姜洪建 朱 坤 蔡 松
(1.華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,河南 鄭州 450046; 2.深圳市勘察測繪院有限公司,廣東 深圳 518028)
伴隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,地下空間的開發(fā)和利用越來越受到建設(shè)者的青睞。頂管施工作為繼盾構(gòu)施工之后發(fā)展起來的一種非開挖施工工藝受到了廣泛的運(yùn)用[1]。與圓形截面相比,矩形截面有效利用面積達(dá)20%以上[2]。但矩形頂管法存在一個重要的施工難題,就是如何有效控制施工引起的地面變形[3]。本文對頂管施工引起的地面變形破壞形式進(jìn)行了簡要探討,進(jìn)而著重研究了施工引起地面變形的控制措施。
頂管施工引起地面變形的破壞形式,主要有以下幾個方面[4]。
矩形頂管施工引起的地面沉降或者隆起可能會造成結(jié)構(gòu)物整體下沉或上升。如果這種變形比較小且均勻,對結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性和使用功能不會產(chǎn)生大的危害,但過大的變形會使砌體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生水平裂縫現(xiàn)象,影響其防水功能,發(fā)生地下水的滲漏。這對于高速鐵路、高速公路等敏感性工程,其施工要求更高,標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格。
由于地層的巖性存在差異,以及地層的起伏性,頂管施工引起土體的不均勻沉降。不均勻沉降延伸到地表會產(chǎn)生傾斜,造成結(jié)構(gòu)物的歪斜,從而引起附加應(yīng)力重分布,當(dāng)某些部位應(yīng)力過大造成基底土體塑性損壞,引起整個結(jié)構(gòu)物的破壞。此種破壞對建(構(gòu))筑物的危害最大。
矩形頂管施工引起的地層不均勻變形造成水平地面形成曲率,地面曲率對建(構(gòu))筑物產(chǎn)生較大的影響。地面曲率根據(jù)沉降和隆起分為正曲率和負(fù)曲率兩種。在負(fù)曲率的情況下,結(jié)構(gòu)物中部隆起量大,兩端部分隆起量小,結(jié)構(gòu)物中央部分懸空,兩端受剪切,墻體產(chǎn)生的破壞為正“八”字形裂縫。反之,在正曲率情況下,結(jié)構(gòu)物墻體產(chǎn)生倒“八”字形裂縫破壞。
地面水平變形分為拉伸和壓縮變形。由于結(jié)構(gòu)物抗拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓縮強(qiáng)度,所以結(jié)構(gòu)物對地面的拉伸變形反應(yīng)十分敏感,所以地面水平變形破壞的主要因素是拉伸變形。當(dāng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)側(cè)面受到外向水平推力的作用下,很容易產(chǎn)生開裂現(xiàn)象,嚴(yán)重者導(dǎo)致建筑物破壞影響其正常使用,降低了建筑物使用年限。
在實(shí)際的工程中,地面變形對建(構(gòu))筑物的破壞形式,是多種破壞形式共同作用的結(jié)果。例如,當(dāng)?shù)孛胬熳冃魏驼释瑫r存在時,壓縮變形和正曲率也同時發(fā)生。
頂管技術(shù)解決了在城市密集地區(qū)采用非明挖施工,減少對城市交通影響的問題,但其施工過程不可避免的對周圍環(huán)境產(chǎn)生一定的影響,當(dāng)這種影響較大時會導(dǎo)致建筑物喪失使用功能,道路中斷、管線開裂、人身傷亡等。因此,在工程建設(shè)中,采取措施控制地面變形,將頂管施工引起的危害降到最低程度。
控制開挖面穩(wěn)定可降低對地層的擾動,是控制地層損失、減小地面變形的有效措施。保持開挖面穩(wěn)定是通過土倉壓力來平衡開挖面前方壓力。
從理論上分析,在管節(jié)頂進(jìn)的過程中,如果土倉壓力P小于所處地層主動土壓力PA,開挖面支護(hù)力不足,造成地面沉降。反之,如果土倉壓力P大于所處地層被動土壓力為PB,開挖面支護(hù)力過大,造成地面隆起。如果把土倉壓力控制在PA
推進(jìn)速度與出土量是影響地面變形的主要因素。當(dāng)推進(jìn)速度過快時,土壓力增大,地面會產(chǎn)生隆起,此時需要增加螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速,提升出土速度,來保持切土量與出土量的均衡,同時適當(dāng)降低推進(jìn)速度。如果推進(jìn)速度過低,土壓力較小,地面會產(chǎn)生沉降,此時需要減小螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速,降低出土速度,到達(dá)切土量與出土量的平衡,同時適當(dāng)增加推進(jìn)速度。由此可見,推進(jìn)速度和出土量在控制地面變形是兩個相輔相成的影響因素,同時保持切土量與出土量相對平衡,才能控制對管節(jié)周圍土體的擾動程度和地面變形量的變化,尤其要防止出現(xiàn)出土量過大的現(xiàn)象。
在開始階段頂進(jìn)速度不宜太大,頂進(jìn)速度一般控制在5 mm/min~10 mm/min,正常推進(jìn)階段速度可控制在10 mm/min~20 mm/min。通常情況下,出土量控制在理論值的98%左右。在工程實(shí)際操作中,將地表沉降的監(jiān)測結(jié)果及時反饋給頂管機(jī)中控室操作人員,從而調(diào)整出土量和推進(jìn)速度,將地面變形控制在安全合理的范圍內(nèi)。
同步注漿可以有效的控制地面變形??梢姡陧敼苁┕み^程中,泥漿有非常重要的作用。主要表現(xiàn)在三個方面:
1)減阻作用,由于頂管管節(jié)與周圍土體存在接觸面,頂進(jìn)過程會相互之間產(chǎn)生摩擦阻力,注漿后起到潤滑作用,減少頂進(jìn)阻力;
2)填充空隙作用,管節(jié)頂進(jìn)后與周圍土層存在空隙,注漿能很好的充填到這些空隙中;
3)控制地面變形作用,在注漿壓力作用下穩(wěn)定了周圍土體,有利于減小地面沉降。在一段頂管施工結(jié)束后,需要進(jìn)行泥漿置換,加注混凝土泥漿,起到更加穩(wěn)定周圍土體的作用。如今大斷面矩形頂管機(jī)配備有泥漿套壓力自動控制系統(tǒng),可以有效控制注漿壓力和注漿量,根據(jù)后期地面變形的情況及時進(jìn)行二次注漿。
矩形頂管機(jī)按照隧道指定的設(shè)計軸線開挖是最理想的施工狀態(tài)。但是頂管機(jī)施工是一個復(fù)雜的多工序系統(tǒng),頂進(jìn)過程中,軸線偏差一旦增大,其糾偏難度將變大,因此軸線控制是矩形頂管施工的一大難題。推進(jìn)軸線與設(shè)計軸線發(fā)生偏差,就要進(jìn)行糾偏,糾偏過程中會使一側(cè)土體受到擠壓而隆起,另一側(cè)土體產(chǎn)生縫隙而沉降,從而造成地層損失的增加,地面變形量增大。為了減小糾偏造成的地層損失影響,應(yīng)避免產(chǎn)生大角度的糾偏,同時按照“多測量、多糾偏、緩糾偏”的原則合理操作,這樣才能確保頂管機(jī)準(zhǔn)確、順利、安全的施工。
除以上控制措施外,還有其他控制措施。
施工前控制措施:
1)合理設(shè)計頂管管徑和埋深:兩者是影響地面變形的重要參數(shù),兩者的選擇是考慮工程投資、功能以及施工環(huán)境綜合確定的;
2)選擇適當(dāng)?shù)捻敼軝C(jī)類型:頂管機(jī)主要包括土壓平衡式、泥水平衡式、氣壓平衡式頂管機(jī),不同頂管機(jī)適合的地層不同,其在施工參數(shù)的控制精細(xì)度上也存在差異。應(yīng)根據(jù)不同工程地質(zhì)條件選擇適合的頂管機(jī)。
施工中控制措施:
1)進(jìn)、出洞控制:由于工具管外徑小于洞口直徑,在工具管進(jìn)、出洞口的過程會有空隙,地下水、泥砂進(jìn)入工作井中,引起上部土體發(fā)生坍塌,影響結(jié)構(gòu)物的安全??梢栽诙纯诟浇欢ǚ秶鷥?nèi)采取高壓旋噴、注漿、凍結(jié)、深井降水等加固措施;
2)管節(jié)防水、止水技術(shù):管節(jié)防水采用兩道防水形式,第一道密封是在兩管節(jié)之間設(shè)置橡膠脹圈,第二道密封是在端面之間注入混凝土漿液,使管節(jié)之間形成整體,起到防水、止水效果。
矩形頂管施工是一個復(fù)雜綜合的系統(tǒng)建設(shè)工程,控制地面變形的措施不是單一因素決定的,而是需要各控制措施相互之間協(xié)調(diào),將工程的施工對環(huán)境的影響降到最低,從而取得良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。