大斷面矩形頂管隧道施工引起的地面沉降分析

李明宇，王 松，張維熙，吳 鵬

(1.鄭州大學 土木工程學院，河南 鄭州 450001；2.地下工程安全與質量控制河南省工程實驗室，河南 鄭州 450001；3.同濟大學 土木工程學院，上海 200092；4.鄭州航空工業管理學院，河南 鄭州 450046)

因矩形頂管施工對地面開挖影響小，矩形頂管隧道斷面利用率比圓形頂管隧道高20%[1]，近些年在城市過街通道、立交隧道、綜合管廊等工程中得到了廣泛應用。相應地矩形頂管隧道施工過程中引發的地面沉降問題也逐漸增多。文獻[2-6]等對各工程中地面沉降數據進行了分析，給出了相應的變化規律。文獻[7-8]通過數值模擬分析了矩形頂管隧道施工參數變化對地面沉降的影響規律。文獻[9-10]通過數值模擬分析了矩形頂管施工對地下管線和建筑物變形的影響。

上述文獻中大多數工程為單線隧道和管道工程，并且隧道寬度一般小于9 m，高度一般小于7 m，覆土厚度約為0.8D～1.1D(D為矩形頂管隧道等效為圓形頂管隧道后的隧道外徑)。本項目為鄭州市下穿中州大道的雙線矩形頂管隧道工程。2條矩形隧道斷面尺寸分別為7.5 m(高)×10.4 m(寬)和4.2 m(高)×6.9 m(寬)，覆土厚度分別為5.5 m和5.0 m。由于2條 矩形隧道的斷面尺寸較大，覆土厚度較淺，水平間距(僅2.5 m)又小，因此雙線隧道施工擾動對周圍環境的影響問題越發突出。本文總結和分析該工程施工中地面沉降規律，以期對類似工程中矩形頂管選型設計和施工參數優化提供參考。

1 工程概況

鄭州市下穿中州大道的矩形頂管隧道[11]分為3個 標段，分別為明挖基坑段、淺埋暗挖段和矩形頂管段。其中矩形頂管段下穿中州大道長110 m，2條隧道分別由大矩形頂管和小矩形頂管平行頂進完成。大頂管先行施工，100 d后小頂管開始施工。頂進速度：大頂管平均2 m/d，小頂管平均3 m/d。刀盤轉速：大刀盤0～0.94 r/min，小刀盤0～2.2 r/min。螺旋機最大出土量為520 m3/h，螺旋機轉速為1～16 r/min。頂力：大頂管約 107 350 kN，小頂管約 50 290 kN。出土量：大頂管每節約102 m3，小頂管每節約43 m3。

工程所處地貌單元為黃河一級階地，地勢平坦。隧道主要穿越粉土層和粉質黏土層。沿線勘探深度范圍內，孔隙潛水主要存在于粉土層中，地下水位埋深3.6～8.5 m；微承壓水主要儲存于粉砂與細砂層中，地下水位埋深15.0 m。

2 現場監測與結果分析

2.1 監測方案

隧道施工中采用Leica TC15全站儀對中州大道地面沉降進行監測。地面沉降監測點布設原則：沿矩形頂管掘進方向在隧道軸線上方對應地面上，每間隔5 m布設1個地面沉降監測點。沿矩形頂管掘進方向每間隔10 m布設1個監測斷面，一共布設了11個監測斷面，每個監測斷面上布設8個地面沉降監測點。地面沉降監測點布設如圖1所示。

圖1 地面沉降監測點布設示意

2.2 監測結果分析

2.2.1 橫斷面方向地面沉降影響范圍

3#監測斷面地面累計沉降曲線見圖2。可知：大、小矩形頂管隧道軸線上方地面累計沉降最大值分別為86，68 mm。由于2條隧道水平間距較小，大、小頂管隧道先后施工疊加擾動導致監測點(3-4，3-5)處地面沉降規律發生改變(見圖2(b)中橢圓區域)。

圖2 3#監測斷面地面累計沉降曲線

因每個監測斷面僅布設了8個測點，所獲得的地面累計沉降曲線并不完整，不能反映出大、小矩形頂管隧道施工擾動對地面沉降的實際影響范圍。為此，本文將2條隧道的矩形斷面等效為圓形斷面，并采用Peck公式[12]對2條隧道施工引起的地面沉降進行計算分析。

(1)

(2)

(3)

式中:x為距隧道軸線的水平距離，m；S(x)為x處地面沉降量，m；Smax為隧道軸線上方地面累計沉降最大值，m；i為地面沉降槽寬度系數，m；h為矩形頂管隧道軸線至地面的垂直距離，大、小矩形頂管隧道軸線至地面的垂直距離分別為9.25，7.10 m；D為隧道等效外徑，大、小頂管隧道等效外徑分別為9.96，6.08 m；n為冪函數指數，取0.5；H，L分別為隧道的高度和寬度，m。

根據GB 50308—2008《地鐵軌道交通工程測量規范》，計算中假定:當地面沉降監測點的累計沉降量不超過1 mm時，視為矩形頂管隧道施工未對該處地面變形產生影響。將該地面沉降監測點到矩形頂管隧道軸線上方地面沉降監測點的水平距離確定為矩形頂管隧道施工引起的地面沉降影響范圍。

通過計算得到地面累計沉降擬合曲線，見圖3。可知：①大矩形頂管隧道施工對地面沉降的影響范圍為14.6 m，約為大矩形頂管隧道寬度(10.4 m)的1.4倍或大頂管隧道等效外徑(9.96 m)的1.5倍；②小矩形頂管隧道施工對地面沉降的影響范圍為10 m，約為小矩形頂管隧道寬度(6.9 m)的1.5倍或小頂管隧道等效外徑(6.08 m)的1.6倍。該影響范圍與文獻[8]給出的地面沉降影響范圍(矩形隧道寬度的1.5倍)比較接近，但小于文獻[6]給出的地面沉降影響范圍(矩形隧道寬度的2.0倍)；③2條隧道疊加施工形成的地面沉降槽呈駝峰形。

圖3 地面累計沉降擬合曲線

2.2.2 縱斷面方向地面沉降影響范圍

以監測點3-4和3-5為例分析縱斷面方向地面沉降規律。

地面累計沉降時程曲線見圖4。可知，2條隧道從刀盤到達3#監測斷面到管節脫離機尾7 d沉降明顯，之后監測點3-4和3-5處地面沉降趨于穩定。在大、小矩形頂管隧道施工過程中，地面沉降分為刀盤到達前、盾殼通過和管節脫離機尾后3個階段。第1階段：為了減小后期沉降量，往往通過調整土倉壓力使切口處地面微隆起。而本工程施工時土倉壓力設置較小，導致大頂管刀盤到達3#監測斷面時地面發生沉降，而小頂管刀盤到達3#監測斷面時地面隆起較嚴重。第2階段：為了減小殼體與周圍土體的摩擦，將頂管機殼體設計為倒錐形，前殼與后殼鉸接，后殼半徑比前殼小約2 cm，導致盾殼通過時周圍土體向殼體移動，進而引起地面沉降。第3階段：頂管機機尾建筑空隙為2 cm，施工中采取同步注漿(填充率150%)以減小頂進對地層的擾動，控制機尾地面沉降，然而由于前后殼鉸接處漏漿，無法保證同步注漿壓力，以致2條隧道管節脫離機尾時產生較大地面沉降。

圖4 地面累計沉降時程曲線

圖5 地面累計沉降與大、小頂管累計頂進距離關系曲線

地面累計沉降與大、小頂管累計頂進距離關系曲線見圖5。可知：①小矩形頂管刀盤距離監測點3-3 20.8 m時，開始對該點地面變形產生影響。小矩形頂管頂進施工對刀盤前方土體的擾動范圍約為小矩形頂管隧道寬度的3.0倍，小頂管隧道等效外徑的3.4倍。小矩形頂管機的機尾距離監測點3-3 29.2 m(約為小矩形頂管隧道寬度的4.2倍，小頂管隧道等效外徑的4.8倍)時，地面沉降趨于穩定。②大矩形頂管刀盤距離監測點3-6 13.1 m時，開始對該點地面沉降產生影響。大矩形頂管頂進施工對刀盤前方土體的擾動范圍約為大矩形頂管隧道寬度的1.3倍，大頂管隧道等效外徑的1.3倍。大矩形頂管機的機尾距離監測點3-6 21.3 m(約為大矩形頂管隧道寬度的2.0倍，大頂管隧道等效外徑的2.1倍)時，地面沉降趨于穩定。

3 結論

通過對淺覆粉土中大小矩形頂管隧道疊加施工引起的地面沉降規律的分析，得到如下結論：

1)大、小矩形頂管隧道平行施工導致的地面沉降槽呈駝峰形，峰值點分別對應大、小矩形頂管隧道的軸線。

2)大矩形頂管隧道施工時，橫斷面地面沉降影響范圍約為大矩形頂管隧道寬度的1.4倍(大頂管隧道等效外徑的1.5倍)；小矩形頂管隧道施工時，橫斷面地面沉降影響范圍約為小矩形頂管隧道寬度的1.5倍(小頂管隧道等效外徑的1.6倍)。矩形頂管機管節脫離機尾7 d后地面沉降趨于穩定。

3)將頂管機殼體設計為倒錐形時，增加錐度可以有效減小頂管與周圍土體的摩擦力，但同時也會增大地面沉降。前后殼鉸接處漏漿和土倉壓力設置不合理也會導致地面沉降過大。

4)大矩形頂管頂進施工對刀盤前方土體的擾動范圍約為大矩形頂管隧道寬度的1.3倍，小矩形頂管頂進施工對刀盤前方土體的擾動范圍約為小矩形頂管隧道寬度的3.0倍。