超浅覆土大断面矩形顶管近距离双线施工地表沉降规律及加固效果评价

王开军，张 伟，王玮鹏，窦保洋，徐荣超

（1.中国水利水电第十一工程局有限公司，河南郑州 450001；2.深圳地铁工程咨询有限公司，广东深圳 518055；3.华北水利水电大学，地球科学与工程学院，河南郑州 450046）

0 引言

随着我国经济的蓬勃发展，城市开始三维化发展，即不再满足于向地上发展，而是加大地下空间的利用，各种地下空间的开发在如火如荼地进行中（贾连辉，2016；洪开荣，2017；孟建宇等，2020；洪开荣和冯欢欢，2021）。传统明挖施工由于须中断地面生产生活难以满足工程建设需要，暗挖工法开始逐渐取代明挖工法（彭立敏等，2015；荣亮和杨红军，2015；邓长茂等，2016；许有俊等，2018）。顶管工法作为暗挖工法的一种，以其非开挖穿越地层的技术，被广泛运用于各种地下工程施工中（喻军和龚晓南，2014；王晓睿等，2016；许有俊等，2017；吴勇等，2017；李辉等，2019）。

矩形顶管相较于圆形顶管而言，其内部使用效率高，故而使用更为广泛。但矩形顶管相较于圆形顶管其上覆土体成拱能力更弱，容易形成较大的沉降槽，并且由于工作断面较大，在顶管顶进过程中对上覆土体影响较大（李方楠等，2012； 彭刚，2017；郝小红和郭佳，2017；李志南等，2020）。许多学者对顶管施工过程中地面沉降变化规律进行了系统分析（张文瀚等，2011；高毅等，2018；张治成等，2020；刘庆方等，2022）。研究手段有理论分析（景路等，2013；吴华君和魏纲，2014）、数值模拟（李达等，2018；周浩等，2020；陈雪华等，2022；王紫娟等，2022）、模型试验和现场实测（郑跃等，2010；王剑和邓宗伟，2014；李博等，2014；银英姿等，2019；王李昌等，2020），取得了很多成果。

超浅覆土大断面矩形顶管施工时可能引发地表沉降变形，但超浅覆土顶管施工过程中地表沉降变化尚不明确。为研究顶管施工过程中地表沉降规律和加固效果，本文以深圳市宝安区某下穿道路矩形顶管工程为背景，使用PLAXIS 3D软件对顶管左右线施工过程进行有限元模拟。首先结合现场监测数据验证数值模拟结果的可靠性，然后对未加固时和加固后的顶管施工过程进行单独模拟，研究两种工况下地表沉降规律并对加固效果进行评价。研究结果为顶管施工地面沉降变形及控制提供支撑。

1 工程概况

深圳市某下穿道路项目位于宝安区新安二路与前进一路交叉路口，线路沿新安二路地下布设。图1为顶管工程周边建构筑物示意图，可以看出周边构建筑物距顶管施工现场较远，不影响顶管施工。工程采用密闭式土压平衡顶管机，顶管机长度6.4 m，轮廓尺寸10.07 m×5.12 m。顶管分为左右线，长度均为58.5 m，埋深2.76～2.84 m，顶管左右线间距为1.5 m。根据总体工筹安排，先施工顶管右线通道，然后转场至左线。管节材料为C50混凝土，整环结构，管节长度1.5 m，外轮廓尺寸10.05 m×5.10 m，壁厚为0.6 m，左右线共计78节管节。

图1 周边构建筑物示意图Fig.1 Schematic diagram of surrounding structures

如图2所示，由于顶管隧道埋深较浅且管节尺寸较大，故使用超前管棚在距离顶管顶板30 cm处，沿水平方向分别从始发井与接收井对打φ180 mm@400 mm管棚，通过管棚注浆固结土体以降低地面沉降。

图2 管棚示意图Fig.2 Schematic diagram of pipe shed

2 数值模型

2.1 三维模型

基于PLAXIS 3D软件建立三维模型对新安二路矩形顶管施工项目进行模拟，对顶管左右线施工过程中地表沉降变形特征进行分析。图3为模型示意图，结合管片尺寸以及地层情况，模型尺寸设置为60 m×58.5 m×23.55 m（x×y×z）。模型共有151969个单元，238450个节点。

图3 模型示意图Fig.3 Schematic diagram of the model

2.2 模型参数选取

土体采用实体单元进行模拟，本构模型采用摩尔-库伦模型，从上至下依次为素填土、粉质黏土、砾砂、砾质黏性土和全风化粗粒花岗岩。顶管机采用板单元进行模拟，顶管机尺寸为10.07 m×6.4 m×5.12 m（x×y×z）。管节采用线弹性模型，管节尺寸为10.05 m×1.5 m×5.1 m（x×y×z），壁厚为0.6 m。管棚采用梁单元进行模拟，顶管顶进范围上面采用超前管棚（φ180 mm@400 mm）进行横向注浆加固以减小地表沉降。始发端和接收端均采用双管旋喷桩进行加固处理，加固长度为27.6 m，始发端加固宽度为6 m，接收端加固宽度为4 m，加固深度至井底板深度。具体参数如表1和表2所示。

表1 模拟参数取值Table 1 Parameters in numerical simulation

表2 模拟单元材料取值Table 2 Element material values in numerical simulation

2.3 顶进过程模拟

矩形顶管施工大致可分为如下四个阶段：

（1）平衡地应力；

（2）对始发端和接收端使用双管旋喷桩加固处理并激活超前管棚；

（3）顶管右线开挖：首先顶管向前顶进一环，激活掌子面支护力，然后顶管向前顶进3环，然后激活注浆压力，最后循环以上操作直至顶管右线顶进完毕；

（4）顶管左线开挖：操作与进行顶管右线开挖一致，每1.5 m为一个施工阶段，顶管左右线共计86个阶段。

2.4 模拟结果合理性分析

为验证模拟结果的合理性和准确性，将现场监测数据与模拟结果（加固条件下）进行对比。图4为右线顶进时地表监测点的布置图。首先分析顶管右线顶进过程中地表整体的沉降变化，由图5可知，模拟结果与实测结果整体趋势相似，即在顶管顶进路径上以沉降为主，隆起主要集中在接收井附近。

图4 监测点位布置图Fig.4 Layout of monitoring points

图5 地表累计沉降云图Fig.5 Nephograms of accumulated surface subsidence

再分析监测点处沉降量随顶管顶进距离的变化情况。选择DGC2-4和DGC3-4两个监测点进行分析，图6为两个监测点处地表累计变形值随顶管顶进长度的变化图，模拟结果与实测结果基本一致。监测点DGC3-4实测最大隆起值较大，这是由于在顶进过程中注浆压力是动态调整的，注浆压力较大时会导致地面隆起。在顶管右线顶进过程中地表沉降规律可分为三个阶段：隆起期、快速沉降期和沉降稳定期。隆起期即在顶管机掌子面未达到监测点时，监测点处土体处于隆起状态，且随着顶管机与监测点的距离的缩短，监测点隆起情况逐渐增加；当顶管机经过监测点后便进入到了快速沉降期，监测点由隆起状态逐渐转变为沉降状态，且以较快的速度沉降至较低水平；沉降稳定期即当顶管机距离检测点位置较远时，此时监测点处地表沉降值趋于稳定。在本工程中，当顶管机经过监测点后顶进约20 m时，监测点处的地表沉降值趋于稳定。

图6 监测点处累计变形随顶管顶进长度的变化Fig.6 Variations of cumulative deformation with jacking length at monitoring points

通过将现场监测数据与模拟结果就整体沉降趋势和监测点随顶进长度变化情况对比可知，所选取各项参数合理，可对顶管顶进过程模拟以及研究顶管左线顶进过程中的地表沉降规律。

3 结果分析

3.1 无加固条件下地表沉降

图7为不同顶进距离下的地表沉降云图。在顶管右线顶进过程中，地表变形规律为掌子面前方土体由于掌子面支护力而发生隆起，在掌子面后方的土体由于地层损失而发生沉降。前方土体隆起范围约为掌子面前20 m；不同顶近距离下地表最大沉降均位于始发井附近。在顶管隧道轴线正上方地表沉降变形最大，受影响最为严重，反之则越小。在左线顶进过程中地表沉降趋势与右线施工时基本一致。如图7d所示，当左线开始顶进后，地表最大沉降位置由右线始发井改变至左线始发井；且当左线顶进完毕后，左线顶管上方区域整体沉降大于右线顶管上方区域。

图7 地表沉降云图Fig.7 Nephograms of surface subsidence

由于在顶管正上方土体沉降变形最大，故选取顶管右线轴线正上方的五个点来研究地表纵向沉降趋势。地表点位选择如图8所示。图9为顶管顶进过程中右线轴线上方地表的纵向沉降曲线图。除始发井点处点A外，其余各点竖向位移均表现为先隆起后沉降最终趋于稳定的变化趋势。当顶管右线开始顶进后，A点处沉降值开始迅速增大，当顶管右线顶进至15 m时，A点处地表达到沉降最大值22.79 mm，在顶管机继续向前顶进时，A点处地表沉降值缓慢减小最终趋于稳定。当右线顶进完毕后可以看出，A点处的最终沉降量最大，为19.44 mm；E点处的最终沉降量最小，其值为1.86 mm。当顶管左线开始顶进时，可以看出随着左线顶进距离的增加，右线轴线上的五个点沉降量均有一定程度的减小，但变化幅度不大。

图8 地表点位示意图Fig.8 Schematic diagram of surface monitoring locations

图9 地表沉降纵向曲线Fig.9 Longitudinal curves of surface settlement

图10为顶管右线顶进时距始发井29 m的地表横向沉降曲线。当顶管机由始发到顶进至10.5 m时，地表横向沉降曲线几乎没有变化，即顶管机距横向线距离较远时地表横向沉降曲线没有影响；当顶管机顶进到22.5 m时，此时地表横向沉降槽呈隆起状态，最大隆起值位于顶管顶进中心上；当顶管机顶进到28.5 m时，此时地表隆起值开始减小；当顶管机顶进至31.5 m，此时顶管机已穿越目标地表横向曲线，地表由隆起转为沉降状态；随着顶进距离的增加，地表横向沉降槽开始均匀下沉，当顶进距离至49.5 m时达到最大沉降值。此后随着顶进距离的增加，地表沉降值开始减小，最终在右线顶进结束时最大沉降值为12.93 mm。在右线整个顶进过程中，地表沉降最大值均发生在中心线上，地表沉降槽影响范围没有发生变化，结合图7和图10可知，在顶管顶进过程中形成的沉降槽影响范围约为2D（D为矩形顶管截面长边的边长）。

图10 地表沉降横向曲线Fig.10 Lateral curves of surface settlement

3.2 无加固条件下地表水平位移

图11为不同顶进距离下地表侧向水平位移（X方向位移）云图，数值的正负仅代表位移方向不同。在右线顶进时，以右线顶进方向中轴线为界，左侧土体向X轴正方向位移，右侧土体向X轴负方向位移，即右线顶管附近土体均向右线中轴线位移。当左线开始顶进时，顶管左右线中轴线中间区域的水平位移发生了改变，从图11d、e和f中可以看出，中间区域的水平位移变小至2 mm，这是由于在右线顶进时，右线中轴线左侧土体向X轴正方向位移；在左线顶进时，左线中轴线右侧土体向X轴负方向位移，两者位移叠加抵消使得左右线中轴线间的土体水平位移变小。当左线顶进结束后，形成左侧区域土体向X轴正方向位移，中间区域土体水平位移相互抵消，右侧土体向X轴负方向位移。

图11 地表侧向水平位移云图Fig.11 Nephograms of surface horizontal displacement

3.3 加固条件下地表沉降

图12为由管棚和双管旋喷桩加固后的地表沉降云图。首先，加固后地表整体沉降趋势与未加固时大致相似，即沉降主要发生在顶管正上方地表，且越靠近顶管左右线中轴线，沉降量越大。但也有不同：由于在始发端和接收端经双管旋喷桩的加固作用，使得在顶进过程中在两端发生轻微的隆起，最大隆起值小于2 mm。管棚和双管旋喷桩的共同作用降低了地表最大隆起值：在未加固条件下，如图12e所示，此时地表最大隆起值约为4 mm，而在加固条件下，地表最大隆起值均小于2 mm。管棚和双管旋喷桩的共同作用降低了地表最大沉降值并改变了最大沉降值的产生位置，未加固条件下，地表最大沉降值发生在始发端附近，加固后的地表最大沉降值发生在中部区域，当右线顶进结束后，未加固时地表最大沉降值为19.44 mm，加固后地表最大沉降值为14.32 mm，减少了5.12 mm；左右线都顶进完毕时，未加固时地表最大沉降值为20.90 mm，加固后地表最大沉降值为14.75 mm，减少了6.15 mm。

图12 加固后地表沉降云图Fig.12 Nephograms of ground subsidence after reinforcement

图13为加固后的地表沉降纵向曲线，所选取的五个点仍为图8中的五个点。点A和点E均位于双管旋喷桩加固区域，两点的地表竖向位移趋近于0，即在顶管顶进过程中基本不发生沉降和隆起。未加固时点A处竖向位移受顶进距离的影响严重，这表明双管旋喷桩加固处理可有效减少顶管顶进时产生的沉降变形。点B、C和D点处地表变形情况与未加固时相似。

图14为加固后的顶管右线顶进时距始发井29 m的地表横向沉降曲线。刚开始顶进时，受超前管棚的影响，地表呈微沉降状态；随着顶进距离增加，当顶管右线顶进至25.5 m时，地表由沉降状态变为隆起，当顶管穿越目标地表横向沉降槽后，地表又由隆起状态变为沉降；当顶管顶进至46.5 m时，此时达到地表沉降最大值。随后地表沉降最大值开始减小，右线顶进结束时地表横向沉降槽沉降值为14.06 mm。加固后沉降槽影响范围较未加固时没有变化。

图14 加固后地表沉降横向曲线Fig.14 Lateral curves of surface settlement after reinforcement

4 结论

本文基于PLAXIS 3D软件建立三维有限元模型，对超浅覆土大断面矩形顶管近距离双线施工地表沉降规律及加固效果进行研究。主要结论如下：

（1）未加固时地表整体沉降趋势为：在顶管顶进过程中对地表主要影响为沉降，影响区域集中在顶管正上方，且距离顶管轴线越近，沉降量越大；最大沉降量位于始发端，最大隆起量位于接收端。

（2）加固后地表沉降最大值点及沉降最大值均发生了改变：加固后地表最大沉降值点由始发井改变为顶管中部区域；顶进结束后，未加固时地表最大沉降值为20.90 mm，加固后地表最大沉降值为14.75 mm，减少了6.15 mm，表明现场加固方案效果显著，采用超前管棚支护可有效减少地表沉降。

（3）未加固和加固后地表沉降纵向曲线规律基本一致，表现为三阶段：隆起期、快速沉降期和沉降稳定期；当顶管机经过监测点后顶进约20 m时，监测点处的地表沉降值趋于稳定；左线顶进施工对右线地表沉降纵向曲线影响不大。

（4）未加固和加固后地表横向沉降槽变化情况基本一致；地表沉降槽影响范围没有变化，均为2D。

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