矩形頂管管節內力變化及地表沉降規律分析

周載延 何 燕 陳俞嘉

（西南科技大學，四川 綿陽 621000）

0 引言

隨著我國城市化進程的加快，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，無法進行大規模的開挖施工。頂管是一種較為成熟的非開挖技術，相較于盾構法施工具有工藝簡單、速度快、成本低等優點，適用于短距離施工，被廣泛應用于市政管線工程。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。

盾構施工時在盾構機處安裝管片，后續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井處通過千斤頂將每節頂管持續頂入土體，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注的問題。

現有的頂力現場研究多是采集頂力隨頂程變化的數據，通過對頂力數據的擬合得到頂力計算公式[2,3,4,5]，為頂力預估提供理論指導，未關注頂管施工時管節的內力變化規律，未能揭示管節內力與管節頂力的變化規律。鑒于此，本文通過在管節間安裝土壓力盒，監測施工時管節內力，通過對管節內力的分析闡述管節內力與頂力關系。

已有的針對矩形頂管施工對地表的影響規律研究、大多基于某一監測斷面位移沉降監測開展，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。但頂管頂進是一個持續過程，不僅要關注頂管某一截面地表沉降規律，還需對整個頂管頂進過程進行研究。基于此，本文通過監測頂管頂進過程中各監測點地表位移變化規律，闡釋頂管施工地表沉降變化規律。

1 工程概況

昆明軌道交通4號線菊華站位于官渡區菊華立交橋與昆河米軌黑土凹站東側，貴昆路與金馬路丁字路口處昆河米軌下方。共設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掘進施工。A號出入口頂進長度暫定46.0m，覆土深度約4.5m，頂進方向由東北向西南推進；B號出入口頂進長度暫定53.0m，覆土深度約5.0m，頂進方向由西南向東北推進，如圖1所示。

圖1 工程總平面圖

2 地表沉降規律研究

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行沉降監測，防止因頂管施工造成道路沉降過大危及行車安全，對B號出入口頂管監測布點如圖2所示，監測布點每隔8m間隔設置一列，起始監測點設在始發井樁基之外（DBC-B-10），每列設置三個監測點，其中第二個監測點設置于頂管軸線處，其余兩個監測點設置于頂管側墻內側。

圖2 B號出入口地表沉降監測點位布置圖

2.2 現場沉降處置措施

現場地勘表明，頂管結構上覆土依次為：素填土、細砂，頂管整體主要位于粉質粘土，頂管結構下部為粉砂。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，受擾動后強度將大幅降低，產生較大不均勻沉降，施工中難以控制土層沉降以及頂管機頭的的偏差控制。

針對菊華站富水軟土地層、工程地質復雜、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留注漿孔壓入改良土，實現主動控制地層沉降，避免地層沉降超標，保證施工安全，確保工程效益，具體情況如圖3所示。

圖3 現場人工高壓填土

2.3 沉降監測結果分析

頂進施工前13天，開始對頂管上方地表進行沉降監測。監測結果如下：

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

（2）圖4（a）為布置于始發井加固區的監測點位移隨時間變化曲線，從圖中可以看出，在開始頂進施工的前15d內，始發井處地表位移均很小，基本為零，第一節頂管頂進時，監測點處地表出現上浮，原因是頂管機刀頭會對土體擠壓扭轉。當頂管通過該監測點后，此處地表出現下沉，沉降值均在1mm左右，隨著頂管施工的不斷進行，位移均在2mm范圍內波動。

（3）隨著頂管的頂進，在第18日頂進（頂進8m）至9號監測布點，其地表沉降情況如圖4（b）所示，從圖中可以看出，此時地表出現上浮位移，當頂進施工過了該監測點，地表則出現了沉降位移，同樣，在頂進到達第8號及第7號監測點時，也出現一樣的現象。隨著頂管繼續頂進，發現管節及頂管機出現“低頭”現象，遂采取調整始發井處千斤頂頂力（頂鐵上側千斤頂力保持不變，加大下側千斤頂頂力），進行糾偏處理，故圖4（a）~（c）均在第25日出現了較大的上浮位移，經不斷糾偏后，頂管機及管節偏差減小，地表上浮位移逐漸減小。圖4（d）為第6號監測點，位于頂管糾偏段之后，因此頂管糾偏對其影響較小。到達第30日時整個頂管已全線貫通，但從圖中看出，地表繼續下沉，原因是施工時注入的觸變泥漿沉淀固結，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 監測點地表沉降-時間曲線

3 管節內力分布研究

3.1 內力監測

頂力是頂管施工中必須確定的一個重要參數，它直接影響工作井后背設計、管節的強度要求、中繼環的配置數量和間距，以及頂進設備的選擇。目前，一些文獻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、注漿工藝以及土質變化等因素對頂力的影響，所以導致各自適用條件并不明確，計算結果差異較大。

通過現場試驗，可獲得頂管工程中管節間頂力隨頂程變化規律的實測數據。掌握昆明地區地質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律，可進一步完善相關計算方法和施工工藝。現場通過在頂管管節間安裝土壓力盒，測試管節間的內力，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 內力測試結果分析

現場內力測試時，分別監測了不同頂進長度管節內力，圖6為安裝在第7節頂管后土壓力記錄的管節內力（前7節頂管頂力）隨頂進施工過程變化曲線。

圖6 管節內力隨頂進施工過程變化曲線

圖6中波峰為頂管頂進時監測到的內力，波谷為停機卸土時監測到的內力，由檢測結果分析可知：

（1）從曲線中可以看出，頂管截面上的頂力分布不均勻，截面外側的頂力總是大于截面內側的頂力，且外側的頂力相對變化較大，因為截面外側直接與土體接觸，受到較大的側摩阻力，頂管內側應力由外側傳遞形成，管節設計時，可將管節內外側按照不同強度設計。

（2）隨著頂管不斷地向前頂進，內力在不斷變化，表明管節所受側摩阻力在不斷變化，即當頂管頂程一定時，頂力并不是定值。

（3）對比管節各部位內力變化可發現：管節底部內力大于頂部內力，頂部內力大于兩側內力，這與管節各部位所受土壓力正相關，即所受土壓力大的部位，相應的所受側摩阻力大，相應的內力大，頂力也較大。

4 結束語

本文通過對頂管施工過程中地表沉降及頂管內力監測，得出了以下結論：

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

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

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

（4）通過對管節內力監測可知：管節同一位置外側內力大于內側內力，管節設計時可以依據其內力分布進行優化設計。

（5）頂程一定時，頂力不是定值；對比管節各部位內力變化可發現：管節底部內力大于頂部內力，頂部內力大于兩側內力，表明頂進時底部所需頂力大于頂部所需頂力，頂部所需頂力大于側墻。