土压平衡矩形顶管施工引起的地表沉降规律研究*

李 达，孔 恒，郭 飞，王雅建，李明浩，许有俊

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2.北京市道路工程质量监督站，北京 100076；3.北京市政建设集团有限责任公司，北京 100048；4.内蒙古科技大学 土木工程学院，内蒙古 包头 014010)

0 引言

近年来，矩形顶管技术[1]开始运用于地铁车站、过街地下通道、下穿城市道路的隧道、地下综合管廊[2]、城市地下商业空间开发以及城市地下空间[3]的互联互通等工程中，采用该种技术修建的隧道具有断面面积利用率高、不中断地面道路交通、避免各类地下管线的拆迁等优点，代表着未来城市中短隧道工程修建技术的发展方向[4]。

大断面矩形土压平衡顶管顶进施工[5]，不可避免地造成隧道周围土体的扰动，引起地层变形[6]，而过度的地层变形，将对隧道周围环境造成危害，甚至可能引发工程安全事故。近年来，发生了多起矩形顶管施工引起的地表塌陷事故[7]，分析其中原因，主要是由于针对该种施工方法条件下土体扰动机理及地层变形规律[8]认识不清导致。

矩形土压顶管法与圆形顶管法、盾构法均有相似之处。与圆形顶管相比，矩形顶管隧道断面更大，埋深更浅，地层成拱效应差；与盾构法相比，矩形顶管管节顶进过程中产生对周围土体的水平摩阻力，为减少这种水平摩阻力，通常在管节与地层之间设置减摩泥浆套，同时，为实现全断面切削，矩形顶管机通常配置多个刀盘数，螺旋排土器通常为2个，导致控制参数增多[9]，再者，矩形顶管机的动力推进系统始终固定在始发井，不随管节的顶进而前进，传力路径越来越长，导致矩形顶管机的控制难度增加与效率下降。

目前，针对盾构隧道与圆形顶管隧道施工引起的地表沉降特性研究较多，对矩形顶管施工扰动地层变形方面的研究较少[10]，故本文基于MIDAS-GTS有限元软件的分析方法对矩形顶管施工引起的地表沉降变形规律进行分析和研究，并在此基础上提出矩形顶管的适用范围，相关结果可为矩形顶管施工的安全保障提供参考和借鉴。

1 地表沉降影响因素分析

矩形顶管施工过程中，引起地表变形的影响因素主要包括：顶管机的施工参数与地层结构特性。其中，施工参数主要包括：开挖面支护压力、刀盘扭矩、刀盘转速、螺旋机转速、顶力、顶进速度、减摩泥浆套质量、注浆压力等，不同施工参数的选取，最终表现为矩形顶管与土体之间的相互作用；而以地层结构特性为研究对象，矩形顶管施工引起的周围土体的影响主要包括：开挖面的支护压力、侧摩阻力、超挖引起的地层损失、注浆压力等，如图1所示。

图1 矩形顶管顶进对周围土体作用力Fig.1 The force on the surrounding soil of rectangular pipe jacking

此外，除上述顶管施工引起地面变形的影响因素之外，还有一些影响相对较小的情况，如由于顶管机及后续管节的自重而下沉，此种情况在通道下着土质较软的施工中影响较大；而背土、超挖、地下水位的变化均对地面沉隆有一定的影响。

综上所述，开挖面支护压力、地层摩阻力以及地层结构作为影响矩形顶管施工中沉降变形的主要因素，其对工程施工的影响机理有待进一步研究。因此，本文结合数值模拟及实际工程，详细分析上述因素作用下的沉降变形规律，以期对类似工程提供数据支撑和理论基础。

2 数值模拟在顶管施工中的应用

采用MIDAS-GTS有限元软件，建立三维地层结构模型。根据研究需要，选取合适模型，模型除地表为自由面外，其余各面均施加法向位移约束。根据实际情况，输入相关参数，模拟实际施工环境，详述如下。

1)初始应力场模拟。釆取在土体内部加上自重荷载属性，同时在相关模型边界施加一定的面荷载，如路面超载，以求得地应力场。

2)顶推力模拟。顶推力模拟可等效于工作面附加应力作用在工作面前方土体，其值可通过实际开挖过程中的开挖面支护压力值确定，为简化计算，通过在开挖面施加均布力考虑。

3)摩阻力模拟。在对侧摩阻力模拟时，可将顶管受到土体对其的侧摩阻力简化为均匀分布在顶管管壁侧面的剪切力。

4)注浆模拟。通过改变间隙土材料属性的方式来对注浆进行模拟，在注浆施工阶段，改变间隙土属性为预先设置好的浆液属性即可。

5)通过钝化开挖土单元，激活顶管机和管节等相关单元，如此往复循环来模拟连续顶进过程。

6)根据实际情况，输入详细计算参数，进而分析各影响因素下的沉降情况。

3 工程案例分析

为了更好地分析矩形顶管施工中开挖面支护压力、地层摩阻力以及地层结构对地表沉降变形的影响，本文结合广西南宁市轨道交通1号线南湖站Ⅰ号过街通道矩形顶管施工进行详细分析。

3.1 工程简介

南宁市轨道交通1号线一期工程南湖站位于南宁市民族大道和双拥路的交叉路口，为减少对民族大道交通和周边居民环境的影响，南湖站下穿民族大道的出入口连接通道采用土压平衡矩形顶管法施工。

南湖站Ⅰ号地下过街通道长64.5 m，埋深约4.75～5.65 m。顶管从Ⅰ-b出入口始发，车站端接收，如图2所示。

图2 顶管施工场地平面布置Fig.2 Rectangular pipe jacking’ s floor plan of construction site

顶管管节尺寸为6.9 m×4.9 m(外径)，管壁厚500 mm，每环长1.5 m，共42环，顶管掘进机头选用8刀盘矩形土压平衡式顶管机，如图3所示。

图3 矩形顶管机Fig.3 Rectangular pipe jacking machine

3.2 工程与水文地质条件

工程所处土层自上而下分别为：杂填土区、素填土区、硬塑状粘土、硬塑状粉质粘土、可塑状粉质粘土、软塑状粉质粘土、粉土层、粉砂、中砂、圆砾及古近系泥岩层[11]。泥岩层埋深19.40～21.7 m，含水圆砾埋深13.00～15.30 m。基坑开挖地层为杂填土区、素填土区、硬塑状粘土、硬塑状粉质粘土、可塑状粉质粘土、软塑状粉质粘土、粉土层、粉砂，局部有圆砾层。如图4所示，顶管隧道施工影响范围[12]内土层自上而下分别为：①1层，杂填土；②2-2层，硬塑状粉质粘土；②2-1层，硬塑状粘土；④1-2层，粉细砂；③2层，粉土。

图4 顶管施工地质纵剖面示意Fig.4 Rectangular pipe jacking’ s geological profile of construction site

第一层地下水主要赋存于杂填土①1中，属上层滞水，该层地下水水量贫乏，主要由大气降雨及生活废水补给，水位埋深与填土层的厚度[13]有关，无统一水位；第二层地下水主要赋存于圆砾层中，属孔隙松散岩类水，水量丰富，与邕江河水有一定的水力联系，车站范围的初见水位埋深在10.30～17.42 m，标高在54.11～61.42 m，多出现在粉土的底部或砂土层的顶部或圆砾层顶部；稳定水位埋深在4.70～11.40 m，标高在64.42～66.57 m，承压水头较大；地下水通过圆砾层的径流段向邕江排泄。

根据岩土勘察报告，对物理力学特性相似的土层进行合并，结合本工程实际情况，各计算参数选取如表1所示。

表1 地层物理性质参数Table 1 Physical property of layer

3.3 监测数据分析

为了保证工程顺利实施，在顶管顶进过程中，对顶管上方影响范围内的地表沉降进行监控量测[14]。通过分析现场监测数据，可以及时调整矩形顶管施工参数，控制地表隆沉，确保施工顺利进行和周边环境安全。

考虑到顶管初始顶进阶段需要根据监测数据对施工参数进行不断优化调整，且出洞段的风险较大，故在顶管始发端间距3 m密布3排监测点，之后每隔5 m布置1个监测点，如图5所示。

图5 顶管施工监测点布置Fig.5 Rectangular pipe jacking’ s floor plan of monitoring points

整理顶管施工过程的实测地面沉降数据，得到监测点的地表沉隆时空变化规律，如图6和图7所示。

图6 测点D11-1不同位置工作面下隧道轴线地表变形Fig.6 Surface deformation diagram of tunnel axis under different working face on D11-1 measuring point

图7 测点D11-1隧道轴线地面某点沉降历时曲线Fig.7 The diachronic curve of a point on the tunnel axis on D11-1 measuring point

由图6和图7分析可知。

1)在顶管顶进过程中，监测断面纵向地表沉降监测点表现为：当顶管机头未到达监测断面时，前方地表微微隆起；当机头到达并通过监测断面时，地表急速下沉，主要由于此时机头顶进对周围土体的剧烈扰动导致；随着机头通过监测断面的距离增加，监测断面处地表沉降趋于稳定。

2)在施工过程中，因其他因素导致的施工停滞、强降雨引起的砂土饱和液化等会引起开挖面失稳，进而造成地面土体在较短时间内发生大范围的沉降。

3)顶管隧道贯通以后，靠近始发端的地表土体沉降较大，靠近接受端的土体沉降较小。

4)顶管机在开挖面支护压力超压状态下顶进，会引起开挖面前方土体隆起，最大隆起位置在轴线上方，随着开挖面的远离，隆起的横向测线开始沉降，沉降的顺序为“先中心，后两边”。

3.4 数值模型结果对比分析

采用MIDAS-GTS有限元软件，建立三维地层结构模型。根据研究需要，选取模型高度为15 m，取10个管节开挖长度为隧道模型的长度，即模型尺寸为40 m×15 m×15 m。分析结果：矩形顶管施工引起的地层竖向位移云图如图8所示。

图8 顶管隧道模型竖向位移云图Fig.8 Rectangular pipe jacking’ s vertical displacement nephogram of tunnel model

由图8可知，由土体开挖而引起隧道周围土体应力释放，造成顶管隧道轴线上方地表发生了一定范围的沉降，开挖对地面的沉降横向影响范围以隧道中轴线分别向2侧延伸11 m，沉降幅度由中心向2侧边递减，隧道轴线上方的地表沉降幅度从始发段向接收端递减。

将2条典型监测断面数值计算结果与地表横向实测结果对比，如图9所示。数值模拟得出的地表沉降最大值为17.0 mm，现场监测值为16.8 mm，同时，沉降槽形态基本一致，基本符合高斯分布形态。通过数值模拟结果与实际监测数据的对比分析，验证了数值模型参数取值的合理性。

图9 模型计算结果与实测数值的沉降槽对比Fig.9 Settlement tank comparison diagram of model calculation results and measured data

4 影响因素的敏感性分析

通过上述分析可知，采用MIDAS-GTS有限元软件，建立三维地层结构模型。其数据分析结果符合工程实际情况，为了更好地研究沉降机理，现分析主要影响因素作用下的沉降特性。

4.1 开挖面支护压力敏感性分析

分别在选取开挖面支护压力为0.35 MPa(超压)，0.2 MPa(正常)，0.05 MPa(欠压)3种条件下，研究地表沉降特性，如图10所示。

图10 不同开挖面支护压力下土体竖向位移Fig.10 Soil’ s vertical displacement nephogram under different excavation face support pressure

由图10可知，保证开挖面稳定是控制地面沉降的关键，在开挖面支护压力欠压状态下顶进，会造成开挖面前方地面大范围沉降，后方沉降会比土压平衡状态小一些；在开挖面支护压力超压状态下顶进，会引起开挖面前方地面隆起，后方沉降比土压平衡状态大一些。

4.2 摩阻力敏感分析

依据施工经验，理想状态下，选取注浆后混凝土管节与土体的单位面积摩擦力为5 KPa；基于本工程背景，不注浆时管节与周围土体的单位面积摩擦力可近似取35 KPa，另外取2者中间值20 KPa认为是补浆不及时情况下管节受到的单位面积摩阻力。

图11 不同单位面积摩阻力下顶管施工引起的轴线地面变形Fig.11 The axis ground deformation causedby pipe jacking construction under different friction per unit area

由图11可知，侧摩阻力会引起隧道中部断面前方土体隆起、后方土体沉降，在顶进过程中顶管受到的侧摩阻力越大，靠近始发端的土体沉降越大，靠近接收端的土体沉降越小，但侧摩阻力对地面的总变形影响较小。

4.3 地层结构敏感分析

分别建立“上部硬塑粘土+下部粉细砂”、“硬塑粘土”、“粉细砂土”、“上部粉细砂+下部硬塑粘土”4种地层结构，研究不同地层结构特性条件下地表横向沉降特性，如图12所示。

图12 不同地层结构下地表沉降槽形态Fig.12 Surface subsidence tank form under different Stratigraphic structure

由图12可知，在“硬塑粘土层”、“粉细砂土层”地面变形规律和“上部硬塑粘土+下部粉细砂”地层中顶管施工引起的地面变形规律一致，均会引起已开挖隧道上方地面沉降，其中在“粉细砂土”层下施工引起的地面沉降要大于“硬塑性黏土”层。其他条件相同条件下，在这4种地层条件下进行顶管施工时地表沉降大小的排序为：“上部硬塑粘土+下部粉细砂”<“硬塑粘土”<“粉细砂”<“上部粉细砂+下部硬塑粘土”。

4.4 路面结构厚度敏感分析

分别在选取路面厚度为20 ，30，40，50，60，70，80 cm条件下，研究地表横向沉降槽的形态。

由图13可知，沉降槽形态随着结构层厚度的增加，发生与结构层模量相似的变化，同样是由“深而窄”变为“浅而宽”的过程。

图13 不同结构层厚度下的路面沉降槽形态Fig.13 Pavement subsidence tank form under different structural thickness

5 结论

1)以南宁市轨道交通1号线南湖站顶管施工出入口通道为工程背景，运用MIDAS-GTS有限元软件模拟顶管施工过程，基于实测数据对模型的有效性进行验证，分别研究了开挖面支护压力、侧摩阻力、地层结构特性、路面结构对地表沉降变形的影响。

2)根据现场实测数据，矩形顶管施工扰动引起的地表沉降槽基本接近高斯分布。

3)保证开挖面稳定是控制地面沉降的关键，在开挖面支护压力欠压状态下顶进，会造成开挖面前方地面大范围沉降，后方沉降会比土压平衡状态小一些；在开挖面支护压力超压状态下顶进，会引起开挖面前方地面隆起，后方沉降比土压平衡状态大一些。

4)侧摩阻力会引起隧道中部断面前方土体隆起、后方土体沉降，在顶进过程中顶管受到的侧摩阻力越大，靠近始发端的土体沉降越大，靠近接收端的土体沉降越小，但侧摩阻力对地面的总变形影响较小，这说明先行隆起对于沉降有一定的抵消作用。

5)非复合地层地面变形规律和“上部硬塑粘土+下部粉细砂地”层均会引起已开挖隧道上方地面沉降，其中在“粉细砂土”层下施工引起的地面沉降要大于“硬塑性黏土层”；在“上部粉细砂+下部硬塑粘土”地层中，由顶管施工引起地面发生类似于开挖面支护压力超压状态下的变形，即开挖面前方地面隆起，后方沉降，且沉降值较大。在这4种地层条件下进行顶管施工时，地表沉降大小的排序为：“上部硬塑粘土+下部粉细砂”<“硬塑粘土”<“粉细砂”<“上部粉细砂+下部硬塑粘土”。

6)在顶管隧道下穿城市道路工程中，路面结构层可以有效限制路面沉降变形，沉降槽形态随着路面结构层厚度的增大，由“深而窄”变化为“浅而宽”。