鄭青

（北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京100079）

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市地上建筑空間由于各類(lèi)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)而趨于飽和。為繼續(xù)適應(yīng)現(xiàn)代化城市建設(shè)，城市地下空間的利用和開(kāi)發(fā)變得越來(lái)越重要。

大部分的市政管線和配套設(shè)施都由地上轉(zhuǎn)到地下。新建工程的出現(xiàn)，以及前期各單位無(wú)規(guī)劃開(kāi)發(fā)，必然導(dǎo)致地下空間的情況復(fù)雜。在新建地下管線或改建管線時(shí)，采用頂管施工可對(duì)城市上方建（構(gòu)）筑物起到明顯保護(hù)作用。曲線頂管可以使管節(jié)沿設(shè)計(jì)線形軌跡頂進(jìn)，可在一定程度上避開(kāi)障礙物，被廣泛運(yùn)用于城市各類(lèi)功能管線的隧道工程中［1-3］。

對(duì)于頂管沿直線頂進(jìn)引起的土體變形，國(guó)內(nèi)外已有較多的研究，主要使用理論分析法、經(jīng)驗(yàn)公式法、數(shù)值模擬法對(duì)隧道開(kāi)挖導(dǎo)致的土體損失，管土之間的摩阻力、注漿等因素導(dǎo)致的地表沉降做了深入的研究，結(jié)果表明直線頂管施工引起的橫向地表沉降曲線以頂管隧道軸線為中心對(duì)稱(chēng)分布［4-6］。研究頂管沿曲線頂進(jìn)的作用機(jī)理及預(yù)測(cè)有著非常重要的工程價(jià)值和理論意義，但目前有關(guān)研究較少，尤其是對(duì)頂管隧道沿空間曲線頂進(jìn)引起的土體變形規(guī)律的研究更是屈指可數(shù)［7］。

本文以寧波市220 kV潘橋新建電力頂管隧道工程為依托，分析泥水平衡頂管沿S形空間曲線頂進(jìn)施工引起地表變形機(jī)理，結(jié)合實(shí)際工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)S形空間曲線頂管施工地表沉降規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。

1 工程概況

寧波市潘橋新建電力頂管隧道工程一期遷建4#井—3#井頂管段全長(zhǎng)約994 m。采用泥水平衡頂管，頂進(jìn)長(zhǎng)度為994 m，管節(jié)內(nèi)徑為4 000 mm，外徑為4 640 mm，管節(jié)長(zhǎng)度為2.5 m。區(qū)間隧道從4#井出發(fā)后以2.63%（半徑R=2 000 m豎曲線）上坡至最高點(diǎn)，而后以0.87%（R=5 000 m豎曲線）及0.3%（R=5 000 m豎曲線）下坡到達(dá)3#井。其中R=2 000 m豎曲線與R=700 m的平曲線疊合形成長(zhǎng)159.2 m的空間曲線段，如圖1所示。

圖1 頂管平縱面示意

本段頂管隧道埋深為10.7～17.6 m。根據(jù)地質(zhì)資料，本段頂管施工穿越的土層主要由雜填土、黏性土、淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、沙質(zhì)粉土。監(jiān)測(cè)斷面土層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)測(cè)斷面土層物理力學(xué)參數(shù)

2 地表變形監(jiān)測(cè)方案

在4#井出口S形空間曲線段軸線及關(guān)鍵斷面布置地表沉降測(cè)點(diǎn)。根據(jù)觀測(cè)要求，地表沉降測(cè)點(diǎn)采用直徑25 mm螺紋鋼，埋深1～2 m的淺埋標(biāo)志［8］。橫斷面測(cè)點(diǎn)以頂管軸線為中心兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置。從始發(fā)井端開(kāi)始由近及遠(yuǎn)布置5個(gè)關(guān)鍵橫斷面，編號(hào)為DC2-X—DC18-X。距離始發(fā)井最近的斷面為DC2-X，距始發(fā)井6 m，后續(xù)4個(gè)斷面距始發(fā)井距離分別為16，26，56，86 m。每個(gè)斷面測(cè)點(diǎn)間距按照近密遠(yuǎn)疏的原則布置，由軸線向兩側(cè)延伸間距分別為2，3，5，8 m；縱斷面監(jiān)測(cè)沿軸線布設(shè)測(cè)點(diǎn)，間距為5 m，如圖2所示。

圖2 隧道地表沉降測(cè)點(diǎn)布置

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 地表橫斷面變形

選取試驗(yàn)段上不同位置斷面作為關(guān)鍵斷面，其中DC2-X，DC4-X為直線段斷面，DC6-X為直線轉(zhuǎn)曲線段斷面，DC12-X，DC18-X為空間曲線段斷面。分別對(duì)不同位置的斷面沉降槽進(jìn)行分析，比較直線段、直線轉(zhuǎn)曲線段與空間曲線段沉降槽形態(tài)，總結(jié)空間曲線段斷面沉降槽形態(tài)規(guī)律。

直線段最大沉降發(fā)生在斷面DC4-X，見(jiàn)圖3?？梢?jiàn)在直線段，頂管頂進(jìn)引起的斷面沉降以頂管軸線為中心對(duì)稱(chēng)分布，最大沉降值發(fā)生在軸線處，且離軸線越遠(yuǎn)沉降值越小。頂管出洞軌跡為坡度0.3%的上坡，更換第4節(jié)管節(jié)進(jìn)洞后油缸回收出現(xiàn)后退現(xiàn)象，機(jī)頭及管節(jié)出現(xiàn)回退，造成刀盤(pán)掌子面卸荷，土體變形較大，地表沉降最大達(dá)到250 mm。可見(jiàn)，頂管直線段施工引起地表沉降由軸線向兩側(cè)減弱。直線段沉降槽中心位于隧道軸線上，斷面沉降值以沿軸線為中心左右對(duì)稱(chēng)。

圖3 頂進(jìn)前后直線段斷面DC4-X沉降槽形態(tài)

頂管從直線段進(jìn)入曲線段，頂進(jìn)前后斷面DC6-X沉降槽形態(tài)見(jiàn)圖4?？芍两挡坌螒B(tài)明顯不對(duì)稱(chēng)，其沉降最大值位于曲線軌跡內(nèi)側(cè)，且內(nèi)側(cè)沉降槽形態(tài)變化劇烈。這說(shuō)明頂管對(duì)內(nèi)側(cè)土體擾動(dòng)更大［9］。

圖4 頂進(jìn)前后斷面DC6-X沉降槽形態(tài)

圖5 頂進(jìn)前后曲線段斷面DC12-X，DC18-X沉降槽形態(tài)

S形空間曲線段斷面DC12-X和DC18-X的沉降槽形狀見(jiàn)圖5?？芍簲嗝鍰C12-X頂進(jìn)前地表輕微沉降，范圍在5 mm以內(nèi)；隧道頂進(jìn)中同步注漿，地表輕微隆起，軸線隆起最大值在5 mm以內(nèi)，頂管機(jī)頂進(jìn)斷面后，頂管機(jī)同步注漿量由3.50 m3增至3.75 m3，且保持不變，導(dǎo)致地表隆起較大，最大隆起值達(dá)到25 mm，且測(cè)點(diǎn)隆起無(wú)規(guī)律。隨后土體固結(jié)，頂進(jìn)20 d后最終沉降達(dá)到最大值15 mm。斷面DC12-X和DC18-X都是在曲線外側(cè)距軸線0.5D（D為隧道直徑）處沉降最大，且繼續(xù)向外側(cè)發(fā)展，地表變形變?yōu)槁∑?；曲線內(nèi)側(cè)在頂進(jìn)過(guò)程中表現(xiàn)為隆起，且向邊緣隆起值減小。這是因?yàn)?，頂管在曲線段頂進(jìn)，機(jī)頭向內(nèi)側(cè)糾偏，導(dǎo)致頂管內(nèi)側(cè)與土體擠壓，擠土效應(yīng)使得土體隆起，且軸線處擠土效應(yīng)最明顯，向邊緣減弱［10］。曲線軌跡向內(nèi)側(cè)糾偏導(dǎo)致外側(cè)與土體產(chǎn)生空隙，且由于頂管豎曲線及豎向坡度都是向地表延伸，頂管在平曲線段轉(zhuǎn)彎的同時(shí)，也在向上轉(zhuǎn)彎，導(dǎo)致頂管對(duì)上部土體擠壓較為明顯，故整個(gè)斷面的豎向位移表現(xiàn)為隆起，同時(shí)曲線外側(cè)產(chǎn)生空隙導(dǎo)致土體向下運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生最大沉降，其沉降位置位于頂管與土體接觸的界面，即距軸線0.5D處。

以上分析表明，對(duì)于頂管在鄰近相似土層中沿S形空間曲線頂進(jìn)引起的地表沉降規(guī)律一致，最大沉降點(diǎn)出現(xiàn)在曲線外側(cè)，且內(nèi)側(cè)擠土效應(yīng)比外側(cè)明顯［11］，在同步注漿的作用下外側(cè)隆起較大。

對(duì)頂管頂進(jìn)后DC4-X斷面8月26日的沉降采用Peck經(jīng)驗(yàn)公式擬合，結(jié)果見(jiàn)圖6?？芍?，沉降曲線呈V形，地表最大沉降為250 mm，擬合得到沉降槽1/2寬度i=4.5 m，最大沉降Smax=220 mm，計(jì)算得到地層損失率V1=19.7%。

圖6 DC4-X斷面沉降擬合曲線

在直線段選取多個(gè)斷面（圖7）進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，并采用Peck公式擬合，結(jié)果見(jiàn)表2。其中，D為隧道直徑。計(jì)算得到直線段地層平均損失率為0.998%。

圖7 直線段斷面測(cè)點(diǎn)布置

表2 直線段斷面Peck公式擬合結(jié)果

3.2 地表縱斷面變形

4#井出口段，頂管頂進(jìn)20 m后進(jìn)入平曲線（半徑700 m）和豎曲線（半徑2 000 m）的疊合S形空間曲線段。本文對(duì)頂進(jìn)過(guò)程中沿隧道軸線的縱向測(cè)線進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)間距為5 m。選取空間曲線段中部DC9—DC13數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。這5個(gè)中心測(cè)點(diǎn)的隆沉歷時(shí)曲線見(jiàn)圖8?？芍?，各測(cè)點(diǎn)的變形基本呈現(xiàn)先隆起，后輕微沉降，再隆起增大，之后沉降趨穩(wěn)定。

圖8 DC9～DC13測(cè)點(diǎn)隆沉歷時(shí)曲線

總結(jié)得到縱向測(cè)點(diǎn)變形發(fā)展可分為4階段。

階段1：頂進(jìn)前測(cè)點(diǎn)土體隆起階段。該階段頂管機(jī)機(jī)頭還未頂進(jìn)到測(cè)點(diǎn)位置，由于機(jī)頭正面的頂推力使得掘進(jìn)面前方的土體發(fā)生擠壓變形，測(cè)點(diǎn)區(qū)域地表出現(xiàn)輕微隆起［12］。

階段2：頂進(jìn)中沉降階段。該階段頂管機(jī)機(jī)頭通過(guò)測(cè)點(diǎn)位置，掘進(jìn)刀盤(pán)對(duì)土體擠壓到達(dá)最大并開(kāi)始減弱。頂管開(kāi)挖的通道中土體卸荷且后續(xù)管節(jié)與土體之間存在間隙，注漿不及時(shí)，使地表發(fā)生沉降，階段2的沉降與階段1的隆起相抵消，并最終表現(xiàn)為輕微沉降。

階段3：頂進(jìn)后劇烈隆起階段。該階段8月26日至8月28日，頂管機(jī)施工的同步注漿量由3.50 m3增至3.75 m3，且注漿壓力不變，泥漿充滿空隙并對(duì)上方土體進(jìn)行擠壓，故在8月28日至8月29日，軸線測(cè)點(diǎn)向上隆起較大，最大值達(dá)到27 mm。

階段4：最終沉降階段。該階段以測(cè)點(diǎn)豎向變形為主，歷時(shí)最長(zhǎng)，土體受頂管機(jī)擾動(dòng)越來(lái)越小，開(kāi)始固結(jié)沉降，進(jìn)入最終沉降狀態(tài)［13］。9月17日最大沉降達(dá)到23.2 mm。

4 結(jié)論

1）在直線段頂進(jìn)時(shí)監(jiān)測(cè)斷面沉降槽成V形，最大沉降位于頂管隧道軸線上方，軸線兩側(cè)測(cè)點(diǎn)距隧道軸線越遠(yuǎn)沉降越小。

2）在空間曲線段頂進(jìn)時(shí)同一監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)最大沉降位置發(fā)生偏移，位于曲線外側(cè)0.5D處。其位置變化與土層、頂管機(jī)注漿量、糾偏有關(guān)，施工期間應(yīng)作為重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)。

3）頂管施工過(guò)程中，地表縱向測(cè)點(diǎn)變形主要分為頂進(jìn)前隆起階段、頂進(jìn)中沉降階段、頂進(jìn)后劇烈隆起階段和最終沉降階段。地表變形的主要階段在最終固結(jié)沉降，造成最終固結(jié)沉降的原因?yàn)樗淼纼?nèi)開(kāi)挖土體卸荷和地層損失，且持續(xù)時(shí)間較久。施工過(guò)程中可通過(guò)適當(dāng)增加注漿量，使地表產(chǎn)生部分隆起，以減小后期地表固結(jié)沉降量。

4）本工程大部分直線段斷面沉降數(shù)據(jù)均符合Peck公式擬合規(guī)律，可針對(duì)具體施工情況及頂進(jìn)軌跡推導(dǎo)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)當(dāng)?shù)亟窈箢?lèi)似工程提出預(yù)測(cè)方法。

5）對(duì)于空間曲線段斷面沉降數(shù)據(jù)，建議通過(guò)引入偏移量對(duì)Peck公式進(jìn)行修正，可以較好反映空間曲線段地表沉降規(guī)律，為以后頂管施工提供一定的借鑒作用。