周載延 何 燕 陳俞嘉

（西南科技大學(xué)，四川 綿陽 621000）

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，對地下交通的需求不斷加大。地鐵作為地下交通的主要方式，穿越城市密集區(qū)，無法進(jìn)行大規(guī)模的開挖施工。頂管是一種較為成熟的非開挖技術(shù)，相較于盾構(gòu)法施工具有工藝簡單、速度快、成本低等優(yōu)點，適用于短距離施工，被廣泛應(yīng)用于市政管線工程。在相同截面面積下矩形頂管比圓形頂管利用率高20%[1]，被廣泛用于工程實踐。

盾構(gòu)施工時在盾構(gòu)機(jī)處安裝管片，后續(xù)施工基本不會對已施工完成部分造成影響。頂管施工則需在始發(fā)井處通過千斤頂將每節(jié)頂管持續(xù)頂入土體，所需頂力較大且整個施工過程中都會對已施工完成部分造成影響。因此，對于頂管工程來說，頂力及地表沉降均是需要重點關(guān)注的問題。

現(xiàn)有的頂力現(xiàn)場研究多是采集頂力隨頂程變化的數(shù)據(jù)，通過對頂力數(shù)據(jù)的擬合得到頂力計算公式[2,3,4,5]，為頂力預(yù)估提供理論指導(dǎo)，未關(guān)注頂管施工時管節(jié)的內(nèi)力變化規(guī)律，未能揭示管節(jié)內(nèi)力與管節(jié)頂力的變化規(guī)律。鑒于此，本文通過在管節(jié)間安裝土壓力盒，監(jiān)測施工時管節(jié)內(nèi)力，通過對管節(jié)內(nèi)力的分析闡述管節(jié)內(nèi)力與頂力關(guān)系。

已有的針對矩形頂管施工對地表的影響規(guī)律研究、大多基于某一監(jiān)測斷面位移沉降監(jiān)測開展，研究該斷面處地表沉降與距頂管軸線距離的變化規(guī)律[6,7,8]，揭示頂管工程某一截面處地表的沉降。但頂管頂進(jìn)是一個持續(xù)過程，不僅要關(guān)注頂管某一截面地表沉降規(guī)律，還需對整個頂管頂進(jìn)過程進(jìn)行研究?；诖耍疚耐ㄟ^監(jiān)測頂管頂進(jìn)過程中各監(jiān)測點地表位移變化規(guī)律，闡釋頂管施工地表沉降變化規(guī)律。

1 工程概況

昆明軌道交通4號線菊華站位于官渡區(qū)菊華立交橋與昆河米軌黑土凹站東側(cè)，貴昆路與金馬路丁字路口處昆河米軌下方。共設(shè)5個出入口，其中A、B號出入口采用6.9m×4.9m矩形頂管法施工。

頂管通道凈尺寸為6.0m×4.0m，采用6.9m×4.9m多刀盤土壓平衡式矩形頂管機(jī)掘進(jìn)施工。A號出入口頂進(jìn)長度暫定46.0m，覆土深度約4.5m，頂進(jìn)方向由東北向西南推進(jìn)；B號出入口頂進(jìn)長度暫定53.0m，覆土深度約5.0m，頂進(jìn)方向由西南向東北推進(jìn)，如圖1所示。

圖1 工程總平面圖

2 地表沉降規(guī)律研究

2.1 測點布置

菊華站A2及B出入口上方為城市主干道彩云北路，此路段交通繁忙，無法因施工對道路交通進(jìn)行管制，為了保證道路上車輛的運行安全，需要對頂管施工沿線進(jìn)行沉降監(jiān)測，防止因頂管施工造成道路沉降過大危及行車安全，對B號出入口頂管監(jiān)測布點如圖2所示，監(jiān)測布點每隔8m間隔設(shè)置一列，起始監(jiān)測點設(shè)在始發(fā)井樁基之外（DBC-B-10），每列設(shè)置三個監(jiān)測點，其中第二個監(jiān)測點設(shè)置于頂管軸線處，其余兩個監(jiān)測點設(shè)置于頂管側(cè)墻內(nèi)側(cè)。

圖2 B號出入口地表沉降監(jiān)測點位布置圖

2.2 現(xiàn)場沉降處置措施

現(xiàn)場地勘表明，頂管結(jié)構(gòu)上覆土依次為：素填土、細(xì)砂，頂管整體主要位于粉質(zhì)粘土，頂管結(jié)構(gòu)下部為粉砂。場地地下水位埋深淺，土的天然含水率較高，滲透性弱，抗剪強(qiáng)度很低，其靈敏度一般在2.0～4.1，屬于中靈敏度土層，受擾動后強(qiáng)度將大幅降低，產(chǎn)生較大不均勻沉降，施工中難以控制土層沉降以及頂管機(jī)頭的的偏差控制。

針對菊華站富水軟土地層、工程地質(zhì)復(fù)雜、施工工期緊張的情況，為保證隧道施工安全，采用高壓填充技術(shù)的頂管沉降控制方法。

施工時，通過高壓注漿泵將土體通過預(yù)留注漿孔壓入改良土，實現(xiàn)主動控制地層沉降，避免地層沉降超標(biāo)，保證施工安全，確保工程效益，具體情況如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場人工高壓填土

2.3 沉降監(jiān)測結(jié)果分析

頂進(jìn)施工前13天，開始對頂管上方地表進(jìn)行沉降監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果如下：

（1）圖4為監(jiān)測點沉降—時間曲線，從圖中可以看出，在頂管頂進(jìn)施工前，地面沉降值在2mm以內(nèi)，觀察每列監(jiān)測點，均可以發(fā)現(xiàn)頂管軸線處監(jiān)測點（測點2）的位移均大于兩側(cè)監(jiān)測點（測點1、3）的位移，且兩側(cè)監(jiān)測點位移大體相等，規(guī)律與Peck提出地面沉降預(yù)測的Peck公式的近似高斯曲線一致。

（2）圖4（a）為布置于始發(fā)井加固區(qū)的監(jiān)測點位移隨時間變化曲線，從圖中可以看出，在開始頂進(jìn)施工的前15d內(nèi)，始發(fā)井處地表位移均很小，基本為零，第一節(jié)頂管頂進(jìn)時，監(jiān)測點處地表出現(xiàn)上浮，原因是頂管機(jī)刀頭會對土體擠壓扭轉(zhuǎn)。當(dāng)頂管通過該監(jiān)測點后，此處地表出現(xiàn)下沉，沉降值均在1mm左右，隨著頂管施工的不斷進(jìn)行，位移均在2mm范圍內(nèi)波動。

（3）隨著頂管的頂進(jìn)，在第18日頂進(jìn)（頂進(jìn)8m）至9號監(jiān)測布點，其地表沉降情況如圖4（b）所示，從圖中可以看出，此時地表出現(xiàn)上浮位移，當(dāng)頂進(jìn)施工過了該監(jiān)測點，地表則出現(xiàn)了沉降位移，同樣，在頂進(jìn)到達(dá)第8號及第7號監(jiān)測點時，也出現(xiàn)一樣的現(xiàn)象。隨著頂管繼續(xù)頂進(jìn)，發(fā)現(xiàn)管節(jié)及頂管機(jī)出現(xiàn)“低頭”現(xiàn)象，遂采取調(diào)整始發(fā)井處千斤頂頂力（頂鐵上側(cè)千斤頂力保持不變，加大下側(cè)千斤頂頂力），進(jìn)行糾偏處理，故圖4（a）~（c）均在第25日出現(xiàn)了較大的上浮位移，經(jīng)不斷糾偏后，頂管機(jī)及管節(jié)偏差減小，地表上浮位移逐漸減小。圖4（d）為第6號監(jiān)測點，位于頂管糾偏段之后，因此頂管糾偏對其影響較小。到達(dá)第30日時整個頂管已全線貫通，但從圖中看出，地表繼續(xù)下沉，原因是施工時注入的觸變泥漿沉淀固結(jié)，體積減小。為減小地表沉降，工程中通過將泥漿置換成水泥漿，故圖4中第45日后地表沉降值不斷減小。

圖4 監(jiān)測點地表沉降-時間曲線

3 管節(jié)內(nèi)力分布研究

3.1 內(nèi)力監(jiān)測

頂力是頂管施工中必須確定的一個重要參數(shù)，它直接影響工作井后背設(shè)計、管節(jié)的強(qiáng)度要求、中繼環(huán)的配置數(shù)量和間距，以及頂進(jìn)設(shè)備的選擇。目前，一些文獻(xiàn)對頂力的計算給出了各種理論公式，但由于影響頂力的因素復(fù)雜多變，這些公式很難定量考慮諸如軸向偏差、注漿工藝以及土質(zhì)變化等因素對頂力的影響，所以導(dǎo)致各自適用條件并不明確，計算結(jié)果差異較大。

通過現(xiàn)場試驗，可獲得頂管工程中管節(jié)間頂力隨頂程變化規(guī)律的實測數(shù)據(jù)。掌握昆明地區(qū)地質(zhì)條件下頂管施工過程中注漿方法、頂管工藝及對臨近建筑物的影響規(guī)律，可進(jìn)一步完善相關(guān)計算方法和施工工藝?，F(xiàn)場通過在頂管管節(jié)間安裝土壓力盒，測試管節(jié)間的內(nèi)力，土壓力盒具體布置情況如圖5所示。

圖5 土壓力盒布置情況

3.2 內(nèi)力測試結(jié)果分析

現(xiàn)場內(nèi)力測試時，分別監(jiān)測了不同頂進(jìn)長度管節(jié)內(nèi)力，圖6為安裝在第7節(jié)頂管后土壓力記錄的管節(jié)內(nèi)力（前7節(jié)頂管頂力）隨頂進(jìn)施工過程變化曲線。

圖6 管節(jié)內(nèi)力隨頂進(jìn)施工過程變化曲線

圖6中波峰為頂管頂進(jìn)時監(jiān)測到的內(nèi)力，波谷為停機(jī)卸土?xí)r監(jiān)測到的內(nèi)力，由檢測結(jié)果分析可知：

（1）從曲線中可以看出，頂管截面上的頂力分布不均勻，截面外側(cè)的頂力總是大于截面內(nèi)側(cè)的頂力，且外側(cè)的頂力相對變化較大，因為截面外側(cè)直接與土體接觸，受到較大的側(cè)摩阻力，頂管內(nèi)側(cè)應(yīng)力由外側(cè)傳遞形成，管節(jié)設(shè)計時，可將管節(jié)內(nèi)外側(cè)按照不同強(qiáng)度設(shè)計。

（2）隨著頂管不斷地向前頂進(jìn)，內(nèi)力在不斷變化，表明管節(jié)所受側(cè)摩阻力在不斷變化，即當(dāng)頂管頂程一定時，頂力并不是定值。

（3）對比管節(jié)各部位內(nèi)力變化可發(fā)現(xiàn)：管節(jié)底部內(nèi)力大于頂部內(nèi)力，頂部內(nèi)力大于兩側(cè)內(nèi)力，這與管節(jié)各部位所受土壓力正相關(guān)，即所受土壓力大的部位，相應(yīng)的所受側(cè)摩阻力大，相應(yīng)的內(nèi)力大，頂力也較大。

4 結(jié)束語

本文通過對頂管施工過程中地表沉降及頂管內(nèi)力監(jiān)測，得出了以下結(jié)論：

（1）頂管軸線處地表位移大于兩側(cè)地表位移，且兩側(cè)位移基本相同；頂管施工時掌子面處受到刀盤的擠壓扭轉(zhuǎn)，掌子面上方地表呈現(xiàn)上浮情況；頂管機(jī)后方地表呈現(xiàn)下沉趨勢。

（2）當(dāng)頂管機(jī)機(jī)頭出現(xiàn)“低頭”（頂管機(jī)機(jī)頭下沉），通過安裝在尾部的千斤頂進(jìn)行糾偏，糾偏過程中會使得已施工段地表整體上浮。

（3）頂管頂進(jìn)完成后，管-土之間注入的觸變泥漿因固結(jié)體積減小，頂管上側(cè)地表下沉，后期通過水泥漿置換泥漿，填充土體與管節(jié)之間的縫隙，土體會上浮。

（4）通過對管節(jié)內(nèi)力監(jiān)測可知：管節(jié)同一位置外側(cè)內(nèi)力大于內(nèi)側(cè)內(nèi)力，管節(jié)設(shè)計時可以依據(jù)其內(nèi)力分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

（5）頂程一定時，頂力不是定值；對比管節(jié)各部位內(nèi)力變化可發(fā)現(xiàn)：管節(jié)底部內(nèi)力大于頂部內(nèi)力，頂部內(nèi)力大于兩側(cè)內(nèi)力，表明頂進(jìn)時底部所需頂力大于頂部所需頂力，頂部所需頂力大于側(cè)墻。