超大断面矩形顶管土体扰动分析及沉降控制.pdf

NO.3(Ser.294)JOURNAL OFRAILWAY ENGINEERINGSOCIETY第3 期（总2 9 4）Mar2023程报道铁学2023年3 月文章编号：10 0 6-2 10 6(2 0 2 3)0 3-0 0 6 4-0 7超大断面矩形顶管土体扰动分析及沉降控制姜留涛李宏波2*（1.陕西铁路工程职业技术学院，渭南7 140 0 0；2.盾构及掘进技术国家重点实验室，郑州450 0 0 1)摘要：研究目的：超大断面顶管施工土体扰动及沉降控制对整个工程风险控制至关重要，为探究超大断面矩形土压平衡顶管土体扰动规律及沉降控制方法，以郑州红专路下穿中州大道顶管工程为依托，通过顶管模型及土体沉降数值解分析，深入分析顶管过程参数对土体变形影响规律。研究结论：（1）矩形顶管不同因素作用下土体沉降影响数值解同实测数值较一致，验证了数值模型解的准确性；（2）通过对土体扰动影响因素进行分析，泥皮套摩阻系数对地层沉降影响较小，推力、注浆压力适当增大可抑制地表沉降，建议推力略大于1倍掌子面中心土压力，注浆压力控制在2 倍上覆土层压力以内；（3）装备防背土设计、管节涂蜡、触变泥浆、渣土改良、注浆减摩等手段综合应用对减少大断面顶管土体扰动及沉降控制效果显著；（4）本研究成果可为超大断面矩形土压平衡顶管工程提供参考或借鉴。关键词：隧道；超大断面；矩形顶管；土体扰动；沉降控制中图分类号：U45文献标识码：ASoil Disturbance Analysis and Settlement Control of Rectangular Pipe Jackingwith Super Large SectionJIANG Liutao,LI Hongbo?(1.Shaanxi Railway Institute,Weinan,Shaanxi 714000,China;2.State Key Laboratory of Shield Machine and BoringTechnology,Zhengzhou,Henan 450001,China)Abstract:Research purposes:The soil disturbance and settlement control in the construction of super-large sectionpipe jacking is very important to the risk control of the whole project.In order to explore the soil disturbance law andsettlement control method of super-large section rectangular earth pressure balance pipe jacking,based on the pipejacking project of Zhengzhou Hongzhuan Road crossing Zhongzhou Avenue,through the pipe jacking model andnumerical solution analysis of soil settlement,the influence law of pipe jacking process parameters on soil deformation isdeeply analyzed.Research conclusions:(1)The numerical solution of soil settlement under different factors of rectangular pipe jacking isconsistent with the measured value,which verifies the accuracy of the numerical model solution.(2)Through theanalysis of the influencing factors of soil disturbance,it is found that the friction coefficient of mud jacket has littleinfluence on the ground settlement,and the proper increase of thrust and grouting pressure can inhibit the groundsettlement.It is suggested that the thrust should be slightly greater than 1 time of the central earth pressure of the face,and the grouting pressure should be controlled within 2 times of the overlying soil pressure.(3)The comprehensiveapplication of anti-back soil design,pipe joint wax coating,thixotropic mud,slag improvement,grouting and friction米收稿日期：2 0 2 2-0 8-19基金项目：陕西铁路工程职业技术学院科研项目：粉质黏土地层盾构下穿既有隧道沉降控制技术的研究与实践（ky2021-45）*作者简介：姜留涛，19 8 2 年出生，男，副教授，现任陕西铁路工程职业技术学院铁道动力学院院长；李宏波，19 8 6 年出生，男，高级工程师。李宏波：超大断面矩形顶管土体扰动分析及沉降控制姜留涛第3 期65reduction,has a significant effect on reducing soil disturbance and settlement control of large-section pipe jacking.(4)The research results can provide reference for super-large section rectangular earth pressure balance pipe jackingengineering.Key words:tunnel;super-large section;rectangular pipe jacking;soil disturbance;settlement control随着我国城市化进程的高速发展，地下空间的开发已成为舒缓城市交通压力、破解市域土地资源紧张的重要举措。顶管工法作为一种隧道非开挖技术已广泛应用于地下人行通道、地铁站出人口、地下车行道以及城市综合管廊等工程。顶管施工最早应用于1896年美国北太平洋铁路铺设工程，早期顶管管节以圆形为主，为了提高隧道断面利用率，2 0 世纪8 0 年代后，先后进行了矩形、椭圆形、双圆、多圆隧道断面顶管机的开发，同圆形隧道断面相比，矩形断面隧道可提升空间利用率高达2 0%。大断面矩形顶管在交通繁忙、人口密集、地面建筑物众多、地下管线复杂的市政隧道和综合管廊工程上优势明显2 在大断面矩形顶管技术研究方面，吴波等3 依托宁波地铁车站出人口大断面矩形顶管工程，对顶管推进过程中地面产生的较大隆起进行分析。贾连辉4对超大断面矩形顶管装备进行了设计。彭刚5 以郑州纬四路至商务西三街下穿中州大道顶管工程为例，总结了大断面矩形顶管近距离双线并行施工所引发的地表沉降特征。刘畅等6 对类矩形盾构顶管隧道上浮机理进行了研究。黄伟7 依托郑州红专路下穿中州大道机动车矩形顶管隧道工程，对大断面矩形顶管隧道管节结构进行了优化设计。周浩等8 依托苏州城北路综合管廊矩形顶管项目，对多因素下施工引起的地层竖向变形进行研究，对大断面矩形顶管施工过程中引起的地表沉降进行了预测。目前国内外针对超大断面矩形顶管的研究集中在顶管管节优化设计、装备针对性设计、单孔隧道土体变形、单因素对土体变形影响方面。本文依托红专路下穿中州大道超大断面多孔隧道矩形顶管工程，结合超大矩形断面、超小隧道施工间距、浅覆土的工程特点，分析了多因素条件下顶管施工对土体沉降的影响，并给出了超大断面矩形顶管施工控制土体扰动和沉降方法，期待为后续超大断面矩形土压平衡顶管工程提供参考借鉴。1工程简介中州大道作为郑州中心城区快速路系统的纵轴线，是连接城市南北出人口的一条重要快速交通通道，红专路下穿中州大道矩形顶管隧道按照4孔隧道平行布置，中间2 孔隧道为机动车道，两侧为非机动车道，工程位置如图1所示。隧道具有浅覆土、小间距、大断面特点。最小覆土仅为3.5m，中间2 孔隧道净间距仅1m，机动车道隧道断面为10 12 0 mm7270mm，非机动车道隧道断面为7 52 0 mm5420mm。顶管装备采用2 台多刀盘矩形土压平衡顶管施工，如图2 所示。中州大道20014004004004004004001.2000St二1005010075010101010750图1红专路下穿中州大道工程（单位：cm）图2矩形土压平衡顶管该工程属于典型的超浅覆土、超小净距、超大断面矩形土压平衡顶管隧道工程，工程地处繁华密集城市建筑群，施工过程交通不断行，顶管施工对土体扰动和地表沉降控制要求极高。2顶管沉降数值求解超大断面矩形顶管土体扰动及变形机理十分复杂，宏观上地表变形影响因素主要有地层损失、顶管推力和管节外壁摩阻力对土体扰动的影响。建设土体为(4)2023年3 月报程学道铁66半无限弹性体且固结不排水，顶管施工荷载为均布荷载，匀速沿直线推进。基于弹性力学和随机介质理论分析不同因素对地表竖向位移的影响，矩形顶管模型如图3 所示。后续管节顶管机B一Z图3矩形顶管力学模型2.1推力引起地面变形数值解基于弹性力学Mindin解，假定P为弹性半空间体y方向的水平集中力，G为土的剪切模量，为土体的泊松比，为计算点的空间深度。在xOz坐标系中积分可得开挖面推力引起的土体某点坚间位移 1(-A)n(H-BBH，y22方向$取ut，积分得开挖面推力引起地面变形数值解为ABH+P(y-ut)+(z-n)(3-4u)Z：1-uR1BRAH4(1-(1-2u)dnde22Z+(1)R2R,(R,+z+c)其中R=/(x-e)?+(y-ut)?+(z-m)?(2)R,=(x-)?+(y-ut)?+(z+m)2(3)2.2注浆压力引起地面变形数值解在xOy坐标系对注浆压力求积,积分区间C性力学通过积分得到注浆压力引起地面变形数值解为AutP12=3-4+8(1-)-(3-4)(z-n)_ 6m2(z+n)+4(1-)(1-2)2dede16元G(1-)LRR2RRAR2(R,+z+c)其中R=/x-)?+(y-)?+(z-H)2(5)R2=(x-)?+(y-)?+(z+H)?(6)2.3摩擦力引起地面变形数值解摩擦力包括顶管机和后续管节摩擦力，顶管机的摩擦力引起变形可在xOy坐标系下对顶管机与土体的摩擦力求积分，后续管节摩擦力在整体xOy坐标系下取积分坐标对后续管节与土体摩擦力求积分。顶管机#据力限分区网。（一会会）,$C(ut-L,ut),后缕管节摩擦力积分区间。（-会),在 轴上取C（O,u t），z 向在n轴上为顶管埋深。利用弹性力学通过积分得到摩擦力引起地面变形数值解为AP(y-)ut(z-m)(3-4)6mz(z+m)4(1-)(1-2)2dede+u-L16G(1-)RRRR2(R,+z+c)A2(7)AP(y-)(z-n)(3-4)_ 6mz(z+n)ut4(1-)(1-2)2dedsR+16G(1-)lR2RR,(R,+z+c)A其中R,=(x-)?+(y-)?+(z-H)2(8)R2=(x-)?+(y-)?+(z+H)2(9)2.4沉降