韓仲慧，王 梅

（1.中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司，山東泰安 271021；2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024）

頂管法是一種不影響地面交通的暗挖施工工藝，通過盾構(gòu)刀盤切削前方土體，液壓油缸推動(dòng)頂管向前可以做到開挖與支護(hù)同步進(jìn)行，極大地降低因土方開挖對(duì)地表及地下管線的擾動(dòng)。方良勇等[1]以北京地鐵7 號(hào)線下穿既有10 號(hào)線雙井站為工程研究背景，采用數(shù)值模擬的方法優(yōu)化了中隔壁法(CRD)開挖施工工藝，確定了隧道開挖的預(yù)加固長(zhǎng)度和范圍；張曉麗[2]以崇文門站穿越既有盾構(gòu)隧道為研究背景，提出了盾構(gòu)穿越新建結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)的合理間距；郭延輝等[3]以楚雄—攀枝花天然氣管道穿越G5 京昆高速工程為例，分析了頂管下穿施工引起頂管結(jié)構(gòu)、管涵圍巖以及高速公路路基、路面的變形規(guī)律和受力特征；王梅等[4]以密排圓形頂管為研究背景，研究了密排頂管施工的地表變形規(guī)律以及相鄰頂管施工的相互支擋作用，采用了改進(jìn)的Peck 公式可以很好地描述相鄰頂管支擋引起的地表變形特征；魏綱等[5]采用Peck 公式來計(jì)算頂管施工引起既有管線的變形情況；張林[6]以呼和浩特地鐵2 號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿人行過街通道工程為研究背景，采用Peck 公式擬合的方式得到圓形雙線盾構(gòu)引起的地表變形計(jì)算方法；蘇江川[7]對(duì)大斷面類矩形頂管的受力及地表沉降規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明頂管掌子面前方土體會(huì)出現(xiàn)一定的隆起；王洪德等[8]采用有限差分軟件FLAC3D分析了頂管與隧道正交工況，研究表明頂管在下方與隧道正交時(shí)對(duì)周圍管線的影響較大；李小彤等[9]以太原地鐵2 號(hào)線長(zhǎng)風(fēng)街站為研究背景，提出了土體彈性模量E與黏聚力C的反演方法，從而提高地表沉降預(yù)測(cè)精度。

目前圓形頂管或盾構(gòu)隧道引起的地表沉降可以采用Peck 公式來計(jì)算，但是缺乏大斷面矩形頂管施工引起的地表變形計(jì)算方法。本工程頂管的埋深為5.37 m，距離地表較近而與下臥隧道最小距離為0.73 m。淺埋頂管施工對(duì)地表的影響以及近距離穿越既有隧道的變形規(guī)律尚不清楚。因此，本研究以太原地鐵2 號(hào)線學(xué)府街站地下通道矩形頂管工程為研究背景，分析大斷面矩形頂管施工引起的地表變形、地下管線變形及下臥隧道的變形規(guī)律。

1 工程概況

太原地鐵2 號(hào)線學(xué)府街站附屬結(jié)構(gòu)矩形通道長(zhǎng)度為38.6 m，矩形頂管頂部埋深為5.37 m，屬于淺埋矩形頂管。矩形通道4B 出入口位于車站北側(cè)，東西向布置，通道東端設(shè)置頂管接收井，西端設(shè)置頂管始發(fā)井，圖1 為學(xué)府街站總平面。矩形頂管采用預(yù)制管節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)寬度為1.5 m，接口采用F 型承插，頂管頂板、底板和側(cè)墻厚度均為0.45 m。設(shè)計(jì)通道尺寸為6.9 m×4.9 m，通道凈空為6 m×4 m。圖2 為頂管與管線的相對(duì)位置。車站所處地層自上而下分別為雜填土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、砂土，地下水位埋深范圍5.0～6.3 m。

圖1 學(xué)府街車站總平面Figure 1 General plan of Xuefu Street station

圖2 頂管與管線相對(duì)位置Figure 2 Relative position of jacking pipe and pipeline

2 頂管施工流程

頂管的基本流程是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，刀盤切削掌子面并將切削下來的泥土在泥土倉(cāng)內(nèi)形成可流動(dòng)泥團(tuán)，通過螺旋出土器控制排土量來平衡土壓力和地下水壓力。圖3 為矩形頂管施工現(xiàn)場(chǎng)，本工程矩形頂管機(jī)刀盤采用前后組合六刀盤，其中分為直徑2 800 mm 后刀盤(中上、左下、右下)和直徑2 400 mm前刀盤(左上、中下、右上)，斷面切削率為91%。矩形頂管機(jī)外形尺寸為5 600 mm×6 920 mm×4 920 mm(長(zhǎng)×寬×高)。

圖3 矩形頂管施工Figure 3 Rectangular pipe-jacking construction

圖4 為頂管施工的工藝流程，頂管施工主要分以下4 步。

圖4 頂管施工工藝Figure 4 Pipe-jacking process diagram

第1 步：開挖頂管始發(fā)井與接收井。一方面為頂管機(jī)的安裝與撤離場(chǎng)地提供足夠的空間，另一方面是始發(fā)井需要提供足夠的反力以確保頂管可以順利推進(jìn)。

第2 步：始發(fā)井與接收井周圍土體加固。由于頂管始發(fā)與頂管接收會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，因此采用小導(dǎo)管注漿的方式對(duì)始發(fā)井與接收井附近土體進(jìn)行加固。加固范圍為接收井、始發(fā)井周圍2 m 土體，注漿加固土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.85 MPa，加固區(qū)土體比原狀土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高0.45 MPa。

第3 步：頂管施工。通過安裝在始發(fā)井的液壓系統(tǒng)提供足夠的推力，推動(dòng)管片向前推動(dòng)。

第4 步：觸變泥漿減阻，頂管過程中為了降低阻力，在頂管與周圍土體的建筑間隙注入觸變泥漿，降低頂管與周圍土體的摩擦力。泥漿通過注漿機(jī)經(jīng)管道輸送至鋼管頂部的注漿孔，注入土體形成觸變泥漿套。注入漿液為膨潤(rùn)土、純堿等配成漿液(具體配方與性能指標(biāo)見表1)。注漿前每環(huán)管片設(shè)置10 個(gè)直徑25 mm的注漿孔，在頂管頂進(jìn)時(shí)通過注漿管路向注漿孔內(nèi)注入膨潤(rùn)土漿液進(jìn)行潤(rùn)滑，以減小推進(jìn)摩阻力。

表1 觸變泥漿配方與性能指標(biāo)Table 1 Formula and thixotropic performance indicators

3 監(jiān)測(cè)儀器與方案

學(xué)府街站4B 通道上方有污水管線、給水管線和天然氣管線，頂管下方存在既有地鐵隧道。為了確保頂管施工對(duì)臨近管線和既有地鐵隧道的安全，采用天寶DINI03 電子精密水準(zhǔn)儀測(cè)量頂管施工過程中管線與地表的沉降，水準(zhǔn)儀精度為0.6 mm±1 ppm。圖5為學(xué)府街站4B 通道矩形頂管沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置。下穿通道每個(gè)橫斷面布置5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，距通道較近測(cè)點(diǎn)間距為3.5 m，距通道較遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)間距為5 m。

圖5 地表沉降與管線變形監(jiān)測(cè)位置Figure 5 Surface settlement and pipeline deformation monitoring locations

地下管線的測(cè)量采用直接測(cè)量法，用?150 mm 取芯機(jī)在管線正上方開挖至地下管線上方，同時(shí)在鉆孔內(nèi)埋設(shè)?150 mm PVC 套管，并在套管內(nèi)插入直徑?12 mm鋼筋。預(yù)留鋼筋直接反映管線的變形情況，圖6 為直接法測(cè)量管線沉降示意。

圖6 地下管線監(jiān)測(cè)點(diǎn)Figure 6 Underground pipeline monitoring points

4 淺埋矩形頂管施工地表沉降計(jì)算

4.1 沉降計(jì)算方法

1969 年P(guān)eck 通過統(tǒng)計(jì)得到地下隧道開挖引起的地表變形計(jì)算公式，Peck 公式已被眾多學(xué)者證實(shí)是可行的[10-12]。圓形頂管與圓形盾構(gòu)施工的影響范圍可以采用公式(1)～(3)進(jìn)行計(jì)算。圓形硐室與矩形硐室開挖對(duì)上方土體的影響范圍是不同的，因此淺埋矩形硐室土方開挖引起的地表變形規(guī)律與圓形硐室存在差異，所以淺埋矩形頂管施工引起的地表變形仍采用Peck公式計(jì)算則會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。因?yàn)樵陧敼軐挾葍?nèi)土體受開挖影響擾動(dòng)程度是相同的，所以在頂管寬度范圍內(nèi)地表的豎向沉降數(shù)值是相同的，基于此對(duì)Peck 公式進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的Peck 公式(4)頂管寬度范圍內(nèi)取值是恒定的，在頂管寬度范圍以外地表沉降槽更寬，這顯然與淺埋矩形硐室開挖引起的地表沉降規(guī)律是一致的。

4.2 地表沉降監(jiān)測(cè)與分析

圖7 為矩形頂管施工的地表累計(jì)沉降曲線，頂管施工時(shí)間為20 d。從圖7(a)中可以看出，在頂管掌子面尚未達(dá)到地表變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)前，隨著掌子面的不斷向前推進(jìn)，DB1 位置處地表不斷隆起，其中頂管中軸線DB1-3 位置處的地表隆起值最大，達(dá)到15 mm 左右。掌子面通過沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)截面后，地表沉降迅速增大，距離頂管中軸線較遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)DB1-01和DB1-05也出現(xiàn)了較大的沉降，但距離中軸線較遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)的沉降速率遠(yuǎn)小于頂管中軸線處的沉降速率。頂管掌子面遠(yuǎn)離DB1測(cè)點(diǎn)后，地表的沉降速率開始逐漸變小，沉降增量也明顯減小，最后在經(jīng)歷35 d 左右地表沉降速率降低為0，頂管中軸線位置穩(wěn)定后的地表沉降量為30 mm。圖7(b)與7 (c)為DB2 和DB3 地表變形測(cè)點(diǎn)，這2 個(gè)斷面的沉降曲線也是掌子面通過前地表隆起，掌子面通過后地表產(chǎn)生沉降，最后地表沉降趨于穩(wěn)定。通過3 個(gè)地表橫斷面沉降測(cè)點(diǎn)的變形特征可以發(fā)現(xiàn)，頂管施工過程中不同截面的地表變形規(guī)律是一致的。

圖7 地表累計(jì)沉降量Figure 7 Cumulative surface subsidence

從3 個(gè)截面地表變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降曲線可以看出，淺埋矩形頂管施工引起的地表變形可以分為3 個(gè)階段。第1 階段是地表抬升階段，此階段頂管掌子面尚未到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，頂管推進(jìn)過程中與周圍土體的摩擦力推動(dòng)土體向前運(yùn)動(dòng)，引起掌子面前方土體出現(xiàn)隆起現(xiàn)象；第2 階段是地表迅速下降階段，在此階段頂管掌子面已經(jīng)通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)下方土體由于自身固結(jié)以及部分土體由于摩擦原因繼續(xù)沿著頂管推進(jìn)，導(dǎo)致地表沉降迅速增加；第3 階段是沉降穩(wěn)定階段，頂管施工已經(jīng)結(jié)束，此時(shí)的沉降完全是由于頂管周圍土體固結(jié)引起的。本工程引起的最終地表沉降值為30 mm，地表沉降量尚未超過控制值。

根據(jù)地表變形規(guī)律可知，在頂管掌子面通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，地表沉降經(jīng)歷迅速下沉與逐漸沉降，穩(wěn)定2 個(gè)階段。圖8(a)為頂管中軸線頂管切削面通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)后隧道中軸線的累計(jì)沉降曲線，采用二次函數(shù)擬合的方式可以得到矩形頂管機(jī)/盾構(gòu)機(jī)通過后地表的沉降計(jì)算公式，根據(jù)施工時(shí)間可以計(jì)算出地表沉降量，公式(5)為沉降量與施工時(shí)間的計(jì)算公式。圖8(b)為根據(jù)公式(5)計(jì)算的DB2-03 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降曲線與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的沉降曲線，可以看到擬合的公式(5)可以準(zhǔn)確反映盾構(gòu)機(jī)掌子面掘進(jìn)后的地表變形規(guī)律，在掘進(jìn)后25 d左右地表沉降趨于穩(wěn)定，有

圖8 地表累計(jì)沉計(jì)算與實(shí)測(cè)曲線對(duì)比Figure 8 Comparison of calculated and measured cumulative surface subsidence curves

圖9 為頂管施工過程中DB1 和DB2 截面地表橫向變形曲線。從圖中可以看到頂管掘進(jìn)面尚未到達(dá)監(jiān)測(cè)位置時(shí)，頂管上方3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB1-02、DB1-03和DB1-04 的逐漸隆起，其中頂管中軸線測(cè)點(diǎn)的隆起值最大，達(dá)到了14 mm，但在頂管范圍以外的土體出現(xiàn)了一定的沉降。分析這種現(xiàn)象的原因是頂管向前推進(jìn)過程中頂管周圍土體因摩擦力的緣故導(dǎo)致頂管周圍土體沿著頂管方向移動(dòng)，土體在掌子面前方產(chǎn)生了不同程度的堆積，故在頂管機(jī)推進(jìn)過程中掌子面前方產(chǎn)生較大的隆起。當(dāng)掌子面繼續(xù)向前推進(jìn)后土體開始重新固結(jié)，頂管上方的土體開始逐漸沉降。頂管橫截面以外區(qū)域地表因土方開挖影響，在掌子面推進(jìn)前后都產(chǎn)生較大的沉降。

圖9 地表橫向沉降曲線Figure 9 Lateral ground settlement curve

從圖9 可知，掌子面遠(yuǎn)離沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，頂管范圍內(nèi)的地表都出現(xiàn)了顯著的沉降，但在矩形頂管上方的地表沉降與圓形頂管或盾構(gòu)隧道存在一定的差異。矩形頂管正上方的地表沉降值基本一致，這與4.1 小節(jié)理論分析結(jié)果一致，而圓形頂管或圓形盾構(gòu)引起的地表沉降曲線呈現(xiàn)顯著的U 型。通過理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以說明，采用傳統(tǒng)的Peck 公式計(jì)算淺埋矩形頂管引起的地表沉降存在較大誤差，因此采用改進(jìn)后的Peck 公式(4)計(jì)算地表沉降量。圖10 為改進(jìn)后的Peck公式與未改進(jìn)的Peck 公式實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線。從圖中可知，未改進(jìn)的計(jì)算公式在頂管寬度范圍內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值存在較大差異，在頂管寬度范圍以外計(jì)算值與實(shí)測(cè)值變形趨勢(shì)相同，而改進(jìn)的Peck 公式與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的地表橫向變形曲線吻合良好。

圖10 地表沉降計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Figure 10 Comparison of calculated and measured surface settlement values

4.3 臨近管線沉降監(jiān)測(cè)分析

矩形頂管上方管線密布，其中DN500 污水管線上方測(cè)點(diǎn)為GX1，給水管線上方測(cè)點(diǎn)為GX2。DN500污水管線埋深為4.2 m，距離頂管上方僅有0.39 m，污水管線直徑為700 mm。給水管線埋深為2.1 m，直徑為200 mm，距離頂管上方2.75 m。如圖11 所示，管道的變形規(guī)律與地表變形規(guī)律基本一致。管線在第1 階段也是迅速抬升，然后在第2 階段沉降迅速增加，到第3 階段沉降逐漸減小，最終沉降穩(wěn)定。根據(jù)4.2 小節(jié)可知，頂管施工結(jié)束后頂管中軸線位置的地表沉降量最終為30 mm，而污水管線的最終沉降量為20 mm，給水管線最終的沉降值為18 mm。這是因?yàn)樵诰匦雾敼苁┕み^程中管線本身具有一定的剛度，尤其是污水管線是采用預(yù)制混凝土管，雖然頂管上方的土體出現(xiàn)了較大的沉降，因管線的支撐作用導(dǎo)致污水管線與給水管線上方的沉降相對(duì)減小。

圖11 管線累計(jì)沉降量Figure 11 Cumulative pipeline settlement

4.4 下臥隧道沉降分析

頂管下方存在既有盾構(gòu)隧道，隧道外徑為6.2 m，頂管與左線隧道的最小埋深為0.788 m，與右線隧道的最小埋深為0.728 m。圖12 為頂管施工過程中下方隧道拱頂變形監(jiān)測(cè)曲線。

圖12 隧道拱頂變形監(jiān)測(cè)曲線Figure 12 Tunnel vault deformation monitoring curve

下方隧道先是經(jīng)歷較小的沉降后，隧道整體出現(xiàn)抬升現(xiàn)象，當(dāng)掌子面推進(jìn)后下臥隧道的抬升趨于穩(wěn)定。頂管施工結(jié)束后下臥隧道又出現(xiàn)了較大的整體沉降，最后頂管下方隧道沉降值恢復(fù)到頂管之前的狀態(tài)。這是因?yàn)轫敼苷谱用嫔形吹竭_(dá)隧道時(shí)，頂管下方由于土體摩擦力的作用推動(dòng)土體向前，導(dǎo)致掌子面前方土體擠壓，從而引起下方隧道出現(xiàn)了少量的沉降；當(dāng)頂管掌子面通過隧道時(shí)由于頂管開挖引起地層損失，引起頂管下方土體向頂管方向移動(dòng)，引起頂管下方隧道出現(xiàn)了整體抬升，左右線隧道的抬升量約為1 mm；頂管掌子面通過隧道后隧道并沒有出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，仍保持1 mm 左右的抬升量。在頂管施工結(jié)束后下臥隧道開始出現(xiàn)沉降，最終又恢復(fù)到初始位置。通過與地表沉降、管線沉降規(guī)律對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，下臥隧道的沉降規(guī)律與地表沉降和管線沉降存在差異，頂管掌子面通過隧道后隧道沒有出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而是在頂管施工結(jié)束才呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)轫敼苤車馏w由于摩擦力的影響沿著頂管頂進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致頂管附近的土體在頂管推進(jìn)過程中難以產(chǎn)生固結(jié)，在頂管施工結(jié)束后頂管下方土體才開始固結(jié)，所以在頂管結(jié)束后頂管下臥隧道開始產(chǎn)生沉降。

5 結(jié)論

針對(duì)淺埋矩形頂管施工引起的地表變形特征，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了淺埋矩形頂管施工引起的地表橫向與頂管施工階段對(duì)臨近盾構(gòu)隧道的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論。

1) 淺埋頂管施工過程地表的變形規(guī)律可以分為地表抬升、地表迅速沉降和沉降穩(wěn)定3 個(gè)階段。掌子面通過前僅在頂管寬度范圍為內(nèi)的地表出現(xiàn)隆起，掌子面通過后沉降迅速增加直至最終沉降穩(wěn)定。

2) 淺埋頂管施工引起的地表變形特征與圓形盾構(gòu)或圓形頂管存在差異，采用改進(jìn)的Peck 公式可以準(zhǔn)確計(jì)算淺埋矩形頂管施工引起的地表變形值。

3) 臨近下臥隧道整體的沉降與地表變形存在差異，下臥隧道在掌子面通過后隧道的抬升量保持在1 mm 左右，在頂管施工結(jié)束后因頂管周圍土體重新固結(jié)，隆起下臥隧道開始下降到初始位置。