上海地区某大口径矩形顶管施工周边环境影响监测分析

孙亚峰(上海市城市建设设计研究总院,上海 200125)

上海地区某大口径矩形顶管施工周边环境影响监测分析

孙亚峰∗
(上海市城市建设设计研究总院,上海 200125)

摘 要:顶管技术作为非开挖的技术中的一种,可以在不用开挖地表土的情况下将管道铺设完毕,具有其他开挖方式无可比拟的优点,其应用也越来越广泛。但是在顶管施工中,不可避免地会破坏管道周围土体原有的平衡,造成地面的沉降,对周边环境造成影响。相对于圆形顶管,矩形顶管对周围土体的扰动更大,从而引起的地面变形也更大。本文以上海市徐汇区某地下通道矩形顶管工程为背景,通过现场监测数据分析,得出了一些有益的结论。

关键词:矩形顶管;地面变形;监测

1　前 言

顶管施工是继盾构施工之后新发展起来的一种地下管道施工方法,它不需要开挖面层,并且能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等[1]。20世纪70年代初,矩形顶管技术首次成功运用于日本东京的地下联络通道中[2]。我国在这个领域研究和应用起步较晚,上世纪80年代初上海开始对矩形顶管的切削工具、正面的土压力平衡方式、出土方式、顶进系统及其配套系统进行研究,并于1999年4月在上海地铁二号线陆家嘴车站5号出入口地下人行通道工程中成功应用,顺利完成断面尺寸为2.5 m ×2.5 m、长度为60 m的矩形地下人行通道的施工,取得了显著的技术成果、经济效益和社会效益[3]。到目前为止,顶管施工随着城市建设的发展已经越来越普及,应用的领域也越来越宽。近来运用到双层隧道、过街人行地道、地铁车站进出口的连通道、城市地下管线共同沟、引水和排水管道工程等许多管道的施工中。

顶管施工作为一种地下开挖方法,不可避免地造成地面和地下土体的移动、沉降和位移[4]。根据对工程实例的总结,地面沉降是危及周边建筑和设施的主要因素。因此,采用顶管法施工,为了避免对周边建筑物、管线、道路、风景区等的破坏,必须严格控制地面沉降量。矩形顶管与圆形顶管相比,在施工时引起的地面沉降更大。因此,研究矩形顶管施工时对土体的扰动规律以及导致的地面沉降规律对于减小矩形顶管施工时对城市重大工程和构筑物如地铁、隧道、市政管线、建筑物的影响,同时减少施工中对城市居民生活的影响,最大限度的保护城市环境,有极其重要的作用。

2　概 况

2.1工程概况

本工程为上海市徐汇区J-4、W-2地块基础性开发(地下通道)工程,位于上海市徐汇区规划四路与龙耀路之间的云锦路西侧30 m～50 m绿化带下,主要分为:J-4、W-2地块地下空间和连接W-1与X-1地块的地下通道两部分。本次施工范围主要是连接W-1地块与X-1地块过街通道顶管和相应两端的工作井。其中,过街顶管长44.6 m,外壁尺寸为6.9 m ×4.2 m(宽×高),管顶埋深3.5 m;工作井分为始发井和接收井,分别位于云锦路的西侧和东侧,始发井外壁尺寸为10.2 m×11.2 m,接收井外壁尺寸为7.2 m ×11.2 m,两工作井深度均为9.15 m。

2.2工作井及过街通道支护形式

工作井采用SMW工法桩围护,工法桩插入深度19.155 m,内设三道支撑,其中第一道为钢筋混凝土支撑,第二、第三道为钢支撑;过街通道为矩形(6.9 m×4.2 m),采用顶管形式施工。

2.3场地工程地质及周边环境

根据勘察报告,勘探深度内的土层可分为6个大层,场地地基土分布如下:

(1)第①1层填土,填土厚度一般为0.8 m ～2.5 m。(2)第①2层淤泥,见于河浜处,厚度0.4 m ～1.2 m。(3)第②1层褐黄～灰黄色粉质黏土,平均厚度1.20 m,可塑～软塑状,中压缩性,土质较好。(4)第②3A层灰黄～灰色砂质粉土,厚度0.8 m ～3.7 m,平均厚度1.95 m,松散状,中压缩性。(5)第②3层灰黄～灰色砂质粉土,厚度1.0 m～6.6 m,稍密状,中压缩性。(6)第③、④层淤泥质黏性土,分布稳定,组合厚度在14.0 m～18.0 m。(7)第⑤1层灰色黏土,高压缩性, 2.8 m～6.8 m。(8)第⑤3层灰色粉质黏土夹粉砂,厚度1.7 m～15.8 m。

场区浅部土层潜水水位埋深为0.30 m ～1.60 m,潜水水位受降雨、地表水的影响而变化。

本工程顶管所穿越的云锦路段下埋有已建成的11号线的区间隧道。该段区间隧道为盾构施工圆隧道,上下线分离,隧道外径6.2 m,管片厚度为350 mm。顶管穿越处区间隧道上、下行线隧道顶面埋深均约为10.7 m,顶管在区间隧道上方横跨,外壁距隧道最小净距为3.0 m。顶管始发井靠近上行线,最近处距离约为12.8 m;顶管接收井靠近下行线,最近处距离约为12.0 m。

顶管上方埋有一根φ1 000雨水管及2根电力排管,其中雨水管管内底距顶管外壁约为0.46 m。另外,在接收井东侧还有一根电力排管通过,距接收井外壁最近距离约1.5 m。

3　现场监测

3.1监测目的

地下工程施工往往因其地质条件复杂、建设周期长、施工困难、设计计算理论尚不完善等诸多方面的因素,在建设过程中会出现难以控制的工程风险情况[5]。为确保工程安全施工,对施工全过程进行实时、有效的监测,能够及早发现事故苗头,杜绝事故隐患,使工程处于一个安全可控的状态。这对于保证工程质量和基坑的施工安全具有极其重要意义;同时可为后续类似工程提供参考资料,积累宝贵经验[6]。

本地下工程(深基坑及过街通道)系在地铁上方仅3 m处进行,施工绝对不能盲目进行,必须在“监测”这双眼睛下有序的进行,从而有效地保护地铁及工程本身的安全和施工的顺利完成。

3.2测点布置

根据相关规范的规定及本工程的特点,本工程监测内容如下:(1)周边市政管线垂直位移及水平位移监测; (2)顶管上部地表沉降监测;(3)工作井围护墙顶垂直位移及水平位移监测;(4)工作井围护墙体变形(测斜)监测;(5)坑外土体深层水平位移(测斜)监测;(6)工作井基坑支撑轴力监测;(7)工作井坑外潜水位监测。

周边市政管线监测点间距控制在15 m左右,共布设了14个监测点,其中雨水管测点5个,编号为Y1 ～Y5;污水管测点3个,编号为W1～W3;电力电缆测点6个(每组电缆布设3点),编号为D1～D6。顶管从地铁盾构顶部3 m处穿越,为了解顶管施工引起的地表沉降,沿顶管穿越轴线,以10 m间距布置地表沉降观测点,数量为5个,编号为T1～T5。

4　监测数据与分析

4.1周边环境监测数据汇总

(1)周边市政管线垂直位移监测

将各监测点在不同时期的沉降量整理成表1,从表中的数据可以看出,各监测点最终均表现为下沉。其中,在顶管线路正上方的监测点沉降量较大,如Y3、W2、D2、D5等,最终沉降量基本在-50 mm～-70 mm左右;其余监测点的沉降量相对较小,基本在-15.0 mm以内。在工作井施工期间,各监测点沉降量较小,截止工作井底板浇捣完毕,各监测点平均沉降量仅为-3.74 mm;到顶管顶进施工前1天,各监测点平均沉降量为-8.67 mm;在顶管顶进完毕及管外注浆结束后,各监测点平均沉降量为-25.40 mm。由此可见,顶管施工对各监测点影响较大,顶管顶进过程中,由于对周边土体扰动较大,且在局部区域产生一定程度的地下土体损失,造成其附近的市政管线、地表产生明显的沉降现象,且沉降趋势还有一定的滞后反应,后经过管外注浆施工,各监测点沉降趋势明显趋缓,并逐渐趋于稳定。最终周边管线沉降量基本在-3.3 mm～-74.4 mm之间,平均沉降量为-27.16 mm,大部分监测点最终沉降量超出警戒值范围(日变量≤±3 mm、累计变量≤±10 mm)。

周边管线位移监测点在不同时期的累计沉降量 表1

(2)顶管上部地表沉降监测

将地表沉降监测点在不同时期的沉降量整理成表2,从表中的数据可看出,各监测点在整个施工期间基本表现为下沉,且沉降量较大。地表沉降监测点均布设在顶管线路的正上方,顶管顶进时对土体扰动较大,沉降量最大的监测点为T1,其最终沉降量为-129.4 mm,其余监测点沉降量基本在-60 mm ～-80 mm之间,平均沉降量为-10.68 mm,各监测点最终沉降量均超出警戒值范围(日变量≤±2 mm、累计变量≤±23 mm)。

地表沉降监测点在不同时期的累计沉降量 表2

4.2周边环境监测结果分析

为了解各周边管线监测点垂直位移变化的具体过程,选择具有代表性的监测点Y3、W2、D2、D5等(位于顶管线路正上方,沉降量较大),绘制其垂直位移变化过程曲线(如图1～图4所示),从图中可以看出:在工作井SMW工法施工期间,各监测点沉降量很小;在工作井开挖期间,靠近基坑的部分监测点沉降量较大,如D5等,在底板浇捣完毕前,其沉降量为-11.5 mm;在接下来的顶管施工过程中,各监测点沉降趋势明显加快,在短短十几天的时间内,在顶管线路正上方的监测点,其沉降量可达-50 mm左右;后经过管外注浆,各监测点略有上抬,并逐渐区域稳定。最终Y3、W2、D2、D5等监测点沉降量分别为: -58.3 mm、-77.4 mm、-62.3 mm、-67.5 mm,大大超出警戒值范围(日变量≤±3 mm、累计变量≤±10 mm)。

图1　Y3监测点垂直位移变化过程曲线

图2　W2监测点垂直位移变化过程曲线

图3　D2监测点垂直位移变化过程曲线

图4　D5监测点垂直位移变化过程曲线

为了解顶管轴线上地表监测点垂直位移变化的具体过程,选择具有代表性的监测点T1,绘制其垂直位移变化过程曲线(如图5所示),从图中可以看出:在工作井SMW工法施工期间,该监测点沉降量很小;在工作井开挖期间,该监测点略有沉降,但沉降量较小,在顶管顶进施工前,其沉降量为-10.9 mm;但在接下来的顶管施工过程中,其沉降趋势明显加快,在短短十几天的时间内,其沉降量最大达-133.3 mm;后经管外注浆,该监测点略有上抬,并逐渐趋于稳定。最终该监测点的沉降量为-129.4 mm,超出警戒值范围(日变量≤±2 mm、累计变量≤±23 mm)。

图5　T1监测点垂直位移变化过程曲线

5　结 论

由图1～图5可知,工作井施工期间周边环境变形较小,而随着顶管的推进,顶管周边环境变形较大,而且地表土体的变形规律非常复杂。因此,顶管施工引起的土体变形大小不仅取决于顶管施工的参数,还取决于建(构)筑物的刚度和位置,顶管施工对距离顶管较远处影响较小,产生地面沉降或隆起的根本原因是顶管施工对周围土体的扰动。顶管推进过程中产生的地面变形由5个部分组成,包括顶管到达前的地面变形、顶管到达时的地面变形、顶管通过时的地面变形、顶管通过后的地面变形和受扰动土体再固结引起的地面变形。

参考文献

[1] 王承德,顶管[M].北京:中国建筑工业出版社,1986.

[2] 林强强.矩形顶管引起地面变形的实测分析与控制研究[D].同济大学硕士学位论文,2008.

[3] 戚惠峰.软土地区顶管施工对周边环境的影响分析[D].大连理工大学硕士学位论文,2009.

[4] 魏纲,陈春来,余剑英.顶管施工引起的土体垂直变形计算方法研究[J].岩土力学,2007,28(3):619～624.

[5] 罗筱波,周健.多元线性回归分析法计算顶管施工引起的地面沉降[J].岩土力学,2003,24(1):130～134.

[6] 魏纲,徐日庆,屠玮.顶管施工引起的土体扰动理论分析及试验研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(3):476～482.

Analysis of the Surrounding Environment Influence Caused by Rectangular Pipe Jacking Construction in Shanghai

Sun Yafeng
(Shanghai Urban Construction Design and Research Institute,Shanghai 200125,China)

Abstract:As one of Trench less Technology,Pipe jacking has the unparalleled advantage of finishing pipeline laying without excavating surface soil,and has become widely used.However,pipe jacking will inevitably break the original soil balance around the pipe,leading to land subsidence and affect buildings surrounded,even endangers their safety.Relative to circular pipe jacking,rectangular pipe jacking construction may disturb the soil more heavily and cause more surface deformation.This thesis based on the rectangular pipe jacking construction project of Shanghai Xuhui District underground passage.Through on-site monitoring data analysis,some useful conclusions are obtained.

Key words:rectangular pipe jacking;surface deformation;monitoring

文章编号:1672-8262(2015)01-165-04中图分类号:TU196,TU433

文献标识码:B

收稿日期:∗2014—10—22

作者简介:孙亚峰(1983—),男,硕士,工程师,从事基坑监测、工程检测、工程测量等工作。

基金项目:上海市国资委企业技术创新和能级提升项目(2014YK00100)