浅埋矩形顶管施工引起的地层沉降变化规律*

桂 林 任睿祺 史培新 刘 维

(1.苏州轨道交通集团有限公司，215004，苏州；2.苏州大学轨道交通学院，215131，苏州∥第一作者，高级工程师)

0 引言

浅埋矩形顶管施工技术以其施工噪声低、环境污染小、施工用地少、开挖面积小的优势成为了城市浅埋隧道施工的重要选择。隧道开挖必然会打破原有土层的应力平衡，引起周围土体产生变形。

顶管施工引起地面变形的计算方法从圆形的盾构隧道施工相关理论发展而来，主要有以Peck公式为主的经验法、以Mindlin解和随机介质理论为代表的理论分析法、数值模拟法等。在理论方法中，随机介质理论因其具有可以考虑隧道断面形状、变形模式等的优点而被迅速推广，并应用至矩形顶管施工引起的地面变形计算中。

在此基础上，许多学者针对顶管施工引起的地面变形进行了监测研究。文献[1]对内蒙古科技大学地下过街通道工程进行了地表沉降监测研究，文献[2]对南宁地铁1号线金湖广场站3号出入口过街通道工程进行了地表沉降监测研究，文献[3]对上海轨道交通2号线张江高科站1号出入口矩形顶管穿越工程进行了地表沉降监测研究。各研究结果表明，地表横向沉降曲线以顶管轴线为对称轴呈正态分布。但关于顶管施工的主要影响范围尚未达成统一结论。

相较于圆形盾构隧道，矩形顶管隧道往往具有较大的影响范围和地表沉降。经分析，由于矩形顶管隧道通常埋深浅，且管节顶部与土体接触面几乎是一个平面，故矩形顶管机在顶进过程中，其上部卸荷拱高度以内的土体约束较弱，使得土体直接坍塌在顶管机上方，形成较大、较宽的地表沉降槽，并使顶管机顶进困难。该现象被称为“背土效应”[4-5]。若将顶管周围土体按图1划分，则在原有研究成果与工程经验的基础上不难得出：管节范围正上方的土体(Ⅰ区)是受施工影响最大的区域[6]。

图1 顶管周围土体区域划分示意图

文献[7]在此基础上提出了整体背土效应理论，认为随着顶管顶程逐渐增大，其正上方土体与管节接触面积越来越大，造成正上方土体与管节的总摩擦阻力越来越大，超出了周边土体的整体约束能力，从而导致正上方土体伴随管节整体位移的突发破坏现象。背土效应还可能导致顶管尾端地面下沉及前端被动隆起。

由此可见，矩形顶管法隧道施工引起的地表变形的机理是多方面的。为了研究矩形顶管施工对地面变形的具体影响，本文以苏州轨道交通5号线(以下简为“苏州5号线”)某车站过街通道顶管工程为例，通过对施工引起的地表沉降进行现场监测，并利用现有理论对监测数据进行分析，得到此类工程施工引起的地表沉降变化规律。

1 工程概况

苏州5号线某车站过街通道工程采用矩形顶管法施工，掘进长度为61.8 m，覆土深度约为4.42～5.09 m。施工机械工作面尺寸为6.93 m×4.23 m的多刀盘土压平衡式矩形顶管机(工作断面如图2所示)。管节如图3所示。通过计算可得，地层损失率Vl(顶管管片截面面积与顶管机截面面积比值)为1.14%。顶管机截面与顶管管片截面之间的平均间隙Δd=15 mm。

图2 工作断面正视图

a)正视图

场地地层分布情况如图4所示。顶管主要穿越土层为①1层、③1层、③3层，其中③3层为微承压水层。该地区平均地下水位为-3.91m，潜水主要赋存于填土和浅层黏性土中，属孔隙型潜水，富水性较差。微承压水主要赋存于第③3层、④2层及⑤2层中，④2层渗透性强，含水量较为丰富。整体工程施工场地内具有地下水位高、管线密布等特点，对地表沉降的控制要求很高。各土层物理力学参数如表1所示。

表1 各土层物理力学参数

图4 场地地层分布情况

经验表明，在土体及管节参数一定时，防止顶管施工发生破坏的关键是控制管土摩擦系数μt及管土黏聚力ct。为保证施工质量、控制地表沉降，在顶进过程中，需通过压浆环管向节外壁压注一定数量的减摩泥浆，并采用多点对称压注使泥浆均匀地填充在管节外壁和周围土体间的空隙，来减少管节与土体间摩阻力,起到降低顶进阻力的效果。施工过程中，注浆压力控制范围为68.04～155.16 kPa；注浆量为1.00～1.67 m3/节；土仓压力值设置为0.10～0.12 MPa。

2 现场监测

为了研究顶管顶进施工过程对地表扰动的情况，以顶管顶进中心轴线为对称轴，选择监测断面K1、K2(拼装至29环及36环)分别布设5个监测点(如图5所示)，对整个顶管施工过程进行监测。

图5 地表沉降监测点布置示意图

本次顶管施工整体为匀速顶进；在拼装至27环时，因物料问题暂停施工；拼装至37环时，因将顶出MJS(全方位高压旋喷注浆)加固区，施工速度较慢。

2.1 顶管轴线位置监测点地表沉降变化

图6及图7为顶管顶进引起K1、K2监测断面的地表位移(负值为沉降,正值为隆起)。其中K2-1监测点由于在施工过程中部分时间被占用，故未测得该点的部分数据。观察发现：①K1、K2断面的5个测点的沉降规律基本一致；②较同断面其他测点来说，K1-3和K2-3两个位于轴线处的测点沉降较大；③K1断面中，K1-1与K1-5、K1-2与K1-4两组沉降变化规律相似，符合整个工程沿顶管轴线位置大致对称的规律；④测点K2-2与K2-4沉降略有差距，可能是由测点布置不完全对称而导致的。

图6 K1断面地表位移

图7 K2断面地表位移

从图8中可以发现，固定断面随顶管顶进的沉降变化主要分为5个阶段：①当顶管机顶进至A段时，顶管对监测断面的影响较轻；②当顶管机顶进至B、C段时，土体主要受顶管顶力、开挖面支护压力共同作用，地表迅速沉降，沉降值约为10 mm；③当顶管机顶进至C段时为机身通过的平缓段(顶管机身长约4.0 m)，土体既未受到土仓压力的挤压作用，也未受到同步注浆压力的影响，因此沉降没有继续发展，此时地表沉降达到最大值；④当顶管机顶进至C段时，对管节超挖位置进行同步注浆导致地表被抬起,这是引起该段土体变形的主要原因；⑤当顶管机顶进至D段时，注浆完成后，土体由于固结作用产生沉降。

图8 测点K1-3与K2-3随顶管顶进地表位移

2.2 监测断面沉降槽

图9及图10为K1、K2监测断面处各测点顶管顶至不同位置时的沉降值，直观展示了顶管施工各阶段的沉降槽。沉降槽大致沿轴线对称，呈现中间位置沉降大，两侧沉降小的特点。观察K1-1、K1-5、K2-1、K2-5四组测点可以发现，在顶管顶至不同位置时各测点沉降变化不大。这说明土体在距顶管轴线9 m处(即约3倍顶管截面宽度处)受到的影响已经很小。

图9 K1断面沉降槽

图10 K2断面沉降槽

3 监测数据分析

3.1 理论公式对比验证

随机介质理论认为，隧道断面开挖造成的地表沉降可以由若干个无限小开挖单元dξdη(ξ、η分别为x、z方向的积分变量)造成的地表沉降积分得到[8-9]。因顶管长度远大于其宽度，可将每个小单元的计算简化为如图11所示的二维平面问题。

图11中单元体的开挖引起的Se(x)为：

图11 二维单元开挖示意图

(1)

式中：

Se(x)——横坐标x处的地表沉降；

r(η)——水平面上主要影响半径。

(2)

式中：

z0——单元体距离地表的距离;

β——上部岩层主要影响角。

矩形顶管隧道不均匀收敛模式如图12所示。文献[10]认为不均匀收敛模式更适合应用于矩形顶管施工造成的地表沉降。

注：Ω、ω——隧道开挖断面及建成后隧道截面；Δd——隧道开挖断面与建成后隧道截面之间的空隙；h、b——分别为建成隧道截面的高、宽。

根据叠加原理，地表总沉降S(x)由隧道开挖断面面积SΩ(x)减去建成后隧道截面面积Sω(x),即：

S(x)=SΩ(x)-Sω(x)

(3)

由式(1)—式(3)，通过对阴影部分开挖单元引起的地表沉降进行积分，得到顶管施工引起的地表沉降为：

(4)

of rectangular jacked tunnel

在实际施工中，由于同步注浆等措施的作用，随机介质模型不均匀收敛模式中的空隙并不会达到图12所示Δd的大小。因此,需引入地层损失折减系数ρ进行折减[11]，间隙按Δdr=(1-ρ)Δd(Δdr=(1-ρ)Δd)计算。根据经验，ρ取40%。将积分域坐标由几何关系算得,并代入式(4)，有：

(5)

根据文献[12]，有：

(6)

i=Kz0

(7)

式中：

i——地表沉降槽宽度；

K——地表沉降槽宽度参数，根据经验取0.6[7]。

经计算，tanβ=0.66。

分析图13可知：

图13 沉降的理论计算值与实测值

1)浅埋矩形顶管上方土体轴线位置沉降大，两侧沉降小；实测沉降槽大致同Peck公式法及随机介质法预测的变形规律一致。

2)Peck公式法的沉降计算曲线呈窄而深的特点；实测沉降最大值小于理论值，实测沉降槽宽度大于理论沉降槽宽度。这是由于上述参数取值多参考深埋、圆形盾构隧道施工的经验值，并不能准确反映出浅埋矩形顶管施工造成的地表沉降。

3)随机介质法的最大沉降计算值大于实测值，计算的沉降槽宽度与实测值类似。这是由于根据经验取得的ρ偏小导致的。

上述比较结果表明，本工程的施工控制措施行之有效。

3.2 既有案例统计分析

与深埋隧道不同，浅埋矩形顶管管节正上方土体是受施工影响最大的区域。浅埋矩形顶管通常应用于软土地区，其正上方覆土层往往只有较厚的填土。填土的物理力学参数常采用经验值，并不能准确反映土层的工程性质，因此假定浅埋矩形顶管施工造成的地表沉降主要影响因素为顶管截面尺寸及埋深。本文选取类似浅埋矩形顶管施工造成的沉降槽案例进行分析，如图14所示。图14中，4个案例的顶管埋深为4.3～7.0 m，顶管截面宽度为6.0～7.0 m、高度为4.0～5.0 m。计算可得，顶管施工的横向沉降范围大致为顶管截面宽度的3倍，与文献[6]的结论一致。

图14 浅埋矩形顶管沉降槽案例

本文通过分析顶管管节宽、高及埋深同地表最终沉降的关系，并进行量纲一化处理，得到矩形顶管单位沉降比λ：

(8)

式中：

S——地表沉降值；

z0——顶管隧道埋深。

计算得到λ值如表2所示。表2中，λ值为2.36×10-3～4.81×10-3，较为集中。计算图14中各测点的λ值，结果如图15所示。虽然图14中各测点沉降差异很大，而图15中各测点沉降在量纲一化后得到的λ趋于一致。

表2 浅埋矩形顶管参数及λ值

图15 地表位移量纲一化后的λ

4 结语

以苏州5号线某车站过街通道顶管工程为例，通过分析现场实测数据，总结了浅埋矩形顶管施工过程中的地表沉降规律。将现场实测数据与以往浅埋矩形顶管工程实测数据对比分析，结果表明：

1)在浅埋式矩形顶管顶进过程中，地表变形经历了微扰动、迅速沉降、注浆抬升、固结沉降四个阶段；监测断面施工阶段最大沉降值为15.97 mm，最终沉降值为13.72 mm；顶管施工沿顶管轴线方向引起土体沉降的范围大致为距掘进面7.5 m以内。

2)浅埋矩形顶管施工造成的地表沉降横向范围大致为3倍顶管截面宽度；沉降槽大致符合Peck公式法以及随机介质理论法预测的变形规律；然而，Peck公式法将由深埋盾构圆形隧道得出的经验系数用于浅埋矩形顶管，使得沉降槽计算宽度偏小，最大沉降值偏大；随机介质理论法计算的最大沉降值同样偏大；本文进一步采用类比统计的办法，将各工程案例中的沉降值量纲一化处理，最终得到了统一的地表沉降规律。