馮棟梁

（上海市市政工程建設(shè)發(fā)展有限公司，上海市 200025）

0 引言

矩形頂管斷面空間有效利用率高，對(duì)節(jié)約地下空間資源、提高地下空間利用率具有十分重要的意義。因此，在地下空間資源緊張的城市核心區(qū)，矩形頂管往往具有較強(qiáng)的適用性。20 世紀(jì)90 年代末，該工法在上海地鐵2 號(hào)線陸家嘴站5 號(hào)出入口地下人行通道工程中首次成功應(yīng)用[1]。隨后，在國(guó)內(nèi)地鐵車站出入口通道[2-7]、過街人行地道[8，9]等許多工程中得到了應(yīng)用。

近年來，隨著超大斷面矩形頂管技術(shù)的發(fā)展，矩形頂管在城市地下通道建設(shè)中也得到了應(yīng)用。矩形頂管的發(fā)展呈現(xiàn)出斷面越來越多、頂進(jìn)距離越來越長(zhǎng)的趨勢(shì)。矩形斷面與圓形斷面相比，在施工時(shí)對(duì)周邊環(huán)境影響更為顯著，尤其在城市核心區(qū)內(nèi)，要重點(diǎn)關(guān)注矩形頂管施工引起的土體沉降問題。Peck 公式[10，11]以其經(jīng)驗(yàn)性和實(shí)用性在地下工程沉降預(yù)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。目前，超大斷面矩形頂管長(zhǎng)距離穿越案例較少，對(duì)其土體沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)還不多，Peck 公式用于其沉降預(yù)測(cè)的可靠性需進(jìn)一步驗(yàn)證。

本文結(jié)合上海某頂管工程，分析了大斷面矩形頂管施工引起的地表沉降，并對(duì)應(yīng)用Peck 公式進(jìn)行矩形頂管沉降預(yù)測(cè)進(jìn)行了探討。

1 工程概況

上海某地下車行通道工程，其中穿越合流污水箱涵段采用超大斷面矩形頂管技術(shù)實(shí)施。如圖1 所示，該頂管為雙線頂管，長(zhǎng)度163 m，斷面尺寸9.8 m×6.3 m（長(zhǎng)×高），兩根頂管等標(biāo)高，水平凈距3.4 m，頂管覆土厚度約12 m。頂管主要下穿構(gòu)筑物為：9.85 m×4.3 m（長(zhǎng)×寬）合流污水箱涵，最小垂直凈距約4.2 m；上部已建地下通道，最小垂直凈距約3.4 m。

圖1 頂管及周邊環(huán)境平面圖（單位：m）

頂管通道土層分布自上而下分別為②1層粉質(zhì)黏土夾粉質(zhì)粉土、②3-1層粉質(zhì)砂土、②3-2層粉砂、③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④層淤泥質(zhì)黏土、⑤1層粉質(zhì)黏土。其中，頂管主要穿越②3-1層粉質(zhì)砂土、④層淤泥質(zhì)黏土。主要土層參數(shù)見表1。

表1 主要土層物理參數(shù)

頂管穿越范圍內(nèi)為潛水，離地面-1.5～0.3 m，年平均地下水水位埋深離地面-0.7～0.5 m。

頂管始發(fā)井和接收井洞門設(shè)置三軸攪拌樁進(jìn)出洞加固，寬度9 m。針對(duì)頂管穿越主要土層（②3-1層粉質(zhì)砂土）流動(dòng)性較強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)穿越箱涵范圍內(nèi)采用了綜合性加固方案。在箱涵和支管底部進(jìn)行MJS加固托襯，并在穿越箱涵范圍采用雙軸攪拌樁等加固工藝形成頂管隔離倉，減少土層液化時(shí)對(duì)周邊環(huán)境的影響范圍。

2 地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 頂管施工引起的地表縱軸線沉降分析

圖2、圖3 分別為東線、西線頂管軸線的地表沉降曲線?？梢钥吹剑?/p>

圖2 東線頂管軸線地表沉降曲線

圖3 西線頂管軸線地表沉降曲線

（1）進(jìn)出洞加固、箱涵加固對(duì)減少頂管擾動(dòng)效果明顯。箱涵范圍、已建上部通道區(qū)域由于既有結(jié)構(gòu)存在，對(duì)頂管擾動(dòng)產(chǎn)生隔離效果，相關(guān)區(qū)域地表變形顯著減小。

（2）在未加固區(qū)域，試驗(yàn)段最大沉降量大于正常頂進(jìn)段沉降量，沉降隨頂進(jìn)距離而發(fā)展，體現(xiàn)了頂管施工工藝特點(diǎn)。

（3）東線、西線地表沉降最大點(diǎn)均位于試驗(yàn)段5號(hào)（E5、W5）監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近，E5 點(diǎn)最大沉降約29.3 mm（頂進(jìn)里程137 m，此時(shí)已趨于穩(wěn)定），W5 點(diǎn)最大沉降約21.0 mm。

2.2 地表沉降隨頂進(jìn)里程變化分析

圖4 為E5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降隨頂進(jìn)里程變化曲線。地層損失產(chǎn)生的主要階段發(fā)生在切口到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)至盾尾離開監(jiān)測(cè)點(diǎn)這一過程，其后在泥漿套減摩和保壓作用下，沉降趨于穩(wěn)定。因此，在矩形頂管施工中，擾動(dòng)最大的過程為機(jī)頭穿越過程。其后隨著管節(jié)推進(jìn)持續(xù)對(duì)土體進(jìn)行擾動(dòng)，但在泥漿套作用下，管節(jié)推進(jìn)帶來的土體擾動(dòng)可達(dá)到穩(wěn)定值。

圖4 東線E5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降隨頂進(jìn)里程變化曲線

2.3 頂管施工引起的地表橫剖面沉降分析

選取東線、西線地表沉降變化最大點(diǎn)的橫剖面進(jìn)行地表橫剖面沉降分析。圖5 是E5（里程為18 m）監(jiān)測(cè)點(diǎn)剖面在不同工況下的沉降曲線。圖中5 條曲線分別為頂管切口到E5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)前（12.344 m）、切口到達(dá)E5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)（18.409 m）、機(jī)尾到達(dá)E5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)（27.543 m）、切口到達(dá)36.278 m 及頂管切口到達(dá)149.451 m 五種工況下的地表剖面沉降曲線。頂管穿越前，正面土壓力控制較好，地表略有沉降；自18.509～27.543 m 為頂管機(jī)身穿越階段，沉降量較大，最大沉降24.44 mm。頂管穿越后，管片在減摩泥漿的減摩和保壓作用下，頂進(jìn)擾動(dòng)較小，地表沉降呈現(xiàn)出逐漸收斂態(tài)勢(shì)，最大沉降29 mm。

圖5 東線E5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)剖面沉降曲線

圖6 為W5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)和E5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表剖面沉降曲線。沉降曲線均呈現(xiàn)沉降槽變形模式，在頂管軸線位置沉降量最大，距離軸線越遠(yuǎn)，沉降量逐漸減小，沉降槽寬度均為30 m，且不隨沉降量變化而變化。

圖6 W5、E5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)剖面沉降曲線

3 Peck 公式在超大斷面矩形頂管沉降預(yù)測(cè)應(yīng)用的探討

矩形頂管施工引起地表沉降與頂管斷面、深度、長(zhǎng)度、施工工藝、地質(zhì)條件等多方面因素有關(guān)，特別是施工工藝參數(shù)具有較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性。Peck 公式是在總結(jié)了大量隧道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上提出的，其所參考的實(shí)測(cè)資料以圓形隧道為主，在矩形頂管中的應(yīng)用需要進(jìn)一步通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

Peck[10]提出，在不排水條件下，地表變形由地層損失引起，沉降槽體積即地層損失體積，地表沉降槽近似高斯曲線分布，并給出了地面沉降預(yù)測(cè)的Peck公式，表示如下：

式中：Sx為距離隧道中線為x 處的地表沉降量，mm；Smax為隧道中線上方的地表沉降量，mm；x 為距離隧道中線的距離，m；i 為沉降槽的寬度系數(shù)，m；Vs為沉降槽面積，m2。

3.1 關(guān)于沉降槽寬度系數(shù)取值的探討

沉降槽寬度的取值除與土層條件直接相關(guān)，還受到隧道埋深和尺寸因素的影響。其中，隧道尺寸影響往往在淺埋、 超淺埋情況下較明顯（z0/D ＜1.0～1.5，z0為隧道中心埋深，D 為隧道直徑），本工程等效z0/D =1.7，屬于一般埋深。因此，剔除隧道尺寸因素的影響，僅考慮埋深。韓煊、李寧等[11]搜集了上海地區(qū)6 個(gè)樣本，給出了i=0.5z0的建議值。結(jié)合本工程實(shí)測(cè)情況和矩形頂管地層損失集中在頂部的特點(diǎn)，建議z0取實(shí)際埋深，則i=6 m。沉降槽寬度為5i=30 m，與本工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較吻合。

3.2 關(guān)于地層損失取值的探討

矩形頂管地層損失與工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、頂管尺寸、頂管機(jī)性能、泥漿套性能、施工工藝參數(shù)、施工管理水平等多種因素有關(guān)，經(jīng)驗(yàn)性、離散性較強(qiáng)。東線最大沉降29.47 mm，沉降槽面積Vs=0.442 m2，頂管截面積55.78 m2，則地層損失比為0.79%。西線最大沉降21 mm，最大地層損失比為0.55%。后續(xù)同類項(xiàng)目可參考進(jìn)行土體沉降估測(cè)。

4 結(jié)語

（1）合理采用土體預(yù)加固措施可顯著降低頂管施工對(duì)于土體擾動(dòng)影響，從而保證頂管穿越構(gòu)筑物的安全。

（2）矩形頂管施工過程中，機(jī)頭穿越階段擾動(dòng)影響最大。在頂管機(jī)設(shè)計(jì)制造過程中應(yīng)充分考慮全斷面切削、同步注漿、改良孔、間隙等措施，減少機(jī)頭穿越期間引起的沉降。同時(shí)可考慮穿越前控制切口前方土體微隆起狀態(tài)的沉降控制策略，降低最終沉降量。在管節(jié)持續(xù)推進(jìn)過程中，泥漿套的保壓、減摩性能至關(guān)重要。在其作用下，管節(jié)持續(xù)移動(dòng)帶來的影響可達(dá)到穩(wěn)定收斂狀態(tài)。

（3）在一般埋深、深埋情況下，頂管外形、尺寸對(duì)沉降槽影響較小，Peck 公式依然適用于矩形頂管沉降預(yù)測(cè)，在淺埋情況下的適用性有待進(jìn)一步探討。本次兩根頂管地層損失比分別約為0.79%、0.55%，可供后續(xù)同類工程進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)時(shí)進(jìn)行參考。