矩形顶管管节内力变化及地表沉降规律分析

周载延 何 燕 陈俞嘉

（西南科技大学，四川 绵阳 621000）

0 引言

随着我国城市化进程的加快，对地下交通的需求不断加大。地铁作为地下交通的主要方式，穿越城市密集区，无法进行大规模的开挖施工。顶管是一种较为成熟的非开挖技术，相较于盾构法施工具有工艺简单、速度快、成本低等优点，适用于短距离施工，被广泛应用于市政管线工程。在相同截面面积下矩形顶管比圆形顶管利用率高20%[1]，被广泛用于工程实践。

盾构施工时在盾构机处安装管片，后续施工基本不会对已施工完成部分造成影响。顶管施工则需在始发井处通过千斤顶将每节顶管持续顶入土体，所需顶力较大且整个施工过程中都会对已施工完成部分造成影响。因此，对于顶管工程来说，顶力及地表沉降均是需要重点关注的问题。

现有的顶力现场研究多是采集顶力随顶程变化的数据，通过对顶力数据的拟合得到顶力计算公式[2,3,4,5]，为顶力预估提供理论指导，未关注顶管施工时管节的内力变化规律，未能揭示管节内力与管节顶力的变化规律。鉴于此，本文通过在管节间安装土压力盒，监测施工时管节内力，通过对管节内力的分析阐述管节内力与顶力关系。

已有的针对矩形顶管施工对地表的影响规律研究、大多基于某一监测断面位移沉降监测开展，研究该断面处地表沉降与距顶管轴线距离的变化规律[6,7,8]，揭示顶管工程某一截面处地表的沉降。但顶管顶进是一个持续过程，不仅要关注顶管某一截面地表沉降规律，还需对整个顶管顶进过程进行研究。基于此，本文通过监测顶管顶进过程中各监测点地表位移变化规律，阐释顶管施工地表沉降变化规律。

1 工程概况

昆明轨道交通4号线菊华站位于官渡区菊华立交桥与昆河米轨黑土凹站东侧，贵昆路与金马路丁字路口处昆河米轨下方。共设5个出入口，其中A、B号出入口采用6.9m×4.9m矩形顶管法施工。

顶管通道净尺寸为6.0m×4.0m，采用6.9m×4.9m多刀盘土压平衡式矩形顶管机掘进施工。A号出入口顶进长度暂定46.0m，覆土深度约4.5m，顶进方向由东北向西南推进；B号出入口顶进长度暂定53.0m，覆土深度约5.0m，顶进方向由西南向东北推进，如图1所示。

图1 工程总平面图

2 地表沉降规律研究

2.1 测点布置

菊华站A2及B出入口上方为城市主干道彩云北路，此路段交通繁忙，无法因施工对道路交通进行管制，为了保证道路上车辆的运行安全，需要对顶管施工沿线进行沉降监测，防止因顶管施工造成道路沉降过大危及行车安全，对B号出入口顶管监测布点如图2所示，监测布点每隔8m间隔设置一列，起始监测点设在始发井桩基之外（DBC-B-10），每列设置三个监测点，其中第二个监测点设置于顶管轴线处，其余两个监测点设置于顶管侧墙内侧。

图2 B号出入口地表沉降监测点位布置图

2.2 现场沉降处置措施

现场地勘表明，顶管结构上覆土依次为：素填土、细砂，顶管整体主要位于粉质粘土，顶管结构下部为粉砂。场地地下水位埋深浅，土的天然含水率较高，渗透性弱，抗剪强度很低，其灵敏度一般在2.0～4.1，属于中灵敏度土层，受扰动后强度将大幅降低，产生较大不均匀沉降，施工中难以控制土层沉降以及顶管机头的的偏差控制。

针对菊华站富水软土地层、工程地质复杂、施工工期紧张的情况，为保证隧道施工安全，采用高压填充技术的顶管沉降控制方法。

施工时，通过高压注浆泵将土体通过预留注浆孔压入改良土，实现主动控制地层沉降，避免地层沉降超标，保证施工安全，确保工程效益，具体情况如图3所示。

图3 现场人工高压填土

2.3 沉降监测结果分析

顶进施工前13天，开始对顶管上方地表进行沉降监测。监测结果如下：

（1）图4为监测点沉降—时间曲线，从图中可以看出，在顶管顶进施工前，地面沉降值在2mm以内，观察每列监测点，均可以发现顶管轴线处监测点（测点2）的位移均大于两侧监测点（测点1、3）的位移，且两侧监测点位移大体相等，规律与Peck提出地面沉降预测的Peck公式的近似高斯曲线一致。

（2）图4（a）为布置于始发井加固区的监测点位移随时间变化曲线，从图中可以看出，在开始顶进施工的前15d内，始发井处地表位移均很小，基本为零，第一节顶管顶进时，监测点处地表出现上浮，原因是顶管机刀头会对土体挤压扭转。当顶管通过该监测点后，此处地表出现下沉，沉降值均在1mm左右，随着顶管施工的不断进行，位移均在2mm范围内波动。

（3）随着顶管的顶进，在第18日顶进（顶进8m）至9号监测布点，其地表沉降情况如图4（b）所示，从图中可以看出，此时地表出现上浮位移，当顶进施工过了该监测点，地表则出现了沉降位移，同样，在顶进到达第8号及第7号监测点时，也出现一样的现象。随着顶管继续顶进，发现管节及顶管机出现“低头”现象，遂采取调整始发井处千斤顶顶力（顶铁上侧千斤顶力保持不变，加大下侧千斤顶顶力），进行纠偏处理，故图4（a）~（c）均在第25日出现了较大的上浮位移，经不断纠偏后，顶管机及管节偏差减小，地表上浮位移逐渐减小。图4（d）为第6号监测点，位于顶管纠偏段之后，因此顶管纠偏对其影响较小。到达第30日时整个顶管已全线贯通，但从图中看出，地表继续下沉，原因是施工时注入的触变泥浆沉淀固结，体积减小。为减小地表沉降，工程中通过将泥浆置换成水泥浆，故图4中第45日后地表沉降值不断减小。

图4 监测点地表沉降-时间曲线

3 管节内力分布研究

3.1 内力监测

顶力是顶管施工中必须确定的一个重要参数，它直接影响工作井后背设计、管节的强度要求、中继环的配置数量和间距，以及顶进设备的选择。目前，一些文献对顶力的计算给出了各种理论公式，但由于影响顶力的因素复杂多变，这些公式很难定量考虑诸如轴向偏差、注浆工艺以及土质变化等因素对顶力的影响，所以导致各自适用条件并不明确，计算结果差异较大。

通过现场试验，可获得顶管工程中管节间顶力随顶程变化规律的实测数据。掌握昆明地区地质条件下顶管施工过程中注浆方法、顶管工艺及对临近建筑物的影响规律，可进一步完善相关计算方法和施工工艺。现场通过在顶管管节间安装土压力盒，测试管节间的内力，土压力盒具体布置情况如图5所示。

图5 土压力盒布置情况

3.2 内力测试结果分析

现场内力测试时，分别监测了不同顶进长度管节内力，图6为安装在第7节顶管后土压力记录的管节内力（前7节顶管顶力）随顶进施工过程变化曲线。

图6 管节内力随顶进施工过程变化曲线

图6中波峰为顶管顶进时监测到的内力，波谷为停机卸土时监测到的内力，由检测结果分析可知：

（1）从曲线中可以看出，顶管截面上的顶力分布不均匀，截面外侧的顶力总是大于截面内侧的顶力，且外侧的顶力相对变化较大，因为截面外侧直接与土体接触，受到较大的侧摩阻力，顶管内侧应力由外侧传递形成，管节设计时，可将管节内外侧按照不同强度设计。

（2）随着顶管不断地向前顶进，内力在不断变化，表明管节所受侧摩阻力在不断变化，即当顶管顶程一定时，顶力并不是定值。

（3）对比管节各部位内力变化可发现：管节底部内力大于顶部内力，顶部内力大于两侧内力，这与管节各部位所受土压力正相关，即所受土压力大的部位，相应的所受侧摩阻力大，相应的内力大，顶力也较大。

4 结束语

本文通过对顶管施工过程中地表沉降及顶管内力监测，得出了以下结论：

（1）顶管轴线处地表位移大于两侧地表位移，且两侧位移基本相同；顶管施工时掌子面处受到刀盘的挤压扭转，掌子面上方地表呈现上浮情况；顶管机后方地表呈现下沉趋势。

（2）当顶管机机头出现“低头”（顶管机机头下沉），通过安装在尾部的千斤顶进行纠偏，纠偏过程中会使得已施工段地表整体上浮。

（3）顶管顶进完成后，管-土之间注入的触变泥浆因固结体积减小，顶管上侧地表下沉，后期通过水泥浆置换泥浆，填充土体与管节之间的缝隙，土体会上浮。

（4）通过对管节内力监测可知：管节同一位置外侧内力大于内侧内力，管节设计时可以依据其内力分布进行优化设计。

（5）顶程一定时，顶力不是定值；对比管节各部位内力变化可发现：管节底部内力大于顶部内力，顶部内力大于两侧内力，表明顶进时底部所需顶力大于顶部所需顶力，顶部所需顶力大于侧墙。