李育發(fā)，李永江

(包頭新都市建設(shè)投資運(yùn)營管理有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

截止2017年年底，我國已建管廊4 700 km，十三五末開始以每年2 000 km的速度建設(shè)，計劃最終規(guī)模為12 000 km，我國成為城市綜合管廊超級大國指日可待[1，2].包頭市是全國十大“地下綜合管廊”建設(shè)試點(diǎn)城市之一.市內(nèi)某綜合管廊下穿建設(shè)路采用多刀盤土壓平衡矩形頂管法施工[2]，矩形頂管管廊隧道穿越礫砂地層，該種地層具有流塑性差、自穩(wěn)性差、成拱效應(yīng)差、出土困難、土艙壓力波動敏感等特點(diǎn)，沒有可靠的經(jīng)驗(yàn)可借鑒.

近年來，國內(nèi)學(xué)者針對土壓平衡頂管土體改良技術(shù)[3]、淺埋矩形頂管的“整體背土效應(yīng)”[4]、施工工藝等問題進(jìn)行了鉆研，并取得了許多重大的研究成果.此外，有些學(xué)者[5，6]采用解析法分析矩形頂管施工與地表變形的關(guān)系，提出了致使矩形頂管施工地層變形的 3 個主要原因，其中，施工區(qū)域前部的地層隆起主要由摩擦力和開挖面附加應(yīng)力主導(dǎo)致，施工區(qū)域后部的地層沉降主要由于土體損失導(dǎo)致.

本項目中矩形頂管隧道施工引起的地表變形主要為隆起變形，與目前文獻(xiàn)報道中的地層以沉降變形為主的現(xiàn)象有很大的差別.然而，針對礫砂地層條件下，矩形頂管隧道施工引起的隆起變形規(guī)律及隆起原因等問題尚不清楚.為此，基于包頭市新都市區(qū)綜合管廊工程中的現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，對大斷面矩形頂管關(guān)鍵施工技術(shù)及地表的隆沉變形規(guī)律進(jìn)行研究.

1 工程概況

1.1 工程簡介

此工程(二期)某項目，位于210國道以西，建華路以東，110國道以南及哈屯高勒路以北(如圖1所示).頂管頂進(jìn)長度為85.35 m，覆土深度6.2 m，位于③層礫砂土層中，采用矩形頂管工藝實(shí)施，最大頂力為2 308 t.矩形管廊內(nèi)截面規(guī)格為6 000 mm×3 300 mm，外截面規(guī)格7 000 mm×4 300 mm，每節(jié)長1.5 m，壁厚500 mm，共57節(jié).

1.2 頂管施工地層條件

矩形頂管管廊隧道所處的地層從上到下分別為：第①單元層以填土為主，含少量礫砂、碎石塊，平均層厚0.997 m；第②單元層粉砂為稍密狀態(tài)，砂質(zhì)一般，該層分布連續(xù)，發(fā)育穩(wěn)定，平均層厚2.307 m；第③單元層礫砂顆粒不均勻，含有圓礫、角礫巖，分布連續(xù)，發(fā)育穩(wěn)定，平均層厚7.385 m；第④單元層粉砂呈中密狀態(tài)，砂質(zhì)一般，顆粒不均勻，該層分布連續(xù)，發(fā)育穩(wěn)定，平均層厚4.307 m.如圖2所示.

1.3 工程特點(diǎn)

(1)雙倉矩形管廊頂推技術(shù)國內(nèi)首次應(yīng)用于礫砂層，頂進(jìn)施工如何能順利進(jìn)行，工程的進(jìn)度、質(zhì)量如何保證，是本工程的重難點(diǎn)之一[7].

(2)矩形頂管管廊埋深為5.4 m，地層成拱效應(yīng)差，穿越土層為有大量礫砂、孤石、漂石的礫砂層，具有土層空隙大，滲透系數(shù)高的特點(diǎn).在該種地層中頂進(jìn)施工時，容易對四周地層造成較大的擾動，導(dǎo)致頂進(jìn)速度緩慢、影響頂進(jìn)效率，而且使刀盤磨損更加嚴(yán)重，同時片石之間的夾雜砂土層黏聚力小、自穩(wěn)性差、易造成螺旋機(jī)排土不順暢，導(dǎo)致大面積土體下陷.然而，在該種地層條件下，矩形頂管機(jī)施工參數(shù)的選擇還沒有可以參考的經(jīng)驗(yàn).

(3)矩形頂管隧道下穿的建設(shè)路屬于城市主干道，車流量大，施工風(fēng)險極大，對地表沉降變形控制要求高.

2 管廊矩形頂管施工技術(shù)

2.1 矩形頂管機(jī)設(shè)計參數(shù)

本工程采用大、小刀盤組合設(shè)計的矩形頂管機(jī)，由中心1個大刀盤和四角4個小刀盤組成，大、小刀盤前后錯開可使切削面積達(dá)90% 以上.其外形尺寸為4 850 mm×7 020 mm×4 320 mm.如圖3所示.

刀盤的破碎刀具有破碎功能，可以把大粒徑石頭破碎為粒徑在 20 cm 以內(nèi)的小石頭.為保證只有粒徑在 20 cm 以內(nèi)的石頭可以進(jìn)入土倉內(nèi)，刀盤前后間距控制在 20 cm.在頂管機(jī)四周刃口設(shè)有鏟齒，可以有效鏟碎前方的砂石.螺旋輸送機(jī)葉片的直徑為 670 mm、螺距為454 mm，確保能排出粒徑250 mm的卵石.

2.2 矩形頂管關(guān)鍵施工技術(shù)

2.2.1進(jìn)洞施工

采用高壓旋噴樁將進(jìn)出洞位置4.5 m 范圍內(nèi)的土體改良并進(jìn)行加固，以確保矩形頂管機(jī)能夠安全進(jìn)洞.同時，要放慢頂管機(jī)進(jìn)洞時的頂進(jìn)速度，保證刀盤和周邊刀能對水泥土進(jìn)行有效切削[7]；其次，加固區(qū)水泥土比較硬，造成螺旋機(jī)開挖過程困難，此時，可以通過加水來軟化和潤滑土體.

當(dāng)加固區(qū)基本排出水泥土、全斷面原狀土從螺旋機(jī)內(nèi)出來后，應(yīng)適當(dāng)提高頂進(jìn)速度，防止頂管機(jī)出現(xiàn)“磕頭”現(xiàn)象，從而減少對土體的擾動以及避免會發(fā)生的地面沉降，使正面土壓力略大于理論值.

2.2.2土倉礫砂渣土改良技術(shù)

土倉渣土改良效果是矩形頂管機(jī)能否順利頂進(jìn)的重要條件.矩形頂管機(jī)穿過的土層為礫砂層，該土層有自穩(wěn)時間短、刀盤上方小范圍土體極易形成粘聚力小、成拱效應(yīng)差、易塌方、流塑性差、出土困難、土艙壓力波動敏感、土壓艙與工作面土壓的動態(tài)平衡控制困難等特征.為了建立開挖面土壓平衡，必須對土倉內(nèi)渣土進(jìn)行改良，使其具有良好的塑性、流動性、抗?jié)B性、高壓縮性和低摩擦性.為此，在頂進(jìn)過程中對土倉內(nèi)的渣土進(jìn)行改良，由黃黏土、膨潤土、CMC 外加劑、水構(gòu)成土體改良配備的漿液材料，配合比根據(jù)在頂推過程中測試到的摩阻力進(jìn)行動態(tài)調(diào)整.

2.2.3減摩泥漿套技術(shù)

高效可靠減摩泥漿套的形成與否直接決定著矩形頂管長距離頂進(jìn)的成敗[8].為此，在頂進(jìn)過程中，在矩形管節(jié)與地層之間注入減摩泥漿材料，一方面，可以減少管節(jié)與土體之間的摩擦力，降低對周圍地層的擾動；另一方面，泥漿材料可以填充管節(jié)與地層中的空隙，起到填充支撐作用，減少地層損失.

考慮到礫砂地層注漿時擴(kuò)散效果好的特點(diǎn)，注漿量取理論值的5～8倍，具體注漿量需要根據(jù)土質(zhì)情況、頂進(jìn)狀況、地表隆沉監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行及時調(diào)整.

2.2.4嚴(yán)格控制開挖量與出土量平衡

頂進(jìn)過程當(dāng)中，嚴(yán)格控制出土量，出土量要與開挖量保持一致，當(dāng)出土量大于開挖量時，土倉內(nèi)欠壓，進(jìn)而引發(fā)地表沉降；當(dāng)出土量小于開挖量，土倉內(nèi)過壓，將引發(fā)地表隆起變形，適當(dāng)?shù)穆∑鹱冃螌τ诰匦雾敼芩淼篮笃诔两档目刂剖怯幸娴?出土量與開挖量一致的關(guān)鍵是如何使頂進(jìn)速度與螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速相匹配.

2.2.5控制頂推速度

頂推過程中，頂管機(jī)頂進(jìn)速度要控制好，保證施工的連續(xù)性與均衡性，避免因長期停機(jī)或待機(jī)而造成前方土體塌陷或隆起.初期頂推速度一般控制在 5～10 mm /min，在頂管機(jī)離開工作井加固區(qū)，到達(dá)原狀土層后，頂進(jìn)速度及地表現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)正常時，頂進(jìn)速度可控制在10～15 mm /min.

2.2.6頂管結(jié)束漿液置換

矩形頂管機(jī)進(jìn)洞后，要做好洞口的封堵工作，將洞門與管節(jié)間的間隙閉合后，選用雙液漿進(jìn)行首尾3環(huán)的填充注漿.管節(jié)施工完畢后，將水泥漿液注入注漿孔管道外壁置換減摩泥漿，注漿壓力由水土壓力確定，將通道外土體加固，降低管廊運(yùn)營階段時產(chǎn)生不均勻沉降的可能性.

3 監(jiān)控量測方案及變形控制標(biāo)準(zhǔn)

3.1 監(jiān)控量測方案

在頂管隧道上方路面表面及地表布置變形觀測點(diǎn)，目的是及時掌握矩形頂管頂進(jìn)過程中地表縱向與橫向變形的動態(tài)演化規(guī)律，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整矩形頂管機(jī)的施工參數(shù)，將地表變形值控制在允許的范圍內(nèi).

根據(jù)研究需要、第三方監(jiān)控量測規(guī)范以及綜合考慮工程現(xiàn)場條件，共布設(shè)10條監(jiān)測斷面，共38個地表變形監(jiān)測點(diǎn).具體監(jiān)測點(diǎn)布置如圖4所示.[8]

用淺埋標(biāo)志分析地表沉降觀察點(diǎn)的標(biāo)志與埋設(shè)，如圖5，6所示.用普通水準(zhǔn)標(biāo)石或直徑25 mm螺紋鋼作為淺埋標(biāo)志，埋深宜為1～2 m，標(biāo)石底部埋于冰凍線之下.

3.2 監(jiān)控量測頻率及控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)頂管機(jī)施工進(jìn)度、監(jiān)測斷面距開挖面的距離和沉降速率來確定監(jiān)測頻率.如存在異常情況，則需增加監(jiān)測頻率.一般情況下可選用表1所示監(jiān)測頻率.

表1 頂管施工監(jiān)測項目監(jiān)測頻率

地面豎向變形的控制標(biāo)準(zhǔn)為：隆起控制值10 mm，沉降控制值25 mm，速率控制值3 mm/d；報警值為控制值的70%，隆起報警值7 mm，沉降報警值17.5 mm.

4 矩形頂管施工過程中地表變形分析

4.1 各監(jiān)測點(diǎn)隆沉分析

為了研究矩形頂管機(jī)各測點(diǎn)在頂進(jìn)過程中的變形規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測資料，對各測點(diǎn)的地面變形進(jìn)行了統(tǒng)計.如圖7所示.

(1)當(dāng)頂管機(jī)頂進(jìn)10個管節(jié)時，即頂進(jìn)距離為15 m，中線測點(diǎn)D3和D8表現(xiàn)為微隆起，其余測點(diǎn)尚未受到頂管施工的影響；

(2)當(dāng)頂管機(jī)頂進(jìn)20個管節(jié)時，即頂進(jìn)距離為30 m，中線測點(diǎn)D3，D8，D12和D16的隆起量很大，說明這4個測點(diǎn)受到頂管施工的影響很大，其余測點(diǎn)尚未受到頂管施工的影響；

(3)當(dāng)頂管機(jī)頂進(jìn)30個管節(jié)時，即頂進(jìn)距離為45 m，中線測點(diǎn)D3，D8，D12和D16的隆起量很大，D20和D23表現(xiàn)為微隆起，其余測點(diǎn)尚未受到頂管施工的影響；

(4)當(dāng)頂管機(jī)頂進(jìn)40個管節(jié)時，即頂進(jìn)距離為60 m，中線測點(diǎn)D3，D8，D12，D16，D20和D23的隆起量很大，測點(diǎn)D26，D29，D33和D37表現(xiàn)為微隆起，此時，頂管區(qū)間的所有測點(diǎn)均受到頂管施工的影響；

(5)當(dāng)頂管機(jī)頂進(jìn)50個管節(jié)時，即頂進(jìn)距離為75 m，中線上所有測點(diǎn)的變形規(guī)律全都表現(xiàn)為隆起，且隆起量很大.

由上可知，該工程中矩形頂管施工引發(fā)的地面豎向變形形式為隆起，且隆起量很大，最大隆起量為36.4 mm，最小隆起量為5.24 mm.D3，D8，D12，D16，D20，D23，D26和D29的隆起量全部超過了規(guī)定的控制值.根據(jù)現(xiàn)場巡視發(fā)現(xiàn)，測點(diǎn)附近已經(jīng)發(fā)生了隆起開裂破壞，如圖8所示[8].

4.2 頂管施工中單測點(diǎn)的隆起響應(yīng)

為探索矩形頂管頂進(jìn)過程當(dāng)中測點(diǎn)隨頂進(jìn)距離的縱向變化規(guī)律，選擇代表性的D12監(jiān)測點(diǎn)為例，對頂管開挖面與監(jiān)測斷面不同距離時的監(jiān)測點(diǎn)地表縱向隆起規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計，如圖9所示.

如圖9可知，隨著頂管機(jī)的頂進(jìn)，工作面與D12的距離大于10 m時，頂管施工對D12的地表變形沒有造成影響；工作面與D12的距離小于10 m但尚未到達(dá)D12時，地表變形表現(xiàn)為快速隆起，此時，頂管機(jī)的開挖面推力、頂管機(jī)的摩擦力和后續(xù)管節(jié)的摩擦力都對地表變形有影響；當(dāng)工作面到達(dá)D12時，地表的隆起量達(dá)到了31.7 mm，工作面通過該點(diǎn)7.7 m后，該點(diǎn)的變形值回落到約15 mm，隨后保持穩(wěn)定.

4.3 地表橫向地表隆沉規(guī)律

選有代表性的D12監(jiān)測斷面，分析地表橫向沉降規(guī)律.如圖10所示.

由圖10可知，頂管機(jī)未達(dá)到監(jiān)測斷面時，地面變形為隆起，頂管機(jī)的工作面離監(jiān)測斷面越近，隆起量越大，頂管機(jī)通過監(jiān)測斷面時，隆起量為最大；隨著頂管機(jī)遠(yuǎn)離監(jiān)測斷面，隆起量開始回落，但是，已經(jīng)回落不到原始狀態(tài)，而是回落到一定的隆起值，隨后保持穩(wěn)定.同時發(fā)現(xiàn)，地表橫向沉降槽并非完全對稱，這主要由于開挖面左右部土倉壓力不對稱導(dǎo)致.

5 結(jié)論

文章以包頭市新都市區(qū)某綜合管廊工程，基于現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，對大斷面矩形頂管關(guān)鍵施工技術(shù)及地表的隆沉變形進(jìn)行研究，主要得到以下結(jié)論：

(1)矩形頂管關(guān)鍵施工技術(shù)解決了頂管機(jī)工作過程中可能出現(xiàn)的問題，保證了施工各個環(huán)節(jié)高效、有序的進(jìn)行；

(2)選取代表性的D12測點(diǎn)進(jìn)行分析，頂進(jìn)過程中地表隆起的最大值為31.7 mm，隆起范圍為40 m，隨后地表變形值回落到15 mm并保持穩(wěn)定；

(3)將矩形頂管頂進(jìn)施工引起的地表縱向變形過程劃分為緩慢隆起階段、快速隆起階段、沉降階段和穩(wěn)定階段這4個變形階段，得出使得地表隆起過大過快的階段是快速隆起階段，進(jìn)而針對該階段地表隆起的原因進(jìn)行分析；

(4)地表橫向隆起槽左右呈非對稱狀態(tài)，主要由于開挖面左右部土倉壓力非對稱導(dǎo)致.