矩形顶管上穿地铁隧道施工对地表变形影响研究

薛 青 松

(中铁二十局集团第一工程有限公司，江苏 苏州 215151)

0 引言

非开挖顶管法可以在不开挖或极少开挖地面的情况下穿越道路、地上建筑及地下基础设施[1]。矩形顶管相对于圆形顶管具有截面利用率高，对开挖面影响较小的特点，两者主要区别在于切削土体方式及顶管机头外形[2]。

当土体受到顶推力和注浆压力引起水平应力的增加量小于因开挖引起的水平应力减小量时，会导致掌子面土体坍塌，引起地面沉降[2,3]。目前国内计算地面沉降的方法包括：经验公式法、随机介质理论、分层总和法及弹性力学解析法等。其中魏纲等[3]认为土体受扰动主要是由于施工过程中产生的附加应力引起的。李明宇等[4]发现地面沉降槽呈驼峰型且峰值在顶管轴线处；许有俊等[5]发现地面沉降最终预测只需考虑土体损失、注浆填充和失水固结；张鹏等[6]发现曲线顶管施工引起的地面沉降槽曲线为非对称曲线。

顶管施工过程中注浆循环、机头顶进及刀盘切削会对周围土体产生扰动，导致地表沉降，从而影响施工安全，因此对矩形顶管上穿既有地铁隧道的近接穿越工程沉降监测十分关键。本文依托人民路南线综合管廊顶管工程，通过现场沉降监测数据分析，探究施工对顶管上方地表沉降影响及沉降规律。

1 工程案例分析

1.1 工程概况

人民路南线综合管廊顶管工程位于苏州姑苏区城北东路上，施工采用土压平衡式非开挖矩形顶管工法。下穿人民路顶管通道为双箱四舱型，顶进长度均为73.6 m。通道断面外径尺寸为6.9 m×4.2 m，平均覆土深度4.1 m。顶管通道在人民路路口上跨轨道交通2号线，顶管底部与轨道交通2号线盾构区间竖向距离2.767 m，水平距离23 m～27 m。顶进过程中轨道交通2号线处于正常运营阶段。

如图1所示，顶管施工区域工程地质条件自上而下依次为①杂填土、②粉质黏土、③粉质黏土夹粉层、④粉土夹粉砂、⑤粉砂、⑥粉质黏土。其中②粉质黏土和③粉质黏土夹粉层为顶管隧道所在土层。

1.2 监测内容及方案

如图2所示，在垂直顶管轴线地面上方布设地表沉降监测断面13组，其间距为5 m，每组监测断面布设5个监测点，间距约为3 m～6 m。在垂直轨道2号线地面上方顶管范围外侧布设地表沉降监测断面4组，间距为15 m,每组监测断面布设5个监测点，间距约为5 m,共计85个监测点，编号为DB1-1～DB17-5。

人民路南线顶管自8月16日开始顶进，以顶管机进入不同区域对轨道交通2号线的影响划分为5个重要阶段，见表1。对17个监测断面分别按照垂直顶管隧道轴线方向、垂直轨道交通2号线轴线方向进行分组，即DB1～DB13，DB14～DB17。

表1 顶进阶段表

DB1～DB13断面中选择顶管轴线正上方监测点，即3号监测点；DB14～DB17断面中选择轨道上、下行线轴线正上方监测点，即4号，2号监测点。

1.3 现场监测与结果分析

1.3.1DB1～DB13监测断面分析

由图3可知，随着顶管机的顶进距离的增加，DB1～DB13断面中3号监测点沉降量均在不断增加，且不同阶段下各监测点累计位移的增幅不一致；各阶段最大沉降量出现在DB13-3监测点，且DB13-3监测点在阶段五有沉降最大值，最大值为-3.98 mm。

通过对同一监测点不同阶段监测数据对比：顶管机始发至进入上行线影响区，对DB12-3，DB13-3监测点沉降量影响相对较大，沉降量分别为-1.61 mm，-1.90 mm；顶管机进入上行线影响区至上行线正上方，DB9-3，DB10-3监测点沉降量增幅较大，相对阶段一沉降量的增量分别为0.75 mm，0.89 mm；顶管机进入上行线正上方至下行线正上方，DB7-3，DB8-3监测点沉降量增幅较大，相对阶段二沉降量的增量分别为0.91 mm，0.81 mm；顶管机进入下行线正下方至驶出下行线影响区、再到顶管完全贯通，对应阶段下DB1-3，DB2-3监测点沉降量增幅较大。

由监测断面图所示，上行线影响区、上行线正上方、下行线正上方、下行线影响区所在位置分别对应DB11,DB8,DB6,DB4监测断面。结合同一监测点不同阶段监测数据分析，可得结论：在顶进过程中，顶管机已通过断面沉降量>已到达断面沉降量>未到达断面沉降量，且在已通过断面中，位于已到达断面之后的两个断面沉降增幅较大。主要原因在于顶管机头与后续管节存在外径差，导致在机头已通过断面上管节外径与土体之间存在空隙，周围土体有向空隙移动的趋势，故沉降量较大。

取沉降量对轨道交通影响较大的三个监测断面，即DB6～DB8监测断面。由图4～图6所示，DB5～DB8监测断面沉降量最大值出现在对应监测断面3号监测点，最大值分别为-3.65 mm,-3.21 mm,-3.25 mm。地铁隧道上三监测断面显示，上行线正上方至下行线正上方阶段中沉降量增幅最大。

监测断面沉降变形曲线大致符合以下规律：在沉降变形曲线出现较大增幅后，各阶段沉降变形曲线关于顶管轴线近似对称，即同一断面下其余监测点沉降量关于3号监测点沉降量近似对称分布；各监测点沉降量随着离顶管轴线距离越远沉降量越小；不同阶段下沉降变形曲线增幅趋于平缓，在之后阶段增加量大致相等。

1.3.2DB14～DB17监测断面分析

如图7，图8所示，随着顶管机不断顶进，各监测点沉降变形不断增加。下行线轴线沉降变形最大值出现在顶管贯通后DB16-2监测点，最大值为-3.20 mm；在同一阶段下DB16-2监测点沉降变形较大，DB17-2监测点沉降变形较小，且沉降变形相差不大；DB14-2，DB17-2监测点沉降变形在阶段三至阶段四中增幅较大，DB15-2，DB16-2监测点沉降变形在阶段二至阶段三增幅较大。

而上行线轴线沉降变形最大值出现在顶管贯通后DB16-4监测点，最大值为-3.64 mm；同一阶段中，DB16-4监测点沉降变形较大，DB17-4监测点沉降变形较小；DB14-4～DB17-4监测点沉降变形阶段二至阶段三中增幅较大。

2 地表变形控制措施

顶管施工时，顶进姿态、顶进推力、顶进速度和注浆工艺等会对地表变形产生影响。矩形顶管上穿地铁隧道施工由于其特殊性，可以采取以下措施以控制影响地表变形：

1)矩形顶管管节内部施加荷载：在隧道上方管节内部堆放黄砂、型钢、混凝土块等重物，来平衡下部隧道竖直方向受力。随着顶管机顶进前行，管节也会向前移动，带动管节内重物前移。本项目采用在管节内施加荷载的方法，在管节内两侧布设滑轨，放置多个被钢丝绳牵引的重量为1 t的混凝土块进行配重，如图9所示。

2)隧道上方地面堆加荷载：该方法有点类似顶管过河段施作抗浮板，不同的是地面堆放重物更容易实施，常见的重物有矩形顶管管节、混凝土块以及型钢等。

3)向管节与地层之间空隙注入触变泥浆：既可以减小管节与地层间的摩阻力，从而减小顶进力，又可以支撑周围土体，从而减轻地面沉降程度[7]。特别是矩形顶管施工中容易产生“背土”现象[8]，加入泥浆性能参数良好的触变泥浆，在管节与土体之间形成相对密实的泥浆套，可大幅减少土体坍落到管节上。

3 结论

本文结合苏州人民路南线综合管廊顶管工程，分析监测数据按照对同一监测断面不同监测点及同一监测点不同断面的原则进行沉降变形数据对比，得到以下结论：

1)在顶进过程中，顶管机已通过断面沉降量>已到达断面沉降量>未到达断面沉降量，且在已通过断面中，位于已到达断面之后的两个断面沉降增幅较大。

2)沉降变形曲线关于顶管轴线近似对称，即同一断面下监测点沉降量关于3号监测点沉降量近似对称分布且随着离顶管轴线距离越远沉降量越小。

3)通过隧道上方地面堆加荷载及矩形顶管管节内部施加荷载方法来控制地表沉降，采取该堆载措施后沉降值控制在允许范围内，成功地保证了周边管线、地铁及建筑物的安全。