南水北調(diào)中線磁縣段污水管下穿公路頂管施工地表變形規(guī)律

尹文強(qiáng)，劉世偉，*，屈春來(lái)，朱澤奇，王曉凡

(1. 河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，邯鄲 056000； 2. 中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071)

隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的深入，一大批地下通道和污水排放管道等工程廣泛發(fā)展[1]。頂管工法具有環(huán)保、安全和擾動(dòng)影響小等特點(diǎn)，在市政工程建設(shè)過(guò)程中廣泛應(yīng)用[2]。由于城市前期基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及城市空間的限制，使得這些工程施工中不得不下穿越既有建筑物或構(gòu)筑物，進(jìn)而導(dǎo)致地層和既有建筑物產(chǎn)生復(fù)雜變形，成為影響工程施工安全和亟須解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

中外研究學(xué)者針對(duì)此類問(wèn)題采用數(shù)值模擬、理論分析、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段進(jìn)行了諸多研究。如劉波等[3]以南京某地下步行通道為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)頂管施工可能引起的隧道及地表變形情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析；趙文等[4]基于彈性力學(xué)圓孔擴(kuò)張理論，提出了帶翼緣板圓形鋼管的管周塑性區(qū)計(jì)算公式；Shen等[5-6]、Cui等[6]、 Zhen等[7]從不同角度對(duì)頂管施工擾動(dòng)下得地表變形和深層土體變形規(guī)律進(jìn)行了研究分析；史培新等[8]研究了頂管頂力計(jì)算與評(píng)價(jià)方法；王斌等[9]對(duì)砂土和黏土條件下頂管施工擾動(dòng)度進(jìn)行了分析；李方楠等[10]提出考慮注漿壓力影響的頂管施工擾動(dòng)下的地層土體變形計(jì)算方法；潘偉強(qiáng)[11]依托上海14號(hào)線桂橋路站管幕段工程，對(duì)頂管頂進(jìn)施工過(guò)程地面沉降情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，并對(duì)水土分算或合算進(jìn)行討論；另有學(xué)者針對(duì)頂管施工擾動(dòng)下地層變形影響因素進(jìn)行了分析，揭示了深淺部地層變形機(jī)理[12-16]。不同于軟土地層、巖質(zhì)地層等均質(zhì)地層，砂礫石地層是由具有一定尺寸、高彈性模量的巖塊和低彈性模量的土體構(gòu)成的極端不均勻松散巖土介質(zhì)系統(tǒng)，致使地下結(jié)構(gòu)及圍巖土體的力學(xué)行為與變形規(guī)律呈現(xiàn)隨機(jī)性變化，尤其是在地下水豐富地區(qū)[17]。上述研究成果為頂管施工過(guò)程中地層變形研究提供了較好的技術(shù)范式和方法，然而對(duì)邯鄲西部地區(qū)，尤其是在南水北調(diào)中線磁縣段，砂礫石地層中頂管施工對(duì)地層變形的影響研究成果尚未有報(bào)道。

基于此，現(xiàn)以邯鄲西部磁縣污水管網(wǎng)下穿和諧大道為工程背景，采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)頂管施工過(guò)程中的地表及公路路面變形進(jìn)行研究，優(yōu)化理論預(yù)測(cè)計(jì)算參數(shù)，進(jìn)而修正地表沉降變形理論模型。以期相關(guān)研究成果為該地區(qū)其他工程建設(shè)提供技術(shù)和理論借鑒。

1 工程概況

和諧大道污水管道工程位于邯鄲市磁縣西部，離南水北調(diào)中線干線磁縣段約百米左右，頂管施工主要橫穿磁縣和諧大道，是污水管道網(wǎng)穿越南水北調(diào)中線干線配套工程，如圖 1所示。頂管工程管道直徑為1m，埋深約為6.13m，單個(gè)管節(jié)長(zhǎng)2m，厚度為0.1m，采用DN1000Ⅲ級(jí)鋼承口混凝土管，從工作井穿越到接收井長(zhǎng)度約為46m。

圖 1 工程區(qū)域概況Fig.1 Overview of the project area

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)勘察資料顯示，施工區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，具備粗礫石、中礫石占比較大，卵石群分段式密集的地質(zhì)特點(diǎn)。鉆孔揭露該區(qū)域地層巖性主要為：上第三系中新統(tǒng)湖積黏土巖、砂巖、礫巖、細(xì)砂，第四系中更新統(tǒng)下段冰磧泥礫、細(xì)砂。其中黏土巖厚度8.2～10.3m；砂巖厚度0.9～5.1m；礫巖與卵石互層，厚度2.5m；卵石粒徑一般為5～8cm，最大15cm，主要成分為石英砂巖，含量60%，充填砂質(zhì)，厚度1.8～5.6m；細(xì)砂厚度為5.5m左右；泥礫中卵石粒徑一般為5～8cm，最大15cm，主要成分為石英砂巖，含量約80%，泥質(zhì)包裹，夾細(xì)砂層，厚度3～5.2m；細(xì)砂厚度1.8～3.8m。和諧大道北側(cè)工作井開(kāi)挖揭露的地質(zhì)斷面顯示，頂管施工主要位于砂卵礫石地層中，且上覆存在含卵礫石的粉質(zhì)黏土和砂卵礫石地層互層現(xiàn)象，如圖 2所示。各地層的主要物理力學(xué)參數(shù)如表 1所示。由此可見(jiàn)，該工程區(qū)域內(nèi)地層屬于典型的砂礫石地質(zhì)條件，砂礫石地層觸變靈敏度較高，頂管下穿和諧大道施工過(guò)程中必然會(huì)對(duì)公路路面沉降變形產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響行車安全，因此有必要針對(duì)頂管施工過(guò)程中的地表變形進(jìn)行預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)控制。

圖 2 工作井開(kāi)挖揭露的地層斷面情況Fig.2 Stratum section exposed by working well excavation

表 1 地層物理力學(xué)參數(shù)Table1 Physical and mechanical parameters of formation

2 基于經(jīng)驗(yàn)公式的地表變形預(yù)測(cè)分析

Peck公式是預(yù)測(cè)地表沉降的主要經(jīng)驗(yàn)公式，眾多工程應(yīng)用表明其具有較高的可信度。Peck通過(guò)對(duì)大量實(shí)測(cè)地表沉降資料采用概率分析的方法得到了地表橫向的大致沉降曲線。

(1)

當(dāng)隧道直徑D一定時(shí)，地層體積損失率Vl和沉降槽寬度系數(shù)i是影響地表沉降變形結(jié)果的關(guān)鍵因素。其中： 地層損失率依賴于地層類型、地下水條件、施工工法、支護(hù)時(shí)機(jī)以及施工管控質(zhì)量等因素有關(guān)，通常依地區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)取值。大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)發(fā)現(xiàn)地層損失率的范圍在0.22%～6.9%，其中90%以上的數(shù)據(jù)在0.25%～1.5%[18]。

對(duì)于沉降槽寬度系數(shù)i估算方法研究成果較多，根據(jù)i值與地層土體內(nèi)摩擦角φ、隧道埋深z0以及隧道半徑R的相關(guān)關(guān)系，提煉總結(jié)得出以下經(jīng)驗(yàn)估算方法[19]。

(1)Knothe估算法

(2)

(2)Clough-Schmidt估算法

i=R(z0/2R)0.8

(3)

(3)O’Reilly估算法

i=Kz0

(4)

式(4)中：K為沉降槽寬度系數(shù)指數(shù)。

韓煊等[18]通過(guò)總結(jié)中國(guó)部分地區(qū)的不同地質(zhì)條件下隧道開(kāi)挖引起的地表沉降資料，給出了沉降槽寬度系數(shù)指數(shù)K建議取值，如表 2所示。關(guān)于邯鄲地區(qū)砂礫石地層地表沉降研究成果相對(duì)較少，臺(tái)灣地區(qū)與本工程區(qū)域地質(zhì)條件類似，根據(jù)工程類比思想，本文計(jì)算中沉降槽寬度系數(shù)取值為0.48。

表 2 中國(guó)部分地區(qū)沉降槽寬度系數(shù)指數(shù)建議值[18]Table2 Preliminary suggested values of settlement trough parameters in some areas of China[18]

表 3 地表最大沉降預(yù)測(cè)結(jié)果Table3 Prediction results of maximum ground settlement

假定本工程中地層體積損失率介于0.22%～6.9%，根據(jù)式(1)～式(4)可計(jì)算得出地表最大沉降量，如表 3所示。根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定可知，該工程范圍內(nèi)地表沉降量應(yīng)當(dāng)不超過(guò)20mm，可見(jiàn)該施工區(qū)域內(nèi)地層體積損失率控制在6.9%以內(nèi)均能滿足地層變形穩(wěn)定性要求。然而上述3種經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)于邯鄲地區(qū)的砂卵礫石地層中頂管施工影響預(yù)測(cè)研究成果不多，其適用性有待進(jìn)一步探討和優(yōu)化。

3 頂管施工誘發(fā)地表變形現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 監(jiān)測(cè)斷面與監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

考慮到試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確有效性與監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)密度有關(guān)，在工作井與接收井之間，每2m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，共23個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，依次為DJC1～DJC23。開(kāi)挖擾動(dòng)影響范圍約為4倍管道直徑，故每個(gè)斷面布設(shè)9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以管道軸線為中心向兩邊等間距分布，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距設(shè)置為1m，斷面監(jiān)測(cè)寬度為8m，如圖 3所示。

地表沉降采用水準(zhǔn)儀測(cè)量，頂管施工過(guò)程中，頂進(jìn)前方10m內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每30min測(cè)量一次，頂管結(jié)束后，每60min再測(cè)量一次，同時(shí)做好沉降量記錄，如圖 4所示。

圖 4 路面沉降觀測(cè)與記錄Fig.4 Observation and record of pavement settlement

圖 3 地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖Fig.3 Schematic diagram of ground settlement monitoring points

3.2 頂管施工地表沉降實(shí)測(cè)結(jié)果分析

3.2.1 頂管施工對(duì)地層變形擾動(dòng)影響分析

由于受到頂管直徑大小和地層條件的影響，該工況條件下頂管施工對(duì)地層變形影響具有“即時(shí)擾動(dòng)”特征，即頂進(jìn)工作面處地表變形量較大，而頂進(jìn)工作面前方范圍內(nèi)地層受擾動(dòng)影響相對(duì)較小。相比于定頂工作面前方地表變形量而言，定頂工作面處地表變形量呈現(xiàn)“跌落”式增加。

如圖 5所示，頂管施工頂進(jìn)2m時(shí)，DJC1斷面地表最大沉降值約為2mm，DJC2斷面地表最大沉降約為1mm，而斷面DJC3、DJC4和DJC5處地表沉降幾乎沒(méi)有變化；頂管施工頂進(jìn)6m時(shí)，斷面DJC2和DJC3的地表沉降與斷面DJC1地表沉降值幾乎達(dá)到同一水平，最大值為2～2.5mm，斷面DJC4和DJC5處地表沉降略有增大，但未超過(guò)1mm；頂管施工頂進(jìn)10m時(shí)，5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的地表沉降值幾乎達(dá)到同一水平，最大值在2.8mm左右；頂進(jìn)24m時(shí)，5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的沉降幾乎同步，最大沉降量約為3.5mm，基本已達(dá)到最大沉降水平，表明此時(shí)地表變形已趨于穩(wěn)定。

圖 5 頂進(jìn)過(guò)程不同監(jiān)測(cè)斷面的沉降量變化Fig.5 Settlement variation of different monitoring sections during jacking

3.2.2 地表變形累計(jì)沉降分析

頂管施工完成后，地表累計(jì)沉降變形情況如圖 6 所示。由圖6分析可知，沿管道橫斷面方向，地表沉降在1.5～4mm變化，頂管開(kāi)挖沉降量最大值均發(fā)生在軸線上方，距軸線水平距離越遠(yuǎn)沉降量越小；沿管道縱剖面方向，地表沉降變形相對(duì)較為穩(wěn)定，軸線處沉降量比兩側(cè)范圍內(nèi)沉降量大；和諧大道路面沉降相對(duì)較小，可能由于路面和路基相對(duì)剛度較大引起；當(dāng)?shù)竭_(dá)接收井時(shí)地表沉降略有增加。綜合地表沉降理論預(yù)測(cè)分析結(jié)果可知，該工程施工范圍內(nèi)地層體積損失率應(yīng)當(dāng)不小于2%。

圖 6 各監(jiān)測(cè)斷面地表沉降變化曲線Fig.6 Change curve of surface settlement of each monitoring section

圖 7 地表沉降實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析Fig.7 Contrast analysis of the measured and predicted results of surface subsidence

4 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的地表變形預(yù)測(cè)參數(shù)修正

4.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與已有理論預(yù)測(cè)對(duì)比

綜合上述分析，該施工工程區(qū)域內(nèi)的地層體積損失率選取為2%進(jìn)計(jì)算分析。由于O’Reilly 估算法形式簡(jiǎn)單、便于應(yīng)用，采用該方法對(duì)沉降槽寬度系數(shù)值進(jìn)行預(yù)測(cè)。同時(shí)，在計(jì)算過(guò)程中，選取DJC1、DJC6和DJC18三個(gè)典型斷面并采用Peck公式對(duì)地表沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，理論預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，如圖 7所示。由圖 7 分析可知，理論預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的變化規(guī)律基本一致，可見(jiàn)頂管下穿磁縣和諧大道施工擾動(dòng)影響下地表變形沉降規(guī)律符合高斯分布特點(diǎn)；采用Peck公式進(jìn)行地表沉降預(yù)測(cè)時(shí)，存在地層體積損失率Vl和沉降槽寬度系數(shù)i兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的取值問(wèn)題，對(duì)于兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，現(xiàn)有的估算方法預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果之間存在一定的差異，可能由于現(xiàn)有估算方法沒(méi)有考慮地下水滲流的影響，而該工程距離南水北調(diào)中線磁縣段較近，地下水較為豐富，對(duì)地表變形影響不可忽視，因此需要針對(duì)該類工況條件下的地層體積損失率Vl和沉降槽寬度系數(shù)i進(jìn)行修正。

4.2 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)模型修正

由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分布形式符合高斯分布，采用Gauss函數(shù)對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，獲得不同監(jiān)測(cè)斷面處的最大地表沉降量Smax和沉降槽寬度系數(shù)i。進(jìn)一步采用直接反演法得出地層體積損失率，采用O’Reilly 估算方法反演得出沉降槽寬度系數(shù)指數(shù)K的分布范圍。Gauss函數(shù)的形式為

(5)

式(5)中：y0、w、xc、A為Gauss分布函數(shù)中的常實(shí)數(shù)，其中y0、xc分別為Gauss分布函數(shù)中縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)修正項(xiàng)。

通過(guò)對(duì)比式(1)和式(5)的形式發(fā)現(xiàn)，由Peck公式預(yù)測(cè)的地表沉降最大值Smax和沉降槽寬度系數(shù)i可采用Guass函數(shù)參數(shù)表示為

(6)

此外，式(5)中的xc為地表沉降曲線的水平坐標(biāo)修正項(xiàng)。采用式(5)對(duì)監(jiān)測(cè)斷面DJC1～DJC15的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，模型參數(shù)回歸反演結(jié)果如表 4所示。依據(jù)“去大、去小、留中”的原則，對(duì)表 4中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，邯鄲西部磁縣地區(qū)采用頂管工法進(jìn)行地下通道施工時(shí)，最大地表沉降量變化范圍為3.02～3.52；地層體積損失率Vl的變化范圍1.82%～3.8%，平均為2.81%，地層損失率小于6.9%，地層變形滿足安全要求；沉降槽寬度系數(shù)指數(shù)K的變化范圍為0.28～0.57，平均為0.425，相比于韓煊等[18]研究建議值略小。

表 4 地表變形預(yù)測(cè)參數(shù)反演分析結(jié)果Table4 Inversion analysis results of surface deformation prediction parameters

采用上述回歸分析獲得的參數(shù)取值結(jié)果，對(duì)監(jiān)測(cè)斷面DJC16～DJC23進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析如圖 8所示。由圖8中分析可知，監(jiān)測(cè)斷面DJC16～DJC23的地表沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)全部位于模型預(yù)測(cè)結(jié)果上下限之間，平均預(yù)測(cè)結(jié)果與地表整體變形實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合。因此，在今后南水北調(diào)中線磁縣段砂礫石地層中進(jìn)行類似頂管工程施工時(shí)，建議地表沉降預(yù)測(cè)計(jì)算中沉降槽寬度系數(shù)指數(shù)取值為0.425，地層損失率取2.81%。

圖 8 修正模型驗(yàn)證Fig.8 Revised model verification

5 結(jié)論

(1)該工程地層體積損失率控制在6.9%以內(nèi)時(shí)，地表沉降變形均能滿足相關(guān)規(guī)程安全要求。

(2)該工況條件下頂管施工對(duì)地層變形影響具有“即時(shí)擾動(dòng)”特征，即頂進(jìn)工作面處地表變形量較大，而頂進(jìn)工作面前方范圍內(nèi)地層受擾動(dòng)影響相對(duì)較小，地表最大沉降量實(shí)測(cè)值位于2.5～4mm，在地表變形安全閾值范圍內(nèi)。

(3)南水北調(diào)中線磁縣段類似工況下進(jìn)行地表沉降預(yù)測(cè)時(shí)，建議地層損失率取值為2.81%，沉降槽寬度系數(shù)指數(shù)K取值為0.425。