图2 三仓式综合管廊断面图（单位：mm）

3 监测方案

3.1 矩形顶管施工引起地表变形因素分析

矩形顶管施工引起地表变形的机理十分复杂，其主要因素一般有以下3个。

3.1.1 土体损失。指的是顶管施工时，开挖的土体体积大于设计开挖的土体。

3.1.2 顶管推力。顶管施工时，开挖面前顶管的推力控制不均匀，可能会导致底层变形。

3.1.3 管道外壁摩阻力。管道顶进施工时，管道与土体间会产生摩擦力，导致土体变形破坏。

实际施工中，上述3 个因素并不是相互独立的，而是互相影响的，且它们的相对大小并不是一成不变的；其中，管道外壁摩阻力相对比较稳定，而顶管推力和土体损失则是动态变化的，它们的大小与现场施工情况紧密相关。

3.2 顶管施工引起地表沉降范围预测

由于上述因素的存在，矩形顶管在顶进作业时可能会导致地表不均匀沉降，那么在布置地面沉降监测点时，要考虑地表沉降的影响。一般情况下，沉降槽是地表不均匀沉降的主要形式，监测点的布置须根据沉降槽的影响范围来进一步确定。顶管施工监测时常用的沉降槽模型呈正态曲线分布；国内学者引入随机介质理论来确定开挖施工在水平面的最大影响半径，即沉降槽宽度；另外还有相关学者和工程师做出了沉降曲线中心到曲线拐点的距离为沉降槽宽度6倍的假设。

对于圆形隧道来说，应用上述研究成果问题不大，但对于矩形顶管隧道来说，具有较大的断面，且形状为矩形，这都导致了矩形顶管隧道的沉降与圆形隧道有所不同。根据朗肯主动土压力理论和勘察设计成果，本项目的沉降监测范围取顶管宽度b与两倍的顶管底面深度h×tan30°之和，具体见图3。

图3 监测点布置图

3.3 监测断面布设

根据沉降范围预测和设计要求，布置如图3 所示的监测点。横向上，在图3 中的1～7 各布置一个测点；纵向上，在距离顶进始发井的5 m、25 m、50 m、75 m 的位置各布置一个监测断面。共布置28个测点。

3.4 监测点的埋设方法

路面沉降点的布置是为了测量路面的沉降，当路面是土体时，路面表层的沉降便能代表整个土体的沉降。但当路面是钢筋混凝土或沥青结构时，路面表层的沉降便不能代表土体整体的沉降，这时就需要测量路基的沉降。通常，路基沉降点设置成窖井测点的形式，以便不受破坏，具体如图4 所示。测量沉降的仪器主要采用水准仪和铟钢尺。水准测量方法是主要测量观测方法。

图4 路基沉降监测点布置图

4 监测结果及分析

4.1 监测结果

顶进距离随顶进时间的关系如图5 所示，从图5 可以看出，矩形顶管的顶进长度基本随着时间的变化成比例增长，呈匀速状态。4 个监测断面顶管上方的3～5 三个监测点的地面沉降随时间的变化曲线如图6 至图9 所示。其中在顶管顶进至29 m时（7月25日），25 m处断面的沉降曲线如图10所示。其余断面的沉降曲线与此类似，不在此一一列举。

图5 顶管顶进距离与顶进时间的关系曲线

图6 5 m断面地表沉降随时间的变化关系曲线

图7 25 m断面地表沉降随时间的变化关系曲线

图8 50 m断面地表沉降随时间的变化关系曲线

图9 75 m断面地表沉降随时间的变化关系

图10 25 m断面处的地表沉降变化曲线

4.2 监测结果分析

4.2.1 沿轴向的扰动范围。对布置有监测点的5 m、25 m、50 m 处的监测断面进行分析可以看出，当顶管施工至12 m、17 m、22 m处时，5 m、25 m、50 m 处的监测断面的地表虽暂时未隆起，但地表沉降却先发生了。参考设计文件和施工组织设计，在顶管顶进施工时，顶管设备的操作人员应将开挖仓压设置为朗肯主动土压力，但在现场施工时，开挖仓压大于朗肯主动土压力。因此，顶管上部的土体在该情况下发生了主动破坏，并且因为顶管的高宽比（H/D=1）较小，断面较大（36 m2），顶进施工引起的土体破坏很快就传递到了地表。该综合管廊顶管的高度为5.4 m，根据监测结果可知，机头前方受扰动区的范围约为顶管高度的2～3倍。

4.2.2 穿越加固区的扰动。如图6 所示，监测断面5 m 处的地表沉降曲线呈锯齿状波动，地表的变形在沉降和隆起之间变化。7 月26 日时，地表由沉降变为隆起。原因是该段土体经地基处理后，水泥浆加固了土体，土体由软塑～硬塑状变为板结状的固体，在顶管头的切削搅动下，经水泥浆固化后的土体不能随着顶管顶进变为流塑状，且其中较硬的土体会被反复搅动，对附近土体产生扰动。

4.2.3 沿横断面的扰动范围。从图6至图9可以发现，监测点4 的沉降量大于监测点3、5，这说明顶管机上方的土体和地表沉降并不均匀，呈现出中间大两边小的形态。原因是监测点4 位于顶管顶进的正上方，而监测点4、5 位于顶管轴线两侧。利用土体的剪切破坏理论可以解释这个现象，即顶管在顶进时，会在顶管两侧的土体中形成剪切带，剪切带内侧的土体受向上的剪切力，外侧的土体受到向下的剪切力。因为土体的碎散性，难以形成一个整体的刚性体，这就造成越靠近剪切带的土体变形和沉降越小，而越是远离剪切带的土体的变形和沉降就越大。这就是顶管上方的土体沉降槽形成的原因，具体如图11所示。

图11 25 m断面地表沉降槽形状

由图11 可以看出，顶管隧道沉降槽的范围依旧在顶管两侧土体的剪切破坏面内。据此，可以根据库伦主动破坏模型来确定剪切破裂面的具体位置，剪切破裂面与水平面的夹角可取45°+φ/2，进而确定地表沉降的范围。

4.2.4 地面沉降对竖向土压力的影响。当地层不受扰动处于静止状态时，地层中任意点的竖向土压力等于该点的静止土压力，即该点上方底层的自重。但若在地层中进行施工，比如顶管顶进，这就会导致地层扰动，地层的受力平衡被打破，造成地层沉降或隆起。

随着顶管顶进的施工，在顶管两侧土体剪切带的带动下，顶管上方土体的受力平衡也会发生变化，竖向土压力的一部分在顶管顶进时会通过摩擦向顶管两侧的土体传递。这就导致了顶管上方土体所受的竖向土压力小于该处土体的静止土压力。并且，由于土体具有碎散性，顶管上方土体的受力不均，呈现中间大两边小的形态，这与上文中图11 所示的沉降槽正好相反。因此，在管廊结构设计时，如仍采用静止土压力计算，则结构设计是安全的。

4.2.5 减少地表沉降的措施。根据上述的理论分析和监测结果可知，为了减少顶管上方土体的沉降或隆起，可采取以下措施：第一，尽量保证开挖仓压与地层的静止土压力保持一致，从而避免顶管附近土体的主动破坏；第二，顶管顶进施工时，为避免形成的剪切破坏带范围较大，要及时向顶管四周注入润滑泥浆；第三，顶管施工完成后可能会遇到顶管范围内土体出现局部较大的变形和沉降，此时，应果断向沉降部位注入高压泥浆，避免出现土体的过大沉降，影响土体中管线安全和地表交通等；第四，若顶管施工使路基与路面之间产生空隙，应尽早发现，并及时灌浆，避免地表坍塌，影响交通和人员安全［7］。

5 结论

本研究介绍了某新建综合管廊矩形顶管地表沉降监测结果，并分析了顶管施工引起的地表沉降范围及其对竖向土压力的影响，得出以下5个结论。

①沿顶管轴向，机头前方受扰动区的范围为顶管高度的2～3倍。

②顶管穿越土体加固区段，地表的沉降变形随时间呈锯齿状变化，相对于未加固段，加固段的沉降较小。

③顶管断面上土体的沉降范围可以根据库伦主动破坏模型来预测。

④顶管上方的地表沉降和土压力都不均匀，均呈现出中间大两侧小的形态。

⑤顶管施工时若地表产生较大的沉降，此时须提高开挖仓压，并向管节外周注入足量高压泥浆顶起地层，同时在路面与路基的孔隙中灌浆，以防止地面坍塌。