陳嘯宇 歐亞洲 劉炳剛 黃天宇 吳體旺 步允沖

中國建筑第八工程局有限公司總承包公司 上海 201203

近年來，近距離雙線平行頂管施工技術(shù)被廣泛應(yīng)用于地下空間取排水管道工程中。與單頂管相比，雙線平行頂管推進(jìn)過程中存在中間區(qū)域擾動(dòng)疊加的現(xiàn)象，造成的地表沉降也更明顯[1]，尤其在涉及穿堤的工程中，對(duì)堤壩的沉降量控制十分嚴(yán)格，因此在實(shí)際工程中需對(duì)頂管造成的堤壩沉降問題進(jìn)行研究分析。

頂管施工以其施工干擾小、噪聲低等優(yōu)勢(shì)在管道穿堤工程中具有廣泛的應(yīng)用[2]。麥樹鋒[3]介紹了樂排河清遠(yuǎn)段排污管穿越北江遙堤工程中的頂管施工技術(shù)。丁禮建[4]分析了某穿越海堤頂管工程中頂管穿堤時(shí)堤壩沉降的動(dòng)態(tài)時(shí)空特性。馬碧山[5]闡述了某雨水泵房工程中擠壓式泥水平衡頂管穿堤施工工藝。李志堂等[6]對(duì)污水管線穿堤工程中的泥水平衡式頂管關(guān)鍵技術(shù)和錐探灌漿防滲技術(shù)進(jìn)行了研究探索。覃立寧等[7]介紹了某崩沖泵站擴(kuò)容改造工程中大型箱涵頂管施工所遇到的技術(shù)難題與解決方案。

在研究頂管推進(jìn)過程中引起地面沉降的方法中，多以經(jīng)驗(yàn)法、解析法和數(shù)值模擬法為主[8]。但各具體實(shí)際工程的地質(zhì)參數(shù)、頂管設(shè)備參數(shù)以及施工工藝等存在較大差別，研究結(jié)論需有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐才能具備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的指導(dǎo)意義。高鴻[9]分析了頂管施工引起地表沉降的原因，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提出一種計(jì)算沉降量的模型。魏綱等[10]分析水平平行頂管施工引起地面沉降變形的規(guī)律，提出欠固結(jié)土中工后沉降的計(jì)算公式。魏新江等[11]考慮先施工頂管對(duì)后施工頂管的影響，提出了一種基于Peck公式的后施工頂管地面沉降計(jì)算方法。陳愛青[12]以上海某污水處理廠排放管穿堤工程為例，提出多線頂管穿越堤防沉降疊加計(jì)算方法，并將堤防變形理論和數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究。顧威等[13]分別通過經(jīng)驗(yàn)法和數(shù)值模擬法研究深層平行雙頂管的影響范圍和海堤地表沉降值。魏善林[14]對(duì)市政雨水頂管施工期間變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

本文以新濟(jì)洲供水工程取水管道頂管施工為例，采用Peck沉降計(jì)算法和沉降修正計(jì)算法對(duì)近距離雙線平行頂管穿越洲堤時(shí)引起的堤頂沉降變形規(guī)律進(jìn)行研究，并通過分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗(yàn)證沉降修正計(jì)算法的正確性。

1 工程概況

1.1 工程簡介

南京市新濟(jì)洲供水工程擬建應(yīng)急設(shè)計(jì)規(guī)模為7 m3/s的補(bǔ)水泵站，泵站位于鳳凰湖南側(cè)堤岸以內(nèi)60 m處，由取水頭部、補(bǔ)水管道、補(bǔ)水泵站及附屬構(gòu)（建）筑物組成。2根補(bǔ)水管道均采用頂管法施工，頂管從補(bǔ)水泵站前池始發(fā)，依次穿越洲堤內(nèi)灘地、新濟(jì)洲洲堤、洲堤外長江江灘，最后在長江水下接收。頂管施工完成后在長江水下施工取水頭，最終實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水管道從新濟(jì)洲左汊段河道內(nèi)取長江水進(jìn)入洲內(nèi)鳳凰湖蓄水池的補(bǔ)水功能。

如圖1 所示，補(bǔ)水管道采用雙管布置，管道φ1 820 mm×22 m，管中心距為7.0 m，長454 m，管材采用Q345B。管道中心線高程為－2.30～－2.00 m，坡度0.066%，前部管道采用樁架式，樁架段長54.75 m，后部采用頂管，頂管段長399.25 m，頂管段管道最小埋深為6.28 m。堤頂高程為10.9 m，堤頂以下最大埋深為12.9 m。

圖1 補(bǔ)水管道平面布置

1.2 項(xiàng)目概況

新濟(jì)洲為長江沖積沙洲，地形平坦，洲內(nèi)地面高程為5～7 m。環(huán)新濟(jì)洲修建有新濟(jì)洲垸堤，洲堤是由新濟(jì)洲內(nèi)取土填筑而成，堤頂高程10 m左右，寬4～6 m，堤頂外側(cè)設(shè)置有混凝土防浪墻，墻高0.5～1.0 m，洲堤兩岸坡比為1∶2～1∶3，迎水面混凝土隔梗＋護(hù)坡，背水面為原狀土，種植有大量樹木。

根據(jù)區(qū)域巖土勘察報(bào)告，擬建地表均由第四系地層覆蓋，基巖未見出露。表層多為0～3 m厚填土，其下為第四系全新統(tǒng)（Q4）河流-湖沼沉積相粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂，再下為第四系上更新統(tǒng)（Q3）河床相含礫粉細(xì)砂、中粗砂、礫砂及卵礫石。第四系地層成因、厚度變化較大。如圖2所示，擬建補(bǔ)水管道場(chǎng)地土層自上而下分別為①1雜填土、①2素填土、②2a砂質(zhì)粉土夾粉砂、②1粉質(zhì)黏土、②2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②3黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土、②4粉砂夾粉土。頂管主要穿越土層為②2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和②3黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土。各地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 補(bǔ)水管道縱斷面

表1 各地層物理力學(xué)參數(shù)

本工程所在河段水位受長江徑流與潮汐雙重影響，主要受長江徑流控制。一般每年5—10月為汛期，11月—次年4月為枯季，水位每日兩漲兩落，為非正規(guī)半日潮型，漲潮歷時(shí)逾3 h，落潮歷時(shí)逾8 h，水位年內(nèi)變幅較大。據(jù)水文站多年觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，平均潮位約為3.08 m，最高水位為8.3 m，最低水位為－0.38 m。

2 頂管穿堤沉降分析

2.1 Peck法計(jì)算堤壩沉降

頂管施工過程中，引起地表沉降的主要因素有土體損失、正面附加推力和頂管機(jī)與后續(xù)管道對(duì)土體的摩擦力[15]。Peck[16]認(rèn)為在單頂管施工中地面沉降是由土體損失造成的，并根據(jù)大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析提出地面沉降槽符合擬正態(tài)曲線分布，估算地面橫向沉降公式為：

頂管穿越黏土層，當(dāng)軸線深度h在3～34 m之間時(shí)，可根據(jù)O’Reilly等[17]提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

本工程頂管軸線距堤頂?shù)拇怪本嚯x為12.9 m，管道直徑D為1 820 mm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)土體損失率為4%。如圖3所示，按照式（1）～式（4）的計(jì)算方法，可分別得到左線頂管和右線頂管引起的堤頂沉降曲線，并基于疊加法得到雙線頂管的堤頂沉降量。

圖3 基于Peck法的堤頂沉降曲線

2.2 考慮擾動(dòng)疊加的沉降修正計(jì)算

Peck法未考慮先行頂管對(duì)后行頂管的影響。當(dāng)兩頂管軸間距L較?。↙≤h＋D/2）時(shí)，由于先行頂管擾動(dòng)土體，造成土體強(qiáng)度降低，后施工頂管的土體損失率和沉降槽寬度系數(shù)均大于先行頂管，且地面沉降曲線是非對(duì)稱的[11]。

考慮擾動(dòng)疊加后，兩頂管中間的擾動(dòng)疊加區(qū)寬度M可按下式計(jì)算：

先行頂管的地面沉降仍可采用Peck法計(jì)算，后行頂管根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選取不同的土體損失率計(jì)算沉降值。擾動(dòng)疊加區(qū)域內(nèi)的沉降值進(jìn)行疊加，而區(qū)域外影響較小，可忽略兩頂管的相互作用。

由式（5）可以得到擾動(dòng)疊加區(qū)寬度M為20.62 m。如圖4所示，當(dāng)土體損失率分別為4%、5%、6%、7%時(shí)，左線頂管的沉降值隨之增大。由于后行頂管施工時(shí)導(dǎo)致土體擾動(dòng)加劇，在擾動(dòng)疊加區(qū)范圍內(nèi)，將Peck法計(jì)算的右線頂管沉降曲線分別與土體損失率不同的左線頂管沉降曲線疊加，得到的疊加沉降曲線呈非對(duì)稱。擾動(dòng)疊加區(qū)范圍以外的沉降曲線，仍可按照?qǐng)D3所示的方法進(jìn)行疊加。

圖4 考慮擾動(dòng)疊加的堤頂沉降曲線

2.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場(chǎng)施工中，頂管穿越新濟(jì)洲內(nèi)堤時(shí)對(duì)周圍土體的擾動(dòng)作用以及雙線頂管的擾動(dòng)疊加會(huì)導(dǎo)致洲堤的沉降加劇。因此，需在洲堤附近布置監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)，對(duì)堤頂沉降值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)分析反饋?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況如圖5所示，共計(jì)20個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。選取5個(gè)縱向監(jiān)測(cè)斷面，分別為縱斷面1、2、3、4和5。每個(gè)縱斷面上沿頂管前進(jìn)方向選取4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，構(gòu)成4個(gè)橫斷面，分別為橫斷面1、2、3和4。

圖5 頂管穿堤段沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

選取4月10日—5月30日的每日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖6所示，每個(gè)縱斷面的2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)，1-2、2-2、3-2、4-2和5-2的累計(jì)沉降值是同斷面中較大的，累計(jì)最大值出現(xiàn)在1-2監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，為－256.4 mm。從圖中可以看出，隨著頂管的推進(jìn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降逐漸增大，至5月5日頂管完成穿堤作業(yè)后，各點(diǎn)沉降曲線逐漸趨于平穩(wěn)。

圖6 頂管穿堤段監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變形歷時(shí)曲線

選取頂管機(jī)最先到達(dá)的橫斷面2為典型斷面，與頂管中線垂直方向上的堤頂沉降變化規(guī)律如圖7所示。對(duì)比圖4和圖7可知，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降與考慮擾動(dòng)疊加的堤頂沉降變化規(guī)律基本一致，從而可驗(yàn)證理論計(jì)算值的正確和可靠性。從圖7中可以看出，由于后行頂管在先行頂管推進(jìn)擾動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加劇土體損失，后行頂管影響范圍內(nèi)的沉降要更大，故現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的堤頂沉降最大值出現(xiàn)在頂管中線左側(cè)，為－19.6 mm?？紤]擾動(dòng)疊加的堤頂沉降最大值為－15.1 mm，小于實(shí)測(cè)值。這是由于理論計(jì)算時(shí)采用的是根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)估計(jì)出的土體損失率，取η＝7%偏小，導(dǎo)致計(jì)算值略小于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值。與頂管中線的距離越遠(yuǎn)，受頂管施工擾動(dòng)的影響越小，故與頂管相距較遠(yuǎn)的5-2監(jiān)測(cè)點(diǎn)處基本不受影響，沉降值基本保持不變。

圖7 橫斷面2的堤頂沉降曲線

3 結(jié)語

當(dāng)雙線平行頂管的間距較近時(shí)，兩頂管中間區(qū)域存在擾動(dòng)疊加現(xiàn)象，先行頂管對(duì)后行頂管施工時(shí)的擾動(dòng)加劇，且引起的堤壩沉降變形更大。本文以新濟(jì)洲補(bǔ)水泵站的取水管道頂管施工為背景，分析了近距離雙線平行頂管工程對(duì)堤壩沉降的影響，主要結(jié)論如下：

1）基于Peck法的地面沉降計(jì)算，通過疊加法可近似用于分析雙線頂管穿堤施工時(shí)引起的堤頂沉降變形規(guī)律。但未考慮兩頂管距離較小時(shí)帶來的擾動(dòng)疊加問題。

2）考慮擾動(dòng)疊加效應(yīng)后，后行頂管施工時(shí)的土體損失率和沉降槽系數(shù)均大于先行頂管。在擾動(dòng)疊加區(qū)寬度范圍內(nèi)對(duì)后行頂管的沉降進(jìn)行修正計(jì)算，擾動(dòng)范圍外的區(qū)域可忽略2根頂管的相互影響，由此得到的沉降曲線是非對(duì)稱的，沉降最大值偏于后行頂管一側(cè)。

3）通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)堤頂沉降的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了考慮擾動(dòng)疊加的沉降修正計(jì)算法的有效性和正確性，可為近距離雙線平行頂管穿堤工程施工提供理論依據(jù)。但后行頂管的土體損失率的選取存在一定的經(jīng)驗(yàn)性，造成理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間存在誤差。