南水北调中线磁县段污水管下穿公路顶管施工地表变形规律

尹文强，刘世伟，*，屈春来，朱泽奇，王晓凡

(1. 河北工程大学水利水电学院，邯郸 056000； 2. 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071)

随着中国城镇化进程的深入，一大批地下通道和污水排放管道等工程广泛发展[1]。顶管工法具有环保、安全和扰动影响小等特点，在市政工程建设过程中广泛应用[2]。由于城市前期基础设施建设以及城市空间的限制，使得这些工程施工中不得不下穿越既有建筑物或构筑物，进而导致地层和既有建筑物产生复杂变形，成为影响工程施工安全和亟须解决的关键问题之一。

中外研究学者针对此类问题采用数值模拟、理论分析、模型试验和现场实测等手段进行了诸多研究。如刘波等[3]以南京某地下步行通道为研究对象，采用数值模拟和现场监测相结合的方法，对顶管施工可能引起的隧道及地表变形情况进行了预测分析；赵文等[4]基于弹性力学圆孔扩张理论，提出了带翼缘板圆形钢管的管周塑性区计算公式；Shen等[5-6]、Cui等[6]、 Zhen等[7]从不同角度对顶管施工扰动下得地表变形和深层土体变形规律进行了研究分析；史培新等[8]研究了顶管顶力计算与评价方法；王斌等[9]对砂土和黏土条件下顶管施工扰动度进行了分析；李方楠等[10]提出考虑注浆压力影响的顶管施工扰动下的地层土体变形计算方法；潘伟强[11]依托上海14号线桂桥路站管幕段工程，对顶管顶进施工过程地面沉降情况进行监测分析，并对水土分算或合算进行讨论；另有学者针对顶管施工扰动下地层变形影响因素进行了分析，揭示了深浅部地层变形机理[12-16]。不同于软土地层、岩质地层等均质地层，砂砾石地层是由具有一定尺寸、高弹性模量的岩块和低弹性模量的土体构成的极端不均匀松散岩土介质系统，致使地下结构及围岩土体的力学行为与变形规律呈现随机性变化，尤其是在地下水丰富地区[17]。上述研究成果为顶管施工过程中地层变形研究提供了较好的技术范式和方法，然而对邯郸西部地区，尤其是在南水北调中线磁县段，砂砾石地层中顶管施工对地层变形的影响研究成果尚未有报道。

基于此，现以邯郸西部磁县污水管网下穿和谐大道为工程背景，采用理论分析和现场实测相结合的方法，对顶管施工过程中的地表及公路路面变形进行研究，优化理论预测计算参数，进而修正地表沉降变形理论模型。以期相关研究成果为该地区其他工程建设提供技术和理论借鉴。

1 工程概况

和谐大道污水管道工程位于邯郸市磁县西部，离南水北调中线干线磁县段约百米左右，顶管施工主要横穿磁县和谐大道，是污水管道网穿越南水北调中线干线配套工程，如图 1所示。顶管工程管道直径为1m，埋深约为6.13m，单个管节长2m，厚度为0.1m，采用DN1000Ⅲ级钢承口混凝土管，从工作井穿越到接收井长度约为46m。

图 1 工程区域概况Fig.1 Overview of the project area

根据相关地质勘察资料显示，施工区地质条件复杂，具备粗砾石、中砾石占比较大，卵石群分段式密集的地质特点。钻孔揭露该区域地层岩性主要为：上第三系中新统湖积黏土岩、砂岩、砾岩、细砂，第四系中更新统下段冰碛泥砾、细砂。其中黏土岩厚度8.2～10.3m；砂岩厚度0.9～5.1m；砾岩与卵石互层，厚度2.5m；卵石粒径一般为5～8cm，最大15cm，主要成分为石英砂岩，含量60%，充填砂质，厚度1.8～5.6m；细砂厚度为5.5m左右；泥砾中卵石粒径一般为5～8cm，最大15cm，主要成分为石英砂岩，含量约80%，泥质包裹，夹细砂层，厚度3～5.2m；细砂厚度1.8～3.8m。和谐大道北侧工作井开挖揭露的地质断面显示，顶管施工主要位于砂卵砾石地层中，且上覆存在含卵砾石的粉质黏土和砂卵砾石地层互层现象，如图 2所示。各地层的主要物理力学参数如表 1所示。由此可见，该工程区域内地层属于典型的砂砾石地质条件，砂砾石地层触变灵敏度较高，顶管下穿和谐大道施工过程中必然会对公路路面沉降变形产生影响，进而影响行车安全，因此有必要针对顶管施工过程中的地表变形进行预测和监测控制。

图 2 工作井开挖揭露的地层断面情况Fig.2 Stratum section exposed by working well excavation

表 1 地层物理力学参数Table1 Physical and mechanical parameters of formation

2 基于经验公式的地表变形预测分析

Peck公式是预测地表沉降的主要经验公式，众多工程应用表明其具有较高的可信度。Peck通过对大量实测地表沉降资料采用概率分析的方法得到了地表横向的大致沉降曲线。

(1)

当隧道直径D一定时，地层体积损失率Vl和沉降槽宽度系数i是影响地表沉降变形结果的关键因素。其中： 地层损失率依赖于地层类型、地下水条件、施工工法、支护时机以及施工管控质量等因素有关，通常依地区施工经验取值。大量现场试验结果总结发现地层损失率的范围在0.22%～6.9%，其中90%以上的数据在0.25%～1.5%[18]。

对于沉降槽宽度系数i估算方法研究成果较多，根据i值与地层土体内摩擦角φ、隧道埋深z0以及隧道半径R的相关关系，提炼总结得出以下经验估算方法[19]。

(1)Knothe估算法

(2)

(2)Clough-Schmidt估算法

i=R(z0/2R)0.8

(3)

(3)O’Reilly估算法

i=Kz0

(4)

式(4)中：K为沉降槽宽度系数指数。

韩煊等[18]通过总结中国部分地区的不同地质条件下隧道开挖引起的地表沉降资料，给出了沉降槽宽度系数指数K建议取值，如表 2所示。关于邯郸地区砂砾石地层地表沉降研究成果相对较少，台湾地区与本工程区域地质条件类似，根据工程类比思想，本文计算中沉降槽宽度系数取值为0.48。

表 2 中国部分地区沉降槽宽度系数指数建议值[18]Table2 Preliminary suggested values of settlement trough parameters in some areas of China[18]

表 3 地表最大沉降预测结果Table3 Prediction results of maximum ground settlement

假定本工程中地层体积损失率介于0.22%～6.9%，根据式(1)～式(4)可计算得出地表最大沉降量，如表 3所示。根据《给水排水工程顶管技术规程》中规定可知，该工程范围内地表沉降量应当不超过20mm，可见该施工区域内地层体积损失率控制在6.9%以内均能满足地层变形稳定性要求。然而上述3种经验公式对于邯郸地区的砂卵砾石地层中顶管施工影响预测研究成果不多，其适用性有待进一步探讨和优化。

3 顶管施工诱发地表变形现场试验

3.1 监测断面与监测点布置

考虑到试验结果的准确有效性与监测断面布设密度有关，在工作井与接收井之间，每2m布设一个监测断面，共23个监测断面，依次为DJC1～DJC23。开挖扰动影响范围约为4倍管道直径，故每个断面布设9个监测点，以管道轴线为中心向两边等间距分布，各监测点间距设置为1m，断面监测宽度为8m，如图 3所示。

地表沉降采用水准仪测量，顶管施工过程中，顶进前方10m内的监测点，每30min测量一次，顶管结束后，每60min再测量一次，同时做好沉降量记录，如图 4所示。

图 4 路面沉降观测与记录Fig.4 Observation and record of pavement settlement

图 3 地面沉降监测点布设示意图Fig.3 Schematic diagram of ground settlement monitoring points

3.2 顶管施工地表沉降实测结果分析

3.2.1 顶管施工对地层变形扰动影响分析

由于受到顶管直径大小和地层条件的影响，该工况条件下顶管施工对地层变形影响具有“即时扰动”特征，即顶进工作面处地表变形量较大，而顶进工作面前方范围内地层受扰动影响相对较小。相比于定顶工作面前方地表变形量而言，定顶工作面处地表变形量呈现“跌落”式增加。

如图 5所示，顶管施工顶进2m时，DJC1断面地表最大沉降值约为2mm，DJC2断面地表最大沉降约为1mm，而断面DJC3、DJC4和DJC5处地表沉降几乎没有变化；顶管施工顶进6m时，断面DJC2和DJC3的地表沉降与断面DJC1地表沉降值几乎达到同一水平，最大值为2～2.5mm，断面DJC4和DJC5处地表沉降略有增大，但未超过1mm；顶管施工顶进10m时，5个监测断面的地表沉降值几乎达到同一水平，最大值在2.8mm左右；顶进24m时，5个监测断面的沉降几乎同步，最大沉降量约为3.5mm，基本已达到最大沉降水平，表明此时地表变形已趋于稳定。

图 5 顶进过程不同监测断面的沉降量变化Fig.5 Settlement variation of different monitoring sections during jacking

3.2.2 地表变形累计沉降分析

顶管施工完成后，地表累计沉降变形情况如图 6 所示。由图6分析可知，沿管道横断面方向，地表沉降在1.5～4mm变化，顶管开挖沉降量最大值均发生在轴线上方，距轴线水平距离越远沉降量越小；沿管道纵剖面方向，地表沉降变形相对较为稳定，轴线处沉降量比两侧范围内沉降量大；和谐大道路面沉降相对较小，可能由于路面和路基相对刚度较大引起；当到达接收井时地表沉降略有增加。综合地表沉降理论预测分析结果可知，该工程施工范围内地层体积损失率应当不小于2%。

图 6 各监测断面地表沉降变化曲线Fig.6 Change curve of surface settlement of each monitoring section

图 7 地表沉降实测与预测结果对比分析Fig.7 Contrast analysis of the measured and predicted results of surface subsidence

4 基于实测数据的地表变形预测参数修正

4.1 现场实测与已有理论预测对比

综合上述分析，该施工工程区域内的地层体积损失率选取为2%进计算分析。由于O’Reilly 估算法形式简单、便于应用，采用该方法对沉降槽宽度系数值进行预测。同时，在计算过程中，选取DJC1、DJC6和DJC18三个典型断面并采用Peck公式对地表沉降进行预测分析，理论预测结果与现场实测结果对比分析，如图 7所示。由图 7 分析可知，理论预测结果与现场实测结果的变化规律基本一致，可见顶管下穿磁县和谐大道施工扰动影响下地表变形沉降规律符合高斯分布特点；采用Peck公式进行地表沉降预测时，存在地层体积损失率Vl和沉降槽宽度系数i两个关键参数的取值问题，对于两个关键参数，现有的估算方法预测结果与现场实测结果之间存在一定的差异，可能由于现有估算方法没有考虑地下水渗流的影响，而该工程距离南水北调中线磁县段较近，地下水较为丰富，对地表变形影响不可忽视，因此需要针对该类工况条件下的地层体积损失率Vl和沉降槽宽度系数i进行修正。

4.2 基于实测数据的预测模型修正

由于实测数据分布形式符合高斯分布，采用Gauss函数对实测结果进行回归分析，获得不同监测断面处的最大地表沉降量Smax和沉降槽宽度系数i。进一步采用直接反演法得出地层体积损失率，采用O’Reilly 估算方法反演得出沉降槽宽度系数指数K的分布范围。Gauss函数的形式为

(5)

式(5)中：y0、w、xc、A为Gauss分布函数中的常实数，其中y0、xc分别为Gauss分布函数中纵坐标和横坐标修正项。

通过对比式(1)和式(5)的形式发现，由Peck公式预测的地表沉降最大值Smax和沉降槽宽度系数i可采用Guass函数参数表示为

(6)

此外，式(5)中的xc为地表沉降曲线的水平坐标修正项。采用式(5)对监测断面DJC1～DJC15的实测数据进行回归分析，模型参数回归反演结果如表 4所示。依据“去大、去小、留中”的原则，对表 4中数据进行分析可知，邯郸西部磁县地区采用顶管工法进行地下通道施工时，最大地表沉降量变化范围为3.02～3.52；地层体积损失率Vl的变化范围1.82%～3.8%，平均为2.81%，地层损失率小于6.9%，地层变形满足安全要求；沉降槽宽度系数指数K的变化范围为0.28～0.57，平均为0.425，相比于韩煊等[18]研究建议值略小。

表 4 地表变形预测参数反演分析结果Table4 Inversion analysis results of surface deformation prediction parameters

采用上述回归分析获得的参数取值结果，对监测断面DJC16～DJC23进行预测分析，实测数据与模型预测结果对比分析如图 8所示。由图8中分析可知，监测断面DJC16～DJC23的地表沉降实测数据全部位于模型预测结果上下限之间，平均预测结果与地表整体变形实测结果较为吻合。因此，在今后南水北调中线磁县段砂砾石地层中进行类似顶管工程施工时，建议地表沉降预测计算中沉降槽宽度系数指数取值为0.425，地层损失率取2.81%。

图 8 修正模型验证Fig.8 Revised model verification

5 结论

(1)该工程地层体积损失率控制在6.9%以内时，地表沉降变形均能满足相关规程安全要求。

(2)该工况条件下顶管施工对地层变形影响具有“即时扰动”特征，即顶进工作面处地表变形量较大，而顶进工作面前方范围内地层受扰动影响相对较小，地表最大沉降量实测值位于2.5～4mm，在地表变形安全阈值范围内。

(3)南水北调中线磁县段类似工况下进行地表沉降预测时，建议地层损失率取值为2.81%，沉降槽宽度系数指数K取值为0.425。