王俊杰 田文勝 董玉輝

（武漢市政建設(shè)監(jiān)理有限公司，湖北 武漢 430050）

1 綜合管廊和矩形頂管綜述

1.1 綜合管廊

地下綜合管廊又叫共同溝，指的是城市中用于鋪設(shè)各種市政管線的公共隧道［1-2］。綜合管廊自1833年誕生于巴黎，至今已有一百八十多年的發(fā)展歷程。綜合管廊在國外發(fā)達國家已建設(shè)得比較完善［3］。我國綜合管廊工程始于北京天安門廣場地下管廊的建設(shè)，截止到2015 年，我國已建和在建地下管廊總長達1 600 km，發(fā)展歷程如圖1 所示。此外，為了實現(xiàn)城市現(xiàn)代化，綜合管廊的建設(shè)必不可少，相關(guān)的技術(shù)規(guī)程也在逐步制定和完善［4-5］。

圖1 我國綜合管廊發(fā)展過程

傳統(tǒng)管線多采用架空敷設(shè)或埋地敷設(shè)，綜合管廊與之相比具有如下優(yōu)點：①不占用地表空間，或僅投料口、檢查井占用少量地表空間，美化了市容市貌；②一次性建設(shè)，杜絕了“馬路拉鏈”，減少了對城市交通和人們生活的干擾；③管線分類入廊，進行日常巡查維護，提高了管線的安全性和使用壽命。但綜合管廊在中心城區(qū)和老城區(qū)建設(shè)也面臨多種難題。例如：施工空間狹小，難以滿足傳統(tǒng)的大開挖施工方式；征地協(xié)調(diào)難度大，拆遷成本高，進一步增加建設(shè)成本；管線遷改成本高，施工周期長。

1.2 綜合管廊施工方法

綜合管廊施工方法主要有明挖法和暗挖法兩種，其中暗挖法包括頂管法、盾構(gòu)法和淺埋暗挖法等。鑒于明挖法對城市環(huán)境的影響較大，暗挖法在城市綜合管廊施工中占據(jù)越來越多的份額。其中頂管法由于距離短、成本低、斷面形式多變，適用于多樣性地層，施工安全可靠［6］。

頂管法作為一種“綠色、環(huán)保、安全”的非開挖施工技術(shù)，首先在20 世紀70 年代初被提出，在20世紀90年代進入中國，并取得了飛速發(fā)展。矩形頂管憑借其非開挖施工優(yōu)勢應(yīng)用于綜合管廊的建設(shè)中，但由于綜合管廊斷面較大，相對埋深（管頂覆土深度與管廊高度的比值，H/D）相對較小，仍不可避免地會擾動上覆地層。然而，現(xiàn)有研究大都集中在小直徑的圓形頂管和開挖敷設(shè)綜合管廊建設(shè)方面。

本研究結(jié)合某市綜合管廊矩形頂管穿越工程（見圖2），布設(shè)了地表沉降監(jiān)測斷面，分析綜合管廊頂管施工引起的地表沉降規(guī)律，為后續(xù)工程進行地表沉降預(yù)測、控制提供參考。

2 工程背景

某新建綜合管廊的斷面尺寸為6.7 m×5.4 m，該管廊穿越城市主干道，穿越段的長度為93 m。由于車流量大，采用分幅明挖并結(jié)合交通導(dǎo)流仍不能滿足交通需求。因此，綜合考慮采用矩形頂管施工，管廊功能布置見圖2。地層以填土、黏土、中砂、礫砂等軟弱土層為主，地下水位較高，在地面下1 m。

圖2 三倉式綜合管廊斷面圖（單位：mm）

3 監(jiān)測方案

3.1 矩形頂管施工引起地表變形因素分析

矩形頂管施工引起地表變形的機理十分復(fù)雜，其主要因素一般有以下3個。

3.1.1 土體損失。指的是頂管施工時，開挖的土體體積大于設(shè)計開挖的土體。

3.1.2 頂管推力。頂管施工時，開挖面前頂管的推力控制不均勻，可能會導(dǎo)致底層變形。

3.1.3 管道外壁摩阻力。管道頂進施工時，管道與土體間會產(chǎn)生摩擦力，導(dǎo)致土體變形破壞。

實際施工中，上述3 個因素并不是相互獨立的，而是互相影響的，且它們的相對大小并不是一成不變的；其中，管道外壁摩阻力相對比較穩(wěn)定，而頂管推力和土體損失則是動態(tài)變化的，它們的大小與現(xiàn)場施工情況緊密相關(guān)。

3.2 頂管施工引起地表沉降范圍預(yù)測

由于上述因素的存在，矩形頂管在頂進作業(yè)時可能會導(dǎo)致地表不均勻沉降，那么在布置地面沉降監(jiān)測點時，要考慮地表沉降的影響。一般情況下，沉降槽是地表不均勻沉降的主要形式，監(jiān)測點的布置須根據(jù)沉降槽的影響范圍來進一步確定。頂管施工監(jiān)測時常用的沉降槽模型呈正態(tài)曲線分布；國內(nèi)學(xué)者引入隨機介質(zhì)理論來確定開挖施工在水平面的最大影響半徑，即沉降槽寬度；另外還有相關(guān)學(xué)者和工程師做出了沉降曲線中心到曲線拐點的距離為沉降槽寬度6倍的假設(shè)。

對于圓形隧道來說，應(yīng)用上述研究成果問題不大，但對于矩形頂管隧道來說，具有較大的斷面，且形狀為矩形，這都導(dǎo)致了矩形頂管隧道的沉降與圓形隧道有所不同。根據(jù)朗肯主動土壓力理論和勘察設(shè)計成果，本項目的沉降監(jiān)測范圍取頂管寬度b與兩倍的頂管底面深度h×tan30°之和，具體見圖3。

圖3 監(jiān)測點布置圖

3.3 監(jiān)測斷面布設(shè)

根據(jù)沉降范圍預(yù)測和設(shè)計要求，布置如圖3 所示的監(jiān)測點。橫向上，在圖3 中的1～7 各布置一個測點；縱向上，在距離頂進始發(fā)井的5 m、25 m、50 m、75 m 的位置各布置一個監(jiān)測斷面。共布置28個測點。

3.4 監(jiān)測點的埋設(shè)方法

路面沉降點的布置是為了測量路面的沉降，當路面是土體時，路面表層的沉降便能代表整個土體的沉降。但當路面是鋼筋混凝土或瀝青結(jié)構(gòu)時，路面表層的沉降便不能代表土體整體的沉降，這時就需要測量路基的沉降。通常，路基沉降點設(shè)置成窖井測點的形式，以便不受破壞，具體如圖4 所示。測量沉降的儀器主要采用水準儀和銦鋼尺。水準測量方法是主要測量觀測方法。

圖4 路基沉降監(jiān)測點布置圖

4 監(jiān)測結(jié)果及分析

4.1 監(jiān)測結(jié)果

頂進距離隨頂進時間的關(guān)系如圖5 所示，從圖5 可以看出，矩形頂管的頂進長度基本隨著時間的變化成比例增長，呈勻速狀態(tài)。4 個監(jiān)測斷面頂管上方的3～5 三個監(jiān)測點的地面沉降隨時間的變化曲線如圖6 至圖9 所示。其中在頂管頂進至29 m時（7月25日），25 m處斷面的沉降曲線如圖10所示。其余斷面的沉降曲線與此類似，不在此一一列舉。

圖5 頂管頂進距離與頂進時間的關(guān)系曲線

圖6 5 m斷面地表沉降隨時間的變化關(guān)系曲線

圖7 25 m斷面地表沉降隨時間的變化關(guān)系曲線

圖8 50 m斷面地表沉降隨時間的變化關(guān)系曲線

圖9 75 m斷面地表沉降隨時間的變化關(guān)系

圖10 25 m斷面處的地表沉降變化曲線

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

4.2.1 沿軸向的擾動范圍。對布置有監(jiān)測點的5 m、25 m、50 m 處的監(jiān)測斷面進行分析可以看出，當頂管施工至12 m、17 m、22 m處時，5 m、25 m、50 m 處的監(jiān)測斷面的地表雖暫時未隆起，但地表沉降卻先發(fā)生了。參考設(shè)計文件和施工組織設(shè)計，在頂管頂進施工時，頂管設(shè)備的操作人員應(yīng)將開挖倉壓設(shè)置為朗肯主動土壓力，但在現(xiàn)場施工時，開挖倉壓大于朗肯主動土壓力。因此，頂管上部的土體在該情況下發(fā)生了主動破壞，并且因為頂管的高寬比（H/D=1）較小，斷面較大（36 m2），頂進施工引起的土體破壞很快就傳遞到了地表。該綜合管廊頂管的高度為5.4 m，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，機頭前方受擾動區(qū)的范圍約為頂管高度的2～3倍。

4.2.2 穿越加固區(qū)的擾動。如圖6 所示，監(jiān)測斷面5 m 處的地表沉降曲線呈鋸齒狀波動，地表的變形在沉降和隆起之間變化。7 月26 日時，地表由沉降變?yōu)槁∑?。原因是該段土體經(jīng)地基處理后，水泥漿加固了土體，土體由軟塑～硬塑狀變?yōu)榘褰Y(jié)狀的固體，在頂管頭的切削攪動下，經(jīng)水泥漿固化后的土體不能隨著頂管頂進變?yōu)榱魉軤?，且其中較硬的土體會被反復(fù)攪動，對附近土體產(chǎn)生擾動。

4.2.3 沿橫斷面的擾動范圍。從圖6至圖9可以發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測點4 的沉降量大于監(jiān)測點3、5，這說明頂管機上方的土體和地表沉降并不均勻，呈現(xiàn)出中間大兩邊小的形態(tài)。原因是監(jiān)測點4 位于頂管頂進的正上方，而監(jiān)測點4、5 位于頂管軸線兩側(cè)。利用土體的剪切破壞理論可以解釋這個現(xiàn)象，即頂管在頂進時，會在頂管兩側(cè)的土體中形成剪切帶，剪切帶內(nèi)側(cè)的土體受向上的剪切力，外側(cè)的土體受到向下的剪切力。因為土體的碎散性，難以形成一個整體的剛性體，這就造成越靠近剪切帶的土體變形和沉降越小，而越是遠離剪切帶的土體的變形和沉降就越大。這就是頂管上方的土體沉降槽形成的原因，具體如圖11所示。

圖11 25 m斷面地表沉降槽形狀

由圖11 可以看出，頂管隧道沉降槽的范圍依舊在頂管兩側(cè)土體的剪切破壞面內(nèi)。據(jù)此，可以根據(jù)庫倫主動破壞模型來確定剪切破裂面的具體位置，剪切破裂面與水平面的夾角可取45°+φ/2，進而確定地表沉降的范圍。

4.2.4 地面沉降對豎向土壓力的影響。當?shù)貙硬皇軘_動處于靜止狀態(tài)時，地層中任意點的豎向土壓力等于該點的靜止土壓力，即該點上方底層的自重。但若在地層中進行施工，比如頂管頂進，這就會導(dǎo)致地層擾動，地層的受力平衡被打破，造成地層沉降或隆起。

隨著頂管頂進的施工，在頂管兩側(cè)土體剪切帶的帶動下，頂管上方土體的受力平衡也會發(fā)生變化，豎向土壓力的一部分在頂管頂進時會通過摩擦向頂管兩側(cè)的土體傳遞。這就導(dǎo)致了頂管上方土體所受的豎向土壓力小于該處土體的靜止土壓力。并且，由于土體具有碎散性，頂管上方土體的受力不均，呈現(xiàn)中間大兩邊小的形態(tài)，這與上文中圖11 所示的沉降槽正好相反。因此，在管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計時，如仍采用靜止土壓力計算，則結(jié)構(gòu)設(shè)計是安全的。

4.2.5 減少地表沉降的措施。根據(jù)上述的理論分析和監(jiān)測結(jié)果可知，為了減少頂管上方土體的沉降或隆起，可采取以下措施：第一，盡量保證開挖倉壓與地層的靜止土壓力保持一致，從而避免頂管附近土體的主動破壞；第二，頂管頂進施工時，為避免形成的剪切破壞帶范圍較大，要及時向頂管四周注入潤滑泥漿；第三，頂管施工完成后可能會遇到頂管范圍內(nèi)土體出現(xiàn)局部較大的變形和沉降，此時，應(yīng)果斷向沉降部位注入高壓泥漿，避免出現(xiàn)土體的過大沉降，影響土體中管線安全和地表交通等；第四，若頂管施工使路基與路面之間產(chǎn)生空隙，應(yīng)盡早發(fā)現(xiàn)，并及時灌漿，避免地表坍塌，影響交通和人員安全［7］。

5 結(jié)論

本研究介紹了某新建綜合管廊矩形頂管地表沉降監(jiān)測結(jié)果，并分析了頂管施工引起的地表沉降范圍及其對豎向土壓力的影響，得出以下5個結(jié)論。

①沿頂管軸向，機頭前方受擾動區(qū)的范圍為頂管高度的2～3倍。

②頂管穿越土體加固區(qū)段，地表的沉降變形隨時間呈鋸齒狀變化，相對于未加固段，加固段的沉降較小。

③頂管斷面上土體的沉降范圍可以根據(jù)庫倫主動破壞模型來預(yù)測。

④頂管上方的地表沉降和土壓力都不均勻，均呈現(xiàn)出中間大兩側(cè)小的形態(tài)。

⑤頂管施工時若地表產(chǎn)生較大的沉降，此時須提高開挖倉壓，并向管節(jié)外周注入足量高壓泥漿頂起地層，同時在路面與路基的孔隙中灌漿，以防止地面坍塌。