大断面矩形顶管施工对周围土体扰动实测分析

郭静 马保松 赵阳森 陈雪华 哉鸿鑫

(1.中国地质大学(武汉)工程学院 430074;2.广州金土岩土工程技术有限公司 510610;3.中铁上海工程局集团华海工程有限公司 201101)

引言

随着城市化进程的加快及城市规模的不断扩大,城市的建设逐渐从地面转入地下。矩形顶管作为一种市政建设的非开挖技术,由于其综合成本低、开挖断面利用率高、施工效率高、施工不中断城市交通及减少各地下专业管线的迁移等优点,逐渐广泛应用于城市地下人行通道、地铁及出入口、综合管廊、地下车库等城市地下工程的建设领域,并具有广阔的发展前景。

矩形顶管顶进施工对顶进轴线周围的土体产生一定的扰动,引起周围土体应力应变状态的改变,导致临近建(构)筑物开裂及影响地下管线的安全。所以有必要研究矩形顶管施工期间扰动区域内土体的应力应变变化状况,从而为周围建(构)筑物采取有效的保护及防护措施提供科学依据。

目前,国内外文献对盾构及圆形顶管施工引起的土体扰动做了较多的研究[1-3],针对施工扰动问题进行了大量理论、数值及实测分析[4-6],并提出了一些相应的评价方法及指标。白廷辉等[7]通过监测上海软土地区盾构施工,发现推进速度对周围土压力及变形有较大影响。冯海宁等[8]通过分析直径为1.2m 圆形顶管的土体扰动监测数据,得到了圆形顶管土体扰动规律,喻军等[9]运用数值模拟方法分析了曲线顶管对地表沉降影响,得到摩阻力、机头压力、土体抗力等参数对地表沉降的影响规律。

圆形顶管一般断面较小,外径一般小于4m,而矩形顶管断面一般大于6m ×4m,所以矩形顶管断面远大于圆形断面,又由于其断面不规则,与圆形顶管对土体扰动规律差异较大。目前主要对矩形顶管施工期间地表变形进行了监测及数值分析,魏纲等[10]基于Peck 公式、应力释放理论及应力传递理论,推导了矩形顶管地表总沉降量的计算方法。王晓睿等[11]采用MIDAS 数值模拟软件分析了矩形顶管地表变形规律,并提出了相应减小地表路面沉降的措施。

综上所述,目前缺乏对矩形顶管土体扰动的分析研究,尤其是软土地区大断面顶管工程深层土体扰动分析相关研究及实测数据较少。本文针对矩形顶管施工的特性,结合苏州市某矩形顶管建造综合管廊隧道实测数据。分析研究矩形顶管施工各阶段对周围土体孔隙水压力、土压力、深层土体水平位移、地表沉降等数据的影响,研究矩形顶管施工对顶进轴线周围土体的扰动特性,以期为越来越多地区采用大断面矩形顶管建造综合管廊施工提供指导意见。

1 工程概况

苏州市某穿越河流矩形顶管建造综合管廊隧道工程,顶进长度为233m,为目前国内最长距离的矩形顶管工程,管段上表面平均覆土深度为9m,属浅埋顶管隧道。管节采用预制矩形钢筋混凝土管节,管节接口采用“F”型承插式,管节外断面尺寸为5.5m×9.1m(高度×宽度),内径为4.2m×7.8m,属于大断面矩形顶管工程;管节壁厚为650mm,长度为1.5m/节,单节约重66.8t。采用了组合式多刀盘土压平衡矩形顶管机进行掘进施工,顶管机外径为9.12m×5.52m,顶管机长度为6.14m。

根据地质勘查资料,矩形顶管隧道穿越地层自上而下为: ①素填土、②粘土、③粉质粘土夹粉土、④粉砂夹粉土、⑤粉砂,顶管主要穿越地层为粉砂夹粉土、粉土层。场区地下水丰富,水位埋深为0.5m～2.5m。地层具体物理力学参数如表1 所示。

表1 地层物理力学性质参数Tab.1 Physical and mechanical properties of strata

工程从2017年8月初开始顶进,持续4 个月左右隧道贯通。顶进日期与里程曲线见图1。

图1 顶管日期与里程关系Fig.1 Relationship between pipe jacking date and mileage

2 测试内容与测点布置

现场监测的内容主要为土体孔隙水压力、土压力、深层土体水平位移、地表沉降等项目。现场监测总平面图如图2 所示,各监测项目均在9月2 日顶进里程为35m 时开始测试。

图2 现场监测总平面布置Fig.2 Layout plan for site monitoring

2.1 深层土体水平位移测点布置

监测断面距离始发井为64m,在顶管右侧布置测斜管,主要监测矩形顶管周围土体的深层土体水平位移,分析顶管施工对土体的变形扰动影响。现场布置3 个测孔,分别距顶管轴线7m、11m、15m,测孔深均为16m,如图3 所示。

2.2 土压力、孔隙水压力测点布置

通过在矩形顶管轴线横断面单侧布置土压力计和孔隙水压力计,监测施工期间土体内压力的变化,为研究矩形顶管施工对土体的附加荷载提供依据。

图3 测斜孔布置(单位： m)Fig.3 Layout of inclinometer hole(unit: m)

土压力、孔隙水压力计布置在距离始发井69m的横断面上。土压力的监测采用钢弦式土压力盒。平面上共布置3 个测孔,分别距顶管轴线距离为0、7m、20m,孔号分别为TYK-0、TYK-7、TYK-20,孔深分别为7.92m、11.67m、11.67m。

各土压力盒和孔隙水压力计的埋设位置见图4(图中标注为土压力计的位置,孔隙水压力计安装在土压力计上方0.3m 处)。可以看出,TY-1、TY-3 两个测点主要监测黏土层的土压力变化,而TY-2、TY-4、TY-5 主要测量不同位置粉砂层的土压力变化,TY-1～TY-5 均配有相应的孔隙水压力计,分别为KY-1～KY-5。KY-6 距顶管水平距离较远,用于监测扰动微小的粉砂层孔隙水压力的变化来作为对比。

图4 土压力计、孔隙水压力计布置(单位： m)Fig.4 Layout of soil pressure gauge and pore water pressure gauge(unit: m)

2.3 地表沉降测点布置

监测断面距离始发井为67m,共布置23 个沉降监测点,相对于顶管轴线对称,其中CJ +0～CJ+5每隔1m 设置1 个测点,而CJ + 5～CJ+17每隔2m 设置1 个测点,即编号数字对应该测点到顶管轴线距离,测点布置如图2 所示。主要监测在顶管机到达前、通过时和通过后监测断面的沉降量,分析矩形顶管沉降槽的横向宽度和形状的发展规律,研究地表测点随顶进过程的地表变形发展规律。

3 测试结果分析与讨论

3.1 深层土体水平位移分析

1.总体趋势

深层土体水平位移曲线为正值表示测点土体向管壁方向移动,为负值则向远离管壁方向移动。现场测试的深层土体水平位移曲线的总体形态为: 在深度为0～2m 范围内,曲线为0～2mm范围内的负值曲线,而深度在3m～14m 范围内,曲线为0～7mm 范围内的正值曲线。如图5 所示,图中曲线标签为日期与顶进里程。

图5 CX-7 测孔深层土体水平位移随时间变化曲线Fig.5 Curves of horizontal displacement of deep soil in CX-7 borehole with time

顶管机机头未到监测断面时,曲线基本呈竖直状态,如图5 中9月9 日～9月12 日的曲线所示。

顶管机机头断面到达监测断面时,周围土体发生较大变形。如9月13 日测试曲线,3m～14m范围内的土体向着顶管管壁方向移动,表明顶管机在粉砂地层掘进时,由于地层较为松散,顶管机在该地层掘进发生了超挖现象,而现场监测到的实际出土量大于理论出土量也印证了这一观点。而且深度为4m～7m 范围内土体变形最大,达4.5mm,而深度为9m～11m 范围内土体变形次之,为3mm 左右。说明顶管附近土体最大变形发生在距顶管上表面2m～4m 范围内,而不同于圆形顶管发生在顶管上表面附近的土体。而顶管轴线平面的土体变形比最大变形小2mm 左右。

顶管机机头通过监测断面时土压力发生变化。9月13 日～9月16 日,随着顶管机机头及后续管节逐渐通过监测断面,距顶管机上表面2m～4m附近处的土体一直向正向移动,即一直向顶管机管壁方向移动,在9月17 日才停止了这一现象。这说明顶管机刀盘的出土及后续管节的摩擦剪切作用对这一区域的土体只存在卸荷扰动的影响。而顶进施工对顶管轴线附近的土体扰动要复杂得多。9月13 日～9月14 日,顶管机逐渐通过监测断面,顶管机轴线附近处的土体相对于9月13 日的土体向负方向移动,说明长6m左右的顶管机通过该断面时逐渐对周围土体产生挤土效应。而9月14 日～9月16 日,随着顶管机盾尾通过监测断面,顶管机轴线附近处的土体相对于9月14 日的土体向正方向移动,顶管轴线附近处土体向顶管管壁方向移动,这是由于顶管机比后续管节在壁厚上多20mm 的间隙,所以盾尾通过后周围土体有向顶管管壁填补这一间隙的趋势。而9月16 日～9月17 日之后,随着后续管节向顶管外壁环状间隙注浆的影响,监测到顶管管壁附近处的土体逐渐向负方向移动,即附近土体受注浆的影响逐渐向远离管壁方向移动。

2.施工停顿对深层土体水平位移的影响

由于9月27 日到10月6 日施工停顿,顶管机未顶进,如图6 所示,相比于9月26 日正常顶进时的深层土体水平位移曲线,9月29 日到10月5 日,深度从7m 到14m 的深层土体水平位移为正向增大,表面监测断面附近土体向着顶管管壁方向移动,说明随着顶管的停止顶进,剪切扰动及注浆影响减弱,顶管周围受扰动土体扰动程度逐渐减弱。

图6 施工停顿深层土体水平位移变化曲线Fig.6 Curve of horizontal displacement of deep soil during construction

恢复顶进施工后,相对于停顿期间的10月5日的深层土体水平位移曲线,10月7 日的曲线深度从7m 到14m 的深层土体水平位移向负方向变化,恢复到与正常顶进时9月26 日几乎重合的曲线状态,说明随着施工停顿后启动,伴随着管节周围注入膨润土泥浆,使管节周围土体向外移动,继续对顶管周围土体产生扰动。

3.轴线距离对深层土体水平位移的影响

如图7 所示,分别以3 个测孔9月13 日、9月16 日顶管机头到达及盾尾通过监测断面为例,来分析距离顶管轴线距离不同的土体扰动程度影响。顶管顶进对周围土体深层土体水平位移的影响为越靠近顶管轴线,深层土体水平位移越大,CX-7 深层土体水平位移最大,最大深层土体水平位移达7mm,而CX-11 深层土体水平位移次之,最大深层土体水平位移为2mm,而CX-15深层土体水平位移最小在1.2mm 左右,即顶管对周围土体的扰动距离轴线越近扰动程度越大,向外深层土体水平位移逐渐减小,说明土体受扰动程度也相应减小。

图7 不同测孔深层土体水平位移曲线Fig.7 Horizontal displacement curves of deep soil with different measuring holes

3.2 土压力分析

土压力在顶管机机头断面距离监测断面33m时开始监测,在顶管机距离监测断面较远时,各测点的土压力几乎没有发生变化;如图8 所示,顶管机机头距离监测断面12m 左右(约为管节高度2 倍)时,各测点的土压力值都开始上升,TY-2由于距离轴线最近,受扰动程度最为剧烈,在监测过程中受压而损坏。而TY-1 土压力计较其他土压力计的土压力值上升时间要早,在顶管机机头距离监测断面25m 左右时即出现了土压力值的上升。

1.顶管施工对土压力的扰动程度

各测点的土压力值在顶管机机头距离监测断面12m 时起就出现了迅速上升,在顶管机机头断面到达监测断面时各土压力值达到了一个峰值,与未扰动的土压力值相比,各测点土压力值出现了30kPa 左右的上升。而TY-3 例外,由于距离顶管轴线最远,该处土压力值仅上升了10kPa 左右,这说明距离顶管轴线越近,土体受扰动程度越大,而距离较远时,受扰动程度较小。另外,说明矩形顶管对土体扰动纵断面上的范围大约为矩形顶管高度的2 倍,顶管对该范围以外的土体扰动较小。

2.顶进速率对土压力的影响

顶管机机头断面通过监测断面后,各测点的土压力值都迅速下降,下降到与初始土压力值相等的水平。而顶进里程为70m～85m 左右时,各测点的土压力值也出现了一定幅度的上升,这是由于这一时期内顶管顶进速率较快,说明较快的顶进速率会增加顶管周围土体的扰动程度。顶进里程为120m 时,监测断面的土压力值出现了一定程度的下降,这是由于在这期间,施工现场停工未进行顶管施工,这样从侧面说明停止顶进施工后,对土体的扰动逐渐恢复。

3.土压力最终变化

顶进里程120m 以后继续顶进,各测点的土压力值变化很小,所以在顶进里程为150m 左右时停止了监测。停止监测时的土压力值与初始压力值相比,出现了一定的增长,如距离顶管轴线较近的TY-5、TY-4、TY-1 土压力值增长了15kPa 左右,而距离顶管轴线较远的TY-3 增长了5kPa 左右。

3.3 孔隙水压力分析

各测点孔隙水压力值的总体变化趋势与土压力值变化类似。如图9 所示,当顶管机逐渐到达监测断面时,孔隙水压力值逐渐增大,当顶管机机头断面到达监测断面时孔隙水压力值达到最大,顶管机机头通过监测断面后,孔隙水压力值迅速降低。

1.轴线距离对孔隙水压力的影响

由于KY-2 测点处于砂层,距离顶管轴线最近, 距顶管管节上表面仅为1.5m 左右, 所以KY-2 的孔隙水压力值较其他测点的变化幅度要大, 在顶管机机头达到监测断面时孔隙水压力的峰值远大于其他测点, 高出其他测点峰值10kPa左右。 这主要是由于测点处于砂层, 该地层渗透性较好, 且距离顶管轴线较近, 该测点受到顶管机刀盘注浆渗流的影响, 即该测点监测到刀盘注浆对周围土体的扰动。 而KY-1、 KY-3 监测点距顶管轴线较远, 所监测到的孔隙水压力增长幅度远小于其他两测点; 而距离最远的KY -3 孔隙水压力值的增长在时间上也要晚于其他测点,这表明了监测数据的可靠性。

2. 顶管施工对孔隙水压力的影响程度

由图10 可知, 由于3 个测点距离顶管轴线距离不同, 距离顶管轴线较近的KY -2 孔隙水压力值的变化远大于其他2 个测点, 在顶管机机头通过该监测断面时, 孔隙水压力值出现了50kPa 左右的变化, 而KY - 5 的变化值为30kPa 左右。 由于KY -6 距顶管轴线为20m,该测点的孔隙水压力值在顶管顶进过程中几乎未出现变化, 说明该测点土体几乎未受到顶管施工的扰动影响。 图10 表明, 距离顶管轴线越近, 土体的受扰动程度越高, 距离较远时土体的扰动程度逐渐减小。

3.4 地表沉降分析

如图11 所示, 当顶管机机头距离监测断面较远( ＞15m)时, 监测断面几乎不出现沉降现象; 随着机头距监测断面从15m 逐渐靠近时, 各监测点都逐渐向上隆起, 机头即将到达监测断面时各测点隆起值达到最大, 其中距离顶管轴线距离越小, 隆起值越大, 最大隆起值为5mm。 推测是由于顶管埋深较浅, 顶管机机头由于剪切扰动带动上表面土体一起移动产生所谓的“背土效应”, 造成顶管机上方及前方土体产生挤压加之顶进力的影响从而导致地表产生隆起变形。

机头通过监测断面后, 各测点都出现了急剧的沉降, 并在顶管机机头距离监测断面达13m(约为管节高度2 倍)时沉降达到最大, 其中距顶管轴线距离越小, 沉降值越大, CJ -1 的最大沉降为15mm, 而距离顶管轴线大于1 倍管节宽度的测点发生较小的沉降, 如CJ -9、 CJ -11 的沉降几乎为0, 在图12 中更能反映这种趋势, 说明矩形顶管的沉降槽影响范围为距离顶管轴线各1倍管节宽度。 且矩形顶管的沉降槽与圆形顶管的Peck 正态分布曲线槽存在差异, 矩形顶管的沉降槽底端为近水平的类等腰梯形槽, 水平段长度约为管节宽度。 与圆形顶管隧道沉降槽不同推测是由于矩形顶管上表面为9m 多的水平宽度, 加上受到施工注浆因素的影响, 因此矩形顶管与圆形顶管的地表沉降槽存在这样的差异。

图8 土压力随顶进里程变化曲线Fig.8 Variation curves of earth pressure with jacking mileage

图9 孔隙水压力随顶进里程变化曲线Fig.9 Variation curves of pore water pressure with jacking mileage

图10 不同测孔孔隙水压力变化曲线Fig.10 Variation curves of pore water pressure in different measuring holes

图11 测点随顶进里程的变形Fig.11 Deformation chart of measuring point with jacking mileage

顶管机机头距离轴线大于15m 之后沉降有所恢复, 并逐渐趋于稳定。 这是由于不断向顶管管壁压注膨润土泥浆, 充填了顶管壁后间隙, 减少了管节周围土体损失, 使地面最终沉降保持在7.5mm 左右。

图12 地表横断面测点变形Fig.12 Deformation map of surface cross section

4 结论

1.矩形顶管与圆形顶管对产生的土体扰动存在一些差异。矩形顶管附近土体最大水平位移发生在距顶管上表面一定距离处,而不同于圆形顶管发生在顶管上表面附近的土体;矩形顶管的地表沉降槽较圆形顶管的也存在较大差异,矩形顶管产生的地表沉降曲线底部较为平缓。

2.矩形顶管对土体的扰动与顶管机距监测断面位置有直接联系,随着顶管机逐渐靠近,土压力、深层土体水平位移及孔隙水压力受扰动变得剧烈,顶管机通过后土体扰动逐渐减弱;距离顶管轴线距离越近,土体受扰动程度越高。建议施工期间加强顶管机附近土体变形监测,距离顶管轴线距离较近的构筑物应采取保护措施。

3.顶管顶进速率越快,对周围土体扰动越大。而施工停止后,矩形顶管对周围土体的扰动逐渐恢复,但受管周附近土体固结影响,土体有向管壁移动趋势。建议施工期间不能盲目加快顶进速率,且施工停顿期间不能停止向管壁压注膨润土泥浆,停顿后重启时注意监测顶进力及地表沉降变化,防止顶管重启对周围的剧烈扰动,以确保施工安全。

后续的大断面矩形顶管施工时,建议采取相应措施避免这些土体扰动规律对周围建、构筑物的影响。建议后续采用有限元分析,结合本工程及类似工程实测数据,提出合理参数,对更大断面矩形顶管复合地层土体扰动规律作进一步研究。