矩形顶管在轨道交通通道中的沉降分析

DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2019.04.011

CHINA MUNICIPAL ENGINEERING

Ｎｏ．４　（Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．２０５）

Ａｕｇ．　２０１９

矩形顶管在轨道交通通道中的沉降分析

张 涛

[上海公路桥梁（集团）有限公司,上海 200433]

摘要：相较于传统的轨道交通人行通道施工方法，矩形顶管施工具有明显优势。依托上海轨道交通L2张江高科站1号出入口矩形顶管穿越工程，对矩形顶管施工引起地表沉降的主要因素进行分析。根据朗肯主动土压力理论，确定土体扰动区范围，并基于分析设置地表沉降监测断面。监测结果表明：沿管道轴线方向上，顶管机头前方受扰动区的范围是管道截面高度的2~3倍；横向扰动范围，地表沉降并不均匀，以管道轴线中心沉降最大并向两侧逐步减小；穿越加固区时监测到地表沉降呈现锯齿状的波动现象。所研究的结论可为相关工程的设计与施工提供参考。关键词：轨道交通通道；矩形顶管；地表沉降；扰动范围

中图分类号：U455.47 文献标识码：A 文章编号：1004-4655（2019）04-0036-03

1 工程背景

轨道交通L2张江高科站位于浦东新区科苑路与祖冲之路交口，车站主体结构位于祖冲之路南侧，1号出入口位于祖冲之路北侧，与车站主体连接需建造穿越祖冲之路的地下通道。由于祖冲之路交通繁忙且地下管线众多，不具备开挖施工的条件，综合考虑环境及人流疏散的需要以及管线搬迁难度、工期和工作井尺寸等因素，地下通道采用4.0 m×6.0 m矩形顶管技术施工，顶管结构全部采用预制矩形钢筋混凝土管节，管节接口采用“F”型承插式，接缝防水装置采用锯齿型止水圈和双组分聚硫密封膏。矩形顶管通道净尺寸为3.0 m×5.0 m，采用4.0 m×6.0 m多刀盘土压平衡式矩形顶管机头进行掘进施工，管节壁厚0.5 m，顶管单节长度为1.5 m，自重约34 t，设计混凝土强度为C50，抗渗等级P8，管顶埋深为7 m，H/D=1.75（H为管顶埋深，D为顶管管节宽度）。工程所在地主要由饱和黏性土、粉性土组成，一般具有成层分布的特点。矩形顶管主要位于第③淤泥质粉质黏土层、第④淤泥质黏土层中。

收稿日期：2019-05-06

作者简介：张涛（1982—），男，高级工程师，本科，从事市政工程方向。

2 矩形顶管沉降分析

2.1 矩形顶管施工引起地表变形因素分析

矩形顶管施工可能引起地表沉降。在地面沉降点布置前，需要对可能引起地表沉降的范围进行预测。通常，地表沉降以沉降槽的形式出现[1]，沉降槽的宽度是确定监测范围的依据。Peck[2]最早提出基于正态曲线分布的沉降槽模型，在工程实际中得到广泛的应用；Reilly[3]等假设沉降槽宽度为6倍沉降曲线中心到曲线拐点的距离，并认为该范围以外沉降对工程影响可以忽略。上述研究大都针对圆形隧道。由于矩形顶管的断面较大，沉降槽形态可能与圆形隧道施工引起的沉降槽形态不一致。根据朗肯主动土压力理论，受扰动土体的最大宽度由土体的主动破坏面确定。主动破坏面由隧道的2个下部角点出发，沿着45°+φ/2的倾斜直线向地表发展，φ为土体的内摩擦角，本项目中取30°。2.2 监测断面布设

地基土分布特点详见表1。监测断面布置图见图1。在矩形顶管中心上方布置一个监测点（4号点），在顶管两侧边上方各布置1个监测点（3号点和5号点），在破裂面与3号点和5号点之间各布置一个测点（2号点和6号点），在两破裂面的

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张涛：矩形顶管在轨道交通通道中的沉降分析 2019年第4期

表1 各土层基本参数

层 号①1①2②1③③T④⑤1⑥⑦1⑦2⑧1

土层名称素填土浜填土

褐黄～灰黄色粉质黏土灰色淤泥质粉质黏土灰色黏质粉土灰色淤泥质黏土灰色粉质黏土暗绿～草黄色粉质黏土草黄色砂质粉土草黄~灰黄色粉细砂灰色粉质黏土夹粉砂

层底标高/m3.37~0.440.74~0.141.~0.27-3.74~-6.22-0.84~-2.42-14.29~-17.24-20.33~-22.40-24.04~-26.-37.38~-42.74-55.10~-57.18-74.29~-74.39

层厚/m0.40~3.501.40~2.800.90~2.501.80~6.500.80~2.908.40~12.703.60~6.801.90~5.9010.80~18.7012.50~16.1018.50~18.60

土层描述

以杂填土为主，含混凝土块、石子、砖块等，下部主要为素填土，含少量有机质

以灰色填土为主，含有机质、腐殖物、碎石子等，土质差

含氧化铁锈斑及铁锰结核，局部填土较深处缺失。无摇振反应，干强度中等，韧性中等

夹薄层粉砂，含有机质。无摇振反应，干强度中等，韧性中等

含云母，局部夹贝壳碎屑，夹薄层黏性土，土质不均匀。摇振反应迅速，干强度低，韧性低

含有机质，夹贝壳碎屑。无摇振反应，干强度高，韧性高

土质不均，含云母、有机质，顶部夹薄层砂质粉土。无摇振反应，干强度中等，韧性中等

含氧化铁斑点，局部夹薄层粉砂。无摇振反应，干强度中等，韧性中等 含云母，夹薄层黏性土。局部为粉砂，含云母碎片。摇振反应迅速，干强度低，韧性低

含云母、石英等矿物颗粒，土质较均匀，夹薄层黏土

含云母、有机质，粉砂以薄层状为主。无摇振反应，干强度中等，韧性中等

地表 地表

（碎+木屑）隔离层

外侧各布置一个测点（1号点和7号点）。一个监测断面布置7个测点，基本能描绘地表沉降槽形态的要求。沿着顶管轴线方向共布设4个监测断面（A、B、C、D断面）。A断面距离始发井2 m，位于始发旋喷加固区；B断面距离始发井5 m；C断面距离始发井10 m；D断面距离始发井15 m，共计28个沉降监测点。

监测点

1 2 3 4 5 6 7路基

沉降 曲线

路基

路面硬化层

原状土层

钢筋

≥=50 A3

0-5

图2 路基沉降监测点布置图（cm）

值。在条件许可的情况下，尽可能布设导线网，进行平差处理，提高观测精度。水准线路闭合差应小于±0.3 mm（n为测站数）。再按照测站进行平差，求得各点高程。施工前，由基点通过水准测量测出隆陷观测点的初始高程H0，在施工过程中测出的高程为Hn。则高差△H＝Hn-H0，即为沉降值。2.4 监测结果

顶进过程为匀速顶进，顶进距离随着时间线性增加。监测断面A、B、C、D中顶管上方的3、4、5号监测点的地面沉降随时间的变化关系见图3~图6。其中，B断面顶进至5 m的横断面剖面图见图7。其他监测断面的横断面沉降剖面图与该图类似，不再列出。

地表沉降（负值为沉降）/mm105

A5

45°+φ/2

顶管

45°+φ/2

图1 监测点布置图

2.3 监测点的埋设方法

如果路面是土体，则路面沉降反映土体的沉降；但如果路面是钢筋混凝土路面或沥青路面，则路面沉降难以直接反映土体沉降，需要对路基沉降进行量测。为保护测点不受碾压影响，路基沉降点位标志采用窖井测点形式，采用人工开挖或钻具成孔的方式进行埋设，放入长不小于1 500 mm、直径20~30 mm的圆头钢筋，四周用细沙填实，钢筋需穿过水泥路板，加上保护盖，路基沉降点埋设方式见图2。

测量仪器采用精密水准仪与铟钢尺。观测方法采用精密水准测量方法。基点和附近水准点联测取得初始高程。首次观测应对测点进行连续2次观测，2次高程之差应小于±0.5 mm，取平均值作为初始

A4

-10

0 2 4 6 8

顶进施工时间/d

图3 A断面地表沉降随时间的变化关系

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张涛：矩形顶管在轨道交通通道中的沉降分析 2019年第4期

mm/）0降B5

沉为-5

值负B3

（B4

降-10

沉表地-15

0 2 4 6 8

顶进施工时间/d

图4 B断面地表沉降随时间的变化关系

0C5

mm/降沉-5

C4

C3

表地3C-10

0 2 4 6 8

顶进施工时间/d

图5 C断面地表沉降随时间的变化关系

0mD5

m/降-5D3

沉表D4

地-103D-15

0 2 4 6 8

顶进施工时间/d

图6 D断面地表沉降随时间的变化关系

mm/）0降沉-5为值负-10（降-15

沉表地-20

-10 -5 0 5 10

到顶管中心轴线的距离/m

图7 B断面地表沉降

2.5 数据分析

1）沿轴向的扰动范围。分析监测断面B、C、D（见图4~图6），在顶管机头到达监测断面前方5 m、10 m、15 m时，监测断面已产生地表沉降，且地表未产生隆起。查阅施工组织设计，施工方将机头开挖仓压力设定为朗肯主动土压力，在实际控制中，开挖仓水土压力略大于朗肯主动土压力，但小于静止状态的土压力。因此，在该土压力下，土38

体易产生主动破坏，且由于该顶管相对埋深较浅（H/D=1.75），开挖断面较大（24 m2），土体破坏引起的土体扰动很短时间就传递至地表。

2）穿越加固区的扰动。图3（断面A）是穿越加固区时监测到地表沉降呈锯齿状波动。这是由于土体经过水泥浆液加固后，土体由初始状态的软塑-硬塑状态转变为板结状态，加固后的土体不能及时形成流塑状态，可能以大块的水泥土在刀盘处被反复搅动，对周围土体形成较大程度的扰动。另外，在穿越加固区段时，属于初始顶进阶段（试验段），包括出土量、注浆量、润滑泥浆注浆量和推

进速度等工艺参数都在不断调整中，呈现出波动状态。该区段的土体扰动范围和规律应与正常顶进阶段相区分。该区段的地表沉降量为8 mm，远远小于正常顶进阶段的16.5 mm的沉降量。

3）沿横断面的扰动范围。由图3~图6可知，4号测点的沉降量大于3号、5号测点的沉降量，表明在顶管机的上方，地表沉降并不均匀，呈中间大两侧小。 这是由于4号测点位于顶管轴线的上

方，而3号、5号测点位于顶管两侧壁的上方，根据土体的剪切破坏机理，在顶管两侧壁的上方将形成剪切带，剪切带内侧（顶管机正上方）的土体受到向上的剪切作用力，剪切带外侧的土体受到向下的剪切作用力。由于土体是碎散的，顶管机上方的土体并不是刚性体，越靠近剪切带土体的沉降越小，剪切带的顶管机轴线上方的沉降最大，因此土体的沉降形成如图8所示的沉降槽形状。

B-B＇

1 2 3 4 5 6 7路基

路基

剪剪切切带

带

45°+φ/2

顶管

45°+φ/2

图8 B断面地表沉降槽形状

图8表明沉降槽的宽度没有超过两侧的剪切破坏面，根据摩尔库伦主动破坏模型确定2个剪切破裂面（45°+φ/2）划定地表沉降影响范围。沉降槽的形状与Peck沉降槽形状类似，可使用Peck沉降槽模型对地表沉降进行预测。

（下转第42页）

王银岭：基于改进BP神经网络的路基沉降预测实例分析2019年第4期

3.4 其他工程中的应用及效果

佘北公路（外青松公路—区界）改建工程为上海市松江区第一条路基材料大体量使用泡沫轻质土的市政工程。该工程桥台后泡沫轻质土路基换填高度约7 m，虽然设计方案已计算验证满足规范要求，但为进一步评价竣工后泡沫轻质土的实际效果，在前期沉降观测资料的基础上，采用BP神经网络预测分析，为设计方案提供有力支撑。佘北公路通车3 a来，高填方路基段道路运营状况良好，BP神经网络预测模型的应用也为类似新材料的应用提供一种科学的后评价手段。

金庄公路（金海公路—现状金钱公路）为规划二级公路，是上海市奉贤区“15-17”重点工程，拟建场地内存在大面积的鱼塘、暗浜等不良地质。该项目采用水泥就地固化技术进行不良地质处理，考虑到该技术在奉贤区尚未大面积使用，且部分鱼塘位于金汇港大桥路桥衔接段， 桥头填土高3.5 m。为保证工程质量，本项目采用沉降动态观测与预测相结合的方法，其中BP神经网络为预测方法之一，预测结果为新技术的应用推广提供有力支撑。

对于沉降控制较为严格的高速公路、高铁、轨（上接第38页）

4）地面沉降对竖向土压力的影响。在顶管机的上方，如果顶管施工未对地层造成任何扰动，则该位置受到的竖向土压力等于静止土压力（γH），顶管施工造成地表沉降，形成不均匀的沉降槽。在剪切带的影响下，顶管机上方受到土压力的一部分将通过摩擦作用传递到两侧的土体上，因此顶管受到的竖向土压力将小于静止土压力（CjγH， Cj＜1）。若土体是颗粒体，顶管上部的土压力分布不均匀，呈中间大两侧小，与图8沉降槽的形状相反。3 控制措施

为减少顶管上方土体扰动的影响，应使开挖仓的泥水压力与地层静止水土压力保持平衡，减少土体的主动破坏。顶进过程中在管节周围及时注入足量的润滑泥浆，防止四周土体收缩。顶管完成后或出现局部较大沉降时，应及时置换浆液，注入水泥浆将地层“顶”起，防止上方管线以及地表出现过大沉降。当路基与路面之间产生空隙时，应及时回灌水泥砂浆，防止地面坍塌。42

道交通等项目，通过沉降对比分析及近年来的工程实践，BP神经网络具有较高的精度预测，为工程质量控制提供一种预测、判别手段。4 结语

针对路基沉降预测问题，引入改进BP神经网络方法，对复杂的非线性土工结构直接建模，通过科学数据分析预测路基沉降。该方法避免传统理论方法的弊病，泛化性强、操作简便。在前期样本资料足够及后期学习样本不断补充的前提下，网络预测精度和泛化能力将进一步提高。实例预测结果与常规方法对比表明，改进BP神经网络的预测值与实测值吻合较好、可信度较高，用于路基沉降预测科学、合理，为工程后评价、路基沉降防范等提供可靠的技术支撑，具有研究和推广应用价值。参考文献：

[1] 王宏生.人工智能及其应用[M].北京:国防工业出版社,2006.[2] 陈祥光,裴旭东.人工神经网络技术及应用[M].北京:中国电力出

版社,2003.

[3] 付贵海,魏丽敏,邓宗伟,等.桩筏复合结构加固高速铁路深

厚软基长期性状的现场试验研究[J].中南大学学报(自然科学版),2017(8):237-244.

4 结语

以上海轨道交通L2张江高科站1号出入口矩形顶管穿越工程为例，介绍矩形顶管地表沉降监测结果，得出以下结论。沿顶管轴向，扰动范围为机头前方2~3倍的顶管高度。在加固区段，地表变形呈锯齿状波动，地表沉降量小于正常顶进区间的沉降量。在垂直顶管轴线方向，地表沉降范围可以用Peck沉降槽模型进行预测，沉降范围在朗肯主动破坏线范围内。在顶管正上方，地表沉降和土压力不均匀，呈现为中间大两侧小。当地表产生较大沉降后，应提高开挖仓土压力，向管节外周注入膨润土泥浆和浓泥浆将地层“顶”升，在路面以下回灌水泥砂浆，防止地面坍塌。参考文献:

[1] 韩煊,罗文林,李宁.轨道交通隧道施工引起沉降槽宽度的影响因

素[J].地下空间与工程学报,2009,5(6):1188-1193.

[2] PECK R B.Deep excavations and tunnelling in soft ground[C]//Proc. Int.

Conf. on SMFE,1969:225-290.

[3] O'REILLY M P,NEW B M.Settlements above tunnels in the United

Kingdom-Their magnitude and prediction[R].1982.

ABSTRACTS

passage, rectangular pipe jacking has obvious advantages. Based on the rectangular pipe jacking crossing project of No. 1 entrance & exit of Zhangjiang High-Tech Station of Shanghai Rail Transit L2, the main factors of ground settlement caused by rectangular pipe jacking construction are analyzed. According to Rankine's theory of active earth pressure, the range of soil disturbance area is determined, and the monitoring section of surface settlement is set up based on analysis. The monitoring results show that along the pipeline axis, the disturbed area in front of the pipe jacking machine head is 2 ~ 3 times the height of the pipeline section; the surface settlement is not uniform in the transverse disturbed area, with the maximum settlement in the center of the pipeline axis and gradually decreasing on both sides; and the surface settlement shows a zigzag wave phenomenon when crossing the reinforcement area. The conclusions can provide reference for the design & construction of related projects.

Key words: rail transit channel; rectangular pipe jacking; ground subsidence;

disturbance range

Example Analysis of Subgrade Settlement Prediction Based on Improved BP Neural

NetworkWANG Yin-ling

(Shanghai Linli Urban Planning & Architectural Design Co., Ltd., Shanghai 200437, China)Abstract: An improved BP neural network is used to predict the subgrade settlement, and a multi-input & single-output network model is established without considering various factors affecting the settlement of subgrade. The input

& output of this method are the same kind of data. Previous measured settlement data are used as basic data, which are input according to equal time series. After calculation by a specified algorithm, a stable network model is established, and then the settlement in the later period is predicted. The example shows that the method converges faster, and has higher precision& better prevention of settlement than the conventional prediction method.

Key words: BP neural network; settlement prediction;

subgrade engineering

Design & Analysis of Township Domestic Waste

Collection & Transportation System

ZHAO Yong

(Shanghai Jinxing Municipal Design & Consulting Co., Ltd., Shanghai 200125, China)

Abstract: At present, the problem of rural domestic waste pollution has become a major problem that threatens the water environment security of the river basin and implements of The Rural Revitalization Strategy. Taking Shangli township waste collection & transportation project in Pingxiang of Jiangxi Province as an example, this paper discusses the collection & transportation mode of rural domestic waste from the aspects of technology, economy & environment, and puts forward the allocation calculation method of collection & transporting vehicles, which may provide reference for similar engineering design.

Key words: town life; garbage collection & transportation system;

cloud platform;

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