矩形顶管隧道下穿引起的道路沉降研究

严 中, 南 钰, 马玉祥

(1.合肥市市政设计研究总院有限公司,安徽 合肥 230041;2.安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

在城市地铁修建过程中,顶管施工技术借助其“非开挖”或“少开挖”特性[1],对工程所在地的道路及周边环境影响较小,已经广泛应用于城市地铁和市政工程中,如地铁车站出入口人行通道。然而,这种人行通道往往埋深较浅,顶管顶进过程中不可避免地会导致既有地层及建筑物的扰动甚至是产生破坏变形[2]。因此,根据不同的工程项目以及地质条件,采用合理可靠的地表沉降预测方法对保证工程的安全施工具有非常重要的意义。

目前,对于顶管施工过程中的地层变形,国内外学者也都做过一定程度的研究。Loganathan[3]假设隧道周围土体以不等量椭圆形移动,得到了土体位移的计算公式。魏纲等[4]在对弹性力学的Mindlin解研究的基础上,进一步分析类矩形盾构的正面附加推力和土体损失等引起的土体竖向位移。钟小春等[5]应用MIDAS GTS岩土数值软件对地铁出入口附近大口径的矩形顶管施工过程进行动态分析,得出在不同因素下的地表隆起规律。薛青松[6]采用比尔鲍曼理论计算顶管上覆土压力,并将实测值和计算值进行对比,推导出合适的顶力计算公式。冯海宁等[7]通过采用2D计算模型分析技术,分析了顶管施工过程中存在支护作用下的上部土层变形以及管节本身应力变化所产生的影响,讨论了顶管管节在顶进过程中侧偏不同位置时,周边土体变形和管节自身应力的变化情况。施成华等[8]是运用随机介质概念来将顶管机以及管节周边的土体当作一种随机介质,将土层在施工过程中的位移当作是一种随机的过程,对随机扰动区进行系统的分析。许有俊等[9]依照实际工程,通过室内试验,进行土压平衡顶管机刀盘在砂性土中运作的技术进行改良,通过顶力的变化,配制符合施工情况的注浆浆液。

综上所述,尽管国内外许多学者都对顶管施工过程中地层沉降的规律进行过研究,但由于国内相关项目较为稀少,因此,对于较浅覆土工况下的大断面矩形顶管施工过程的相关研究还不充分,在前人研究的基础上,本文拟针对合肥大连路管廊项目下穿包河大道段顶管工程进行分析,应用MIDAS GTS软件对施工过程进行模拟,分析顶管在不同注浆压力及不同宽高比例下的道路沉降规律,以期为后续相关工程提供参考与借鉴。

1 工程概况

1.1 工程背景

大连路位于骆岗生态公园内,东西走向,西起青海路,东至包河大道,道路全长约2.3 km,综合管廊位于道路北侧绿化带下,全长约2 248 m。

下穿包河大道段采用矩形顶管法施工,顶管管片顶进66 m,纵向坡度为3‰,西高东低。预制钢筋混凝土管片共计44环,采用土压平衡式矩形顶管机,顶管外径尺寸为8 200 mm×4 500 mm,顶管始发井1座,顶管接收井1座。平面图如图1所示。

图1 顶管平面图

在施工过程中,通过及时调整施工参数对沿线道路进行实时监测。因模型中监测范围内受到扰动最强的位置是距离始发井最近的第一监测断面,所以取第一监测断面各点的监测数据,绘制成曲线,与模拟计算数值进行对比。

本文为方便计算,得出一般性规律,将顶管施工段土层简化为道路和黏土层两层,矩形顶管通道穿越第二层黏土。土层厚度及其他物理力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数

1.2 地质条件

工程位于合肥市包河区,拟建沿线场地宏观地貌单元为江淮丘陵,微地貌单元为岗地,根据野外钻探、测试,结合室内岩土试验,下穿包河大道段土层主要特征及分布为:

(1) 人工填土层(Qml):含①层粉质黏土填土,黄褐色,松散至稍密,湿,含碎石、砖块、植物根等;①1层杂填土,灰褐、黄褐、灰黄色、杂色等;该大层连续分布,层厚1.8～3 m,层底标高18.24～19.05 m。

水文条件为:

(1) 地表水:地表水主要为沿线沟、塘水及许小河河水,因沿线水塘较多,面积较大,水量较丰富。

(2) 地下水:主要分为两类,一类为上层滞水,主要分布于场地周边杂填土孔隙中,水量与含水层厚度、大气降水及地表径流联系密切,排泄方式主要为蒸发和渗入低洼处,一般不丰富,场地沿线内无统一地下水位,水位埋深0.5～3.2 m;二类为承压水,该层水含水量不丰富,分布于全风化土和强风化泥质砂岩孔隙中,受埋深影响,此次施工勘察未见。

2 计算模型建立

使用有限分析软件MIDAS GTS建立三维数值模型,模拟顶管施工顶进过程。模型长度沿顶管顶进方向取66 m,宽度沿垂直顶进方向取60 m,深度取45 m。顶管横断面为矩形,尺寸为8 200 mm×4 500 mm,覆土厚度为7.8 m,模型土体采用摩尔-库仑本构模型,相关参数按表1选取,采用混合网格进行几何模型划分,每次顶进1.5 m,模型整体示意图如图2所示。

图2 顶管施工整体模型图

根据工程案例及计算条件分析,得到如下基本假定:

(1) 将顶管施工过程中的正面顶推力等效为作用在土体上的均布荷载[10],注浆压力等效为环形的均匀面荷载,以及摩阻力等效为沿着顶进方向的均匀面荷载[11]。

(2) 忽略地下水影响。

(3) 土体是均匀连续的弹塑性体,只考虑自重,忽略构造应力。

(4) 只考虑施工过程中顶管扰动产生的沉降,不考虑时间因素导致的固结沉降。

(5) 顶进过程中不考虑顶管位置的变化情况。

3 数值模拟的有效性验证

顶管隧道掘进贯通以后,此时道路变形是以沉降为主。沉降模拟值与实测值对比如图3所示。模拟和实测在第一监测断面监测点上的值分别为0.1 mm、-1.1 mm、-7.9 mm、-13 mm、-7.9 mm、-1.1 mm、0.1 mm和0.5 mm、-2.9 mm、-6.8 mm、-11.8 mm、-8.8 mm、-3.7 mm、0.9 mm。曲线变化趋势基本吻合,均近似“U”形,模拟最大沉降为13 mm,实测最大沉降为11.8 mm,模拟数值比实测数值大10%左右,在合理的范围内,因此本模型可被用于预测道路沉降。

图3 实测与模拟对比分析图

并且由图3可知,横断面上的道路变形总趋势总是为两边隆起,中间沉降,并且随着顶管不断顶进,道路变形程度逐渐加大,沉降槽深度加大,两边隆起也逐渐增大,说明注浆压力在施工过程中的影响还是比较显著的,实测和模拟的沉降曲线在顶管中轴线附近15 m的范围存在较大的变化,为影响的主要区间,沉降槽的体积约占总体积的95%以上。

4 不同宽高比的数值模拟结果分析

基于原模型,对不同宽度与高度比例下的道路沉降进行模拟。将宽度设置为恒定值,按一定比例改变顶管高度,在顶管覆土厚度、宽度以及注浆压力等因素恒定的情况下模拟顶管施工对道路沉降的影响,如图4所示。

图4 不同宽高比下的道路沉降曲线(贯通)

从图4中可以看出,在宽高比为1.4时,模拟结果的最小值为8.01 mm;在宽高比为1.8时,模拟的最大沉降为10.5 mm,即随着顶管宽高比的增加,道路沉降逐渐增大。在宽高比为2.2时,最大沉降为11.4 mm;在宽高比为2.6时,模拟结果的最大值为13 mm,此时沉降值已经比较大了。在宽高比从1.4增加到2.6的过程中,道路的最大沉降从8.01 mm增加到13 mm,增长率依次为31.09%、8.57%和14.04%,由此可以看出随着宽高比的增加,道路的最大沉降在逐渐增加,沉降槽宽度也在逐渐增大,但是为保障施工安全,顶管的宽度和高度的差异不宜过大,宽度与高度的比例不宜超过2.2。道路整体趋势表现为沉降,隆起量非常小。

同时,沉降槽反弯点的变化在一定程度上也可以对结论进行佐证,由既有数据进行分析,随着宽高比的增加,反弯点与隧道中轴线的距离逐渐增大,说明沉降槽的宽度是逐渐增大的,即表明顶管施工对上覆道路的影响范围逐渐增大。结合上面对各工况下道路最大沉降值的研究,可以得出顶管宽高比在1.4到1.8之间时对施工较为有利。

5 不同注浆压力的数值模拟结果分析

基于原模型,对不同注浆压力和覆土重力比例下的道路沉降进行模拟。覆土重力保持为恒定值,按一定比例改变注浆压力,在顶管覆土厚度、高度以及宽度等因素恒定的情况下,模拟顶管施工对道路沉降的影响,如图5所示。

图5 不同注浆压力下的道路沉降曲线(贯通)

从图5中可以看出,在比例为0.96时,模拟结果的最小值为4.63 mm;在比例为0.8时,模拟的最大沉降为6.75 mm,即随着比例的减小,道路沉降逐渐增大。在比例为0.64时,最大沉降为10.5 mm;在比例为0.48时,模拟结果的最大值为13.4 mm,此时沉降值已经比较大了。在注浆压力与覆土重力的比值从0.48增加到0.96的过程中,道路的最大沉降从13.4 mm减小到4.63 mm,增长率绝对值依次为21.64%、35.71%和31.41%,由此可以看出随着注浆压力的增加,道路的最大沉降在逐渐减小,但是为保证施工的安全,注浆压力与覆土重力差异不宜过大,否则容易出现冒浆等施工风险,因此两者比例不宜超过1。

随着注浆压力的增加,反弯点与隧道中轴线的距离逐渐减小,即沉降槽宽度逐渐减小,表明顶管施工对上覆道路的影响范围逐渐减小,据此可以说明增大注浆压力有利于削弱顶管施工对上覆道路沉降的影响。再结合上文的说法,发现注浆压力为0.64～0.8倍的覆土重力时,反弯点与隧道中轴线距离减小的速率最快,即削弱施工对道路沉降的影响效果最好,与前文说法一致。

6 结 论

综上所述,可得结论如下:

(1) 通过对隧道贯通后顶管第一监测断面上各点数据和模拟值进行对比,发现趋势基本拟合,说明本文模拟方法正确,两者产生的道路沉降曲线总趋势均为两边隆起中间沉降,并且在顶管中线左右15 m范围内对施工影响较为显著,而两者数值产生差异的原因可能是实际施工过程中的土况比较复杂,对上部道路的沉降产生差异有一定的影响。

(2) 引入宽高比的概念,在其他施工参数恒定以及顶管宽度不变的情况下,合理调整顶管高度,发现道路最大沉降随顶管宽高比的增加而增加,并且为保证施工的安全进行,宽高比在1.4到1.8之间时对施工较为有利。

(3) 分析注浆压力与覆土重力的比值,在其他施工参数恒定,以及覆土重力不变的情况下,合理调整注浆压力,发现道路最大沉降与注浆压力成反比的关系,并且经过对沉降曲线以及反弯点位置的对比研究,认为注浆压力不宜过大,应当控制在0.64～0.8倍覆土重力。