張 建

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院集團(tuán)有限公司， 福建 福州 350108)

0 引言

隨著城市的不斷發(fā)展，中心城區(qū)的開發(fā)強(qiáng)度日益增大，在交通和建筑密集區(qū)域建造隧道的環(huán)境問題愈加突出。暗挖法以環(huán)境污染輕、拆遷量小、交通干擾少等優(yōu)勢更適用于鬧市區(qū)，但其對開挖土體的自立性及穩(wěn)定性要求較高。以福建沿海地區(qū)(福州、莆田、泉州等)為代表的大都市因地下水位較高、土體強(qiáng)度低，屬于典型的軟土地區(qū)[1]。軟土的特性，增加了福建軟土地區(qū)的隧道設(shè)計和施工難度。本文以福州文林山隧道為試驗工程，在軟土地區(qū)淺埋隧道中引入超前支護(hù)管幕以提高圍巖自穩(wěn)性，減小隧道上方地表沉降，達(dá)到保護(hù)市政基礎(chǔ)設(shè)施及既有建筑物的目的。

管幕法又叫排管頂進(jìn)法，其首先在擬暗挖位置的外周逐根頂進(jìn)鋼管，形成封閉的管幕圈，然后在管幕的圍護(hù)下進(jìn)行暗挖施工，最終形成地下空間。與管棚法相比，主要有3大差異： 1)管幕法一般采用小型頂管機(jī)或水平定向螺旋頂進(jìn)法施工，而管棚采用鉆機(jī)施工，由此帶來的直觀表現(xiàn)為管幕直徑較管棚大。2)管棚鋼管之間幾乎不采用連接形式，管幕之間采用齒槽鎖扣連接，由此管幕整體剛度較大，同時管幕還能形成連續(xù)止水帷幕。3)管棚與圍巖、注漿加固體共同承載，因此一般多用于拱頂；而管幕法則在頂部支護(hù)的基礎(chǔ)上又增加了兩側(cè)的支護(hù)或者底部支撐，同時，管幕法具有斷面靈活多樣、非開挖比例高、管線搬遷少等特點，適用于砂土、軟黏土等地層[2]，輔以凍結(jié)加固可用于富水土層。目前，國內(nèi)的北京軌道交通5號線崇文門站、沈陽軌道交通2號線新樂遺址站等均采用了管幕法施工。

管幕施工的設(shè)計方案、工藝技術(shù)等直接影響施工擾動程度，許多學(xué)者對此進(jìn)行了深入研究。例如： 楊仙等[3]分析了已建頂管對新建頂管地表沉降的影響； 張鵬[4]依托拱北隧道工程，分析了圓形斷面管幕頂進(jìn)順序與土體變形之間的關(guān)系；韓現(xiàn)民等[5]以迎澤大街下穿太原市火車站通道工程暗挖段管幕-結(jié)構(gòu)法施工為例，采用數(shù)值計算對鋼管不同頂進(jìn)次序?qū)Φ乇沓两档挠绊戇M(jìn)行了分析，同時對群管頂進(jìn)過程中站臺和股道沉降變化特征進(jìn)行了研究；魏綱等[6]基于已有的頂管施工所致地表沉降的經(jīng)驗公式歸納出適用性更廣的變形計算公式；蘇榮軍等[7]以上海中環(huán)線田林路節(jié)點改善工程為依托，采用現(xiàn)場試驗方法研究軟土地層超淺覆土下鋼管幕頂進(jìn)施工引起的地層沉降規(guī)律與機(jī)制；劉楊等[8]結(jié)合港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道管幕工程，對群管頂進(jìn)引起的地面沉降進(jìn)行分析，確定小間距圓周群管頂進(jìn)時地層損失率的取值，同時提出沉降槽寬度系數(shù)的經(jīng)驗公式；張鵬等[9]在現(xiàn)有Peck和Loganathan地表變形計算公式的基礎(chǔ)上，考慮曲線頂管與隧道的相對位置對沉降槽偏移量的影響，得到曲線頂管施工引起的地表變形預(yù)測公式。目前對頂管施工擾動機(jī)制進(jìn)行了大量研究，但就大斷面拱形管幕頂進(jìn)順序與土體變形的研究匱乏，同時關(guān)于管幕引起的地表沉降預(yù)測理論多針對單根頂管或雙線平行頂管開展，較少針對群管。

本文圍繞拱形大斷面管幕施工擾動控制，首先采用FLAC3D軟件重點優(yōu)化群管頂進(jìn)順序，再以隨機(jī)介質(zhì)理論為基礎(chǔ)，對考慮群管相互作用的地表沉降修正函數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)，最終得到群管頂進(jìn)地表沉降理論預(yù)測方法，以期為相關(guān)類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

文林山隧道是福州市工業(yè)北路延伸線工程的關(guān)鍵控制性工程。隧道設(shè)計速度50 km/h，按雙洞8車道分離式隧道方案布置。隧道最長1 176 m，為淺埋暗挖隧道，隧道最小埋深在出口段，僅為1～6 m。文林山隧道建成后將有效緩解二環(huán)擁堵，給象山隧道改造提供通道，增加二三環(huán)之間的聯(lián)絡(luò)線。隧道出口段左洞ZK3+806～+716、右洞YK3+800～+710暗挖下穿梅峰山地公園，該區(qū)域上覆存在2個景觀水池，同時周邊建筑物較多(見圖1)，包含環(huán)衛(wèi)工宿舍、武警支隊及監(jiān)獄等，其中福道樁基位置與下穿隧道距離最近僅為0.8 m，下穿隧道與已建建筑物位置關(guān)系復(fù)雜。城市淺埋下穿隧道時，若施工不當(dāng)會造成地表不均勻塌陷，易引發(fā)地表建筑物沉降超限，引發(fā)嚴(yán)重結(jié)構(gòu)安全事故。為了減少隧道開挖時對周邊環(huán)境及建筑物的影響，在隧道開挖前，先采取超前支護(hù)措施——管幕，以此達(dá)到控制地表及建筑物沉降和水體保護(hù)的雙重目的。

圖1 隧道出口周邊環(huán)境示意圖

根據(jù)《福州市工業(yè)北路延伸線工程南段隧道工程設(shè)計圖》，在隧道的開挖線外側(cè)，按35 cm間距，沿隧道軸線方向?qū)ⅵ?99 mm、壁厚10 mm的鋼管水平鋪設(shè)在土體里。鋼管兩側(cè)焊型鋼，通過型鋼咬合在一起，并在φ299 mm鋼管之間打入φ42 mm鋼花管，通過φ42 mm鋼花管在管幕外注漿、對土體進(jìn)行注漿加固，并使φ299 mm鋼管成為一個整體。管幕布置橫斷面圖見圖2，中部鋼管及鎖扣示意圖見圖3。施工時，采用螺旋出土導(dǎo)向頂管法，出土和頂管頂進(jìn)同時進(jìn)行。

圖2 管幕布置橫斷面圖(單位： cm)

圖3 中部鋼管及鎖扣示意圖(單位： mm)

勘察結(jié)果表明，管幕頂進(jìn)土層自上而下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖。

2 計算模型及應(yīng)力釋放率標(biāo)定

2.1 數(shù)值模型

利用有限差分軟件FLAC3D對管幕頂進(jìn)過程進(jìn)行模擬。實際施工中，頂管是逐節(jié)頂進(jìn)的，并且存在多臺頂管機(jī)錯位施工的可能，具有明顯的時空效應(yīng)，因此建立三維計算模型更加合理。所建立的模型如圖4所示，計算范圍XYZ方向分別選取40 m、90 m和15 m，管幕結(jié)構(gòu)最小埋深為3.5 m，最底端管幕距模型下邊界5.5 m。鋼管均采用殼單元模擬，本構(gòu)模型采用彈性本構(gòu)；土層采用實體單元模擬，本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb模型，泥漿采用接觸面單元模擬。各土層、泥漿、鋼管的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，其中土層參數(shù)參考《福州市工業(yè)北路延伸線工程(第Ⅰ標(biāo)段)詳細(xì)勘察階段巖土工程勘察》巖土力學(xué)參數(shù)建議值。假設(shè)計算邊界處不受管幕施工的影響，即處于原始應(yīng)力狀態(tài)，則邊界條件設(shè)置為： 底部邊界約束豎向位移，兩側(cè)邊界約束水平位移，地表是自由邊界。

管幕頂管頂進(jìn)過程采用“model null”方式移除相應(yīng)的地層單元。為了模擬潤滑泥漿對管土接觸的影響，在開挖形成的隧道和管道之間設(shè)置潤滑泥漿單元，采用接觸面單元模擬潤滑泥漿，接觸面法向剛度及切向剛度見式(1)。最后，在開挖形成的隧道中添加泥漿和管道至預(yù)定位置，即可實現(xiàn)管幕頂管施工模擬。

(1)

式中：kn、ks為節(jié)點法向剛度與切向剛度；K為泥漿材料的體積模量，K=E/[3(1-2υ)]=0.583 MPa；G為泥漿材料的剪切模量，G=E/[2(1+υ)]=0.125 MPa； Δzmin為接觸面法向方向上連接區(qū)域最小尺寸,模型中Δzmin=0.062 m。

計算得到kn=ks=0.121 GPa/m。

(a) 單元剖分圖(單位： m)

表1 地層、泥漿、鋼管物理力學(xué)參數(shù)

2.2 開挖應(yīng)力釋放率標(biāo)定

開挖應(yīng)力釋放率(即在隧道開挖后、施作鋼管支護(hù)前，洞壁釋放的應(yīng)力與初始地應(yīng)力的比值)取決于施工方法、施工工藝、地層特性等因素，是較難確定的計算參數(shù)[10]。但其在一定程度上決定了施工對地層的擾動程度，對數(shù)值計算結(jié)果影響較大。因此，首先結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對應(yīng)力釋放率進(jìn)行反演分析，使得建立的模型合理有效，以便進(jìn)一步開展不同工況的模擬。

實際工程中，75根頂管已于2020年4月完成施工。頂管群的實際頂進(jìn)順序根據(jù)經(jīng)驗以及現(xiàn)場環(huán)境和設(shè)備來確定，從拱頂自上而下往墻腰兩側(cè)頂進(jìn)，如圖5所示。在現(xiàn)場，每隔10 m布設(shè)一個地表沉降監(jiān)測橫斷面，共10排，每個斷面均勻分布9個監(jiān)測點，如圖6所示。管幕施工完成后，管幕中部橫斷面(E、F)地表豎向位移曲線如圖7所示。由圖7可知，地層沉降最大值達(dá)到12.9 mm。

圖5 現(xiàn)場施工頂進(jìn)順序

圖6 現(xiàn)場監(jiān)測點布置

圖7 地表豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

為反演應(yīng)力釋放率，按照實際施工順序模擬頂管群開挖，并在相同位置布設(shè)監(jiān)測點，通過調(diào)整應(yīng)力釋放率，使得地表變形計算結(jié)果落在實測數(shù)據(jù)均值的90%置信區(qū)間內(nèi)，則可認(rèn)為應(yīng)力釋放率與實際工程吻合。由現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)來標(biāo)定開挖應(yīng)力釋放率。

經(jīng)反復(fù)試算，當(dāng)應(yīng)力釋放率為8%時，模型的地表豎向位移計算結(jié)果落在90%置信區(qū)間內(nèi)，如圖8所示。圖8中區(qū)間上限為圖6中每列監(jiān)測點中的沉降最大值，S1u=max(dA1,dB1,dC1，…，dJ1),S2u=max(dA2,dB2,dC2，…，dJ2)，…，S9u=max(dA9,dB9,dC9，…，dJ9),將S1u，S2u，…，S9u繪成曲線，即為區(qū)間上限。區(qū)間下限為圖6中每列監(jiān)測點中的沉降最小值，S1l=min(dA1,dB1,dC1，…，dJ1),S2l=min(dA2,dB2,dC2，…，dJ2)，…，S9l=min(dA9,dB9,dC9，…，dJ9), 將S1l、S2l，…，S9l繪成曲線，即為區(qū)間下限。此時數(shù)值模型計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)較為吻合，因此，將應(yīng)力釋放率設(shè)定為8%。

圖8 計算變形量與置信區(qū)間的比較

3 群管頂進(jìn)順序優(yōu)化

3.1 管幕頂進(jìn)順序設(shè)置

頂管可施工順序眾多，選取3種有代表性的頂管順序作為試驗方案，見圖9。建立不同鋼管頂進(jìn)順序工況下的管幕有限差分模型，對比分析頂進(jìn)順序?qū)Φ乇碜冃斡绊懸?guī)律，從而優(yōu)化管幕頂進(jìn)順序，以達(dá)到減小施工對周邊環(huán)境影響的目的。數(shù)值模擬模型中監(jiān)測點與現(xiàn)場布置相同，見圖6。

3.2 地表變形分析

3.2.1 地表累計變形

取圖6的監(jiān)測點E5，研究分析此處地表豎向位移隨管幕頂進(jìn)根數(shù)的變化規(guī)律，見圖10。

(a) 方案Ⅰ

圖10 3種方案E5監(jiān)測點地表豎向位移曲線

由圖10可得到： 1)地表沉降隨著管幕頂進(jìn)根數(shù)增加逐漸增加，地表沉降是一個累加的過程； 2)方案Ⅰ、方案Ⅱ和方案Ⅲ施工順序下E5處最大地表沉降分別為11.33、12.46、12.61 mm，方案Ⅰ地層變形較方案Ⅱ和方案Ⅲ分別減小9.1%、10.2%。

3.2.2 地表沉降變形

取圖6的橫斷面E，研究分析不同階段且不同施工頂進(jìn)順序下此處地表沉降變化規(guī)律，見圖11。

(a) 頂進(jìn)25根

由圖11可得到： 1)不同頂進(jìn)階段方案Ⅰ(自下而上頂進(jìn)順序)控制地表變形最優(yōu)，其原因為本次管幕頂管管壁之間距離為51 mm，頂管間距較小，頂管與周圍土體之間形成拱效應(yīng)(頂管與周圍土體共同作用產(chǎn)生拱效應(yīng))。在施工管幕上部頂管時，側(cè)排頂管與土體形成的管間組合土拱效應(yīng)能承擔(dān)部分上覆荷載，導(dǎo)致傳遞到管幕上排頂管的荷載減小，使上部頂管施工產(chǎn)生的地表沉降也相應(yīng)減小； 2)由于方案Ⅲ頂進(jìn)順序由右側(cè)至左側(cè)，因此，其頂進(jìn)過程中地表沉降關(guān)于隧道中心不對稱，最大地表沉降位置由右側(cè)向隧道中心處過渡。

4 密排頂管施工地表沉降計算

4.1 單管頂進(jìn)施工地表沉降計算方法

繼Peck公式[11]后，隨機(jī)介質(zhì)理論被廣泛應(yīng)用于隧道及地下工程施工地表沉降預(yù)測[12]。如圖12所示，對于長度、寬度和厚度均視為無限小的單元開挖，根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)理論，單元開挖引起的地表沉降[13]

(2)

(3)

圖12 單元開挖示意圖

管幕鋼管頂進(jìn)施工過程中，受開挖鉆頭切削影響，開挖面前方及周圍土體向管內(nèi)移動，產(chǎn)生地層損失?？烧J(rèn)為鋼管頂進(jìn)施工使半徑Rl的圓柱范圍內(nèi)土體塌落至鋼管表面，地層損失可以表示為：

Vs=πRl2-πR2=ηπR2

。

(4)

式中：R為管幕鋼管半徑；η為地層損失率，與施工工藝和地質(zhì)條件等有關(guān)，取值范圍一般為0.5%～2.0%[14]。

由式(4)已知損失率和鋼管半徑，可以得到Rl。

管幕鋼管頂進(jìn)示意圖見圖13，開挖面示意圖見圖14。頂進(jìn)軸線過(0,b,c)，管幕鋼管頂進(jìn)距離為a時，對地層損失區(qū)域單元開挖積分疊加可以得到由地層損失引起的地表沉降

(5)

圖13 管幕鋼管頂進(jìn)施工示意圖

圖14 管幕鋼管頂進(jìn)開挖面示意圖

4.2 管幕群管頂進(jìn)施工地表沉降修正函數(shù)

管幕第1根鋼管頂進(jìn)完成后，在后續(xù)鋼管頂進(jìn)施工過程中地層不再受已頂進(jìn)完成的鋼管的施工應(yīng)力作用，但已經(jīng)產(chǎn)生的地層損失將會對后續(xù)鋼管施工引起的地表沉降產(chǎn)生影響，致使由地層損失引起的地表沉降更加顯著。引入地表沉降修正函數(shù)對單管頂進(jìn)施工引起的地表沉降進(jìn)行修正，得到管幕群管施工地表沉降計算方法。

Hunt[15]對不同相對位置的雙洞盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降進(jìn)行研究，認(rèn)為第2條隧道是在擾動土中開挖的，引起的地表沉降

(6)

式中：w(y)mod為地表y處修正后的沉降量；wmax為地表最大沉降量；i為沉降槽寬度系數(shù)，見式(3);f(y)為地表沉降修正函數(shù)。

(7)

式中：d為兩隧道中心線水平間距；A為沉降槽寬度參數(shù)，通常取2.5或3.0；M為最大地表沉降修正系數(shù)。

式(7)表示考慮第1條隧道施工擾動對第2條隧道地表沉降預(yù)測值進(jìn)行的修正。第1條隧道中心線上方的地表沉降修正值最大(f(y)=1+M)，距離第1條隧道中心線的水平距離大于Ai時，地表沉降不再受第1條隧道影響，修正值取1。

Ocak[16]基于Peck公式通過對第2條隧道最大地表沉降(位于隧道中心線上方)乘以擾動系數(shù)k進(jìn)行淺層軟土雙洞隧道地表沉降預(yù)測，現(xiàn)場實測研究表明：

(8)

式中D為隧道直徑。

對比Hunt和Ocak方法，可以得到：

(9)

因此，最大地表沉降修正系數(shù)可取

(10)

當(dāng)兩隧道中心線水平距離d大于Ai時，第2條隧道施工引起的地表沉降不受第1條隧道影響，此時M取0。

將地表沉降修正函數(shù)引入管幕群管施工地表沉降預(yù)測，第n根管幕鋼管頂進(jìn)施工時，地層已經(jīng)受到之前n-1根鋼管頂進(jìn)施工的擾動，考慮已經(jīng)施工的第m根鋼管對地層擾動的地表沉降修正函數(shù)為

(11)

式中：bm為第m根管幕鋼管的y坐標(biāo)；im為第m根管幕鋼管對應(yīng)的沉降槽寬度系數(shù)。

受已頂進(jìn)的n-1根管幕鋼管的地層擾動影響，第n根鋼管(n≥2)頂進(jìn)施工的地表沉降修正函數(shù)為

F(y)n=f(y)1f(y)2…f(y)n-1

。

(12)

4.3 管幕群管頂進(jìn)施工地表沉降計算方法

采用地表沉降修正函數(shù)對單管頂進(jìn)施工由地層損失引起的地表沉降進(jìn)行修正，可以得到第n根鋼管頂進(jìn)施工引起的地表沉降

(13)

對管幕鋼管頂進(jìn)施工引起的地表沉降進(jìn)行累加，可以得到完成n根鋼管頂進(jìn)所引起的地表沉降

(14)

4.4 施工地表沉降預(yù)測對比

由式(14)通過MATLAB編程得到施工E斷面地表沉降，并與數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測進(jìn)行對比，結(jié)果見圖15。

圖15 E斷面地表沉降對比

由圖15可知，理論預(yù)測得到的橫斷面沉降較數(shù)值模擬更接近實際測試的沉降，理論預(yù)測、現(xiàn)場實測地表最大沉降分別為11.92 mm和12.9 mm，相對誤差為7.6%。二者存在偏差原因為： 現(xiàn)場存在多方面的施工擾動，導(dǎo)致測試數(shù)值略微偏大，且隧道中心兩側(cè)的沉降并不完全對稱。

5 結(jié)論與討論

1)開挖應(yīng)力釋放率是優(yōu)化管幕頂進(jìn)順序數(shù)值模型中的一個關(guān)鍵性參數(shù)，本文通過實際監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的對比，確定了在軟土地層中管幕頂進(jìn)的開挖應(yīng)力釋放率為8%。

2)本文通過數(shù)值模擬分析了常用的管幕施工頂進(jìn)順序下的地表變形特征，方案Ⅰ地層變形較方案Ⅱ和方案Ⅲ分別減小9.1%、10.2%，表明方案Ⅰ頂進(jìn)順序(自下而上頂進(jìn))控制土體變形效果最優(yōu)。

3)基于隨機(jī)介質(zhì)理論建立考慮地層損失的螺旋出土群管頂進(jìn)工藝單管頂進(jìn)施工地表沉降計算方法。在單管頂進(jìn)施工地表沉降計算方法的基礎(chǔ)上，引入群管施工地表沉降修正函數(shù)得到管幕群管施工地表沉降計算方法?，F(xiàn)場測試地表變形與預(yù)測結(jié)果吻合良好，相對誤差為7.6%。

頂進(jìn)順序優(yōu)化方案是在不考慮場地、設(shè)備等理想條件下模擬得到的結(jié)果，可以為軟土地區(qū)其他類似工程提供指導(dǎo)和借鑒。實際工程中，需要綜合人力、物力及工期等多重要素來確定最終的施工方案；同時，不同的地質(zhì)條件、管徑和埋深等也會影響施工順序的選擇，需要進(jìn)行針對性的模擬分析。