淺覆土曲線段大直徑泥水平衡頂管施工沉降的控制

李小龍 趙 睿

（1.中鐵北京工程局集團城市軌道交通工程有限公司，安徽 合肥 230088;2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

近年來，城市地下管網(wǎng)建設(shè)受所處的環(huán)境影響，通常采用非開挖技術(shù)進行施工，其中頂管技術(shù)應(yīng)用尤為突出。頂管作為近年來使用較多的一種施工方法，有著其獨特的優(yōu)點。頂管施工可以將作業(yè)面移至地下，減少對地上建（構(gòu)）筑物的影響，其環(huán)境效益和經(jīng)濟效益都十分可觀。但是當(dāng)頂管在地下施工，就不可避免地對土體產(chǎn)生擾動。如果處理不當(dāng)，會使地面產(chǎn)生較大沉降或隆起，甚至影響上部建筑物安全，所以控制好頂管施工過程中的沉降是頂管工程成敗的關(guān)鍵[1-6]。

廣州地鐵7號線二期某車站D2000污水管遷改工程采用泥水平衡頂管大直徑污水管進行施工，工程具有埋深淺、管道直徑大、地質(zhì)條件差等特點，并且下穿復(fù)雜敏感區(qū)域。若施工過程中地面沉降得不到有效控制，將帶來巨大的不良社會影響。鑒于此，本文從多方面提出沉降的控制措施，并通過現(xiàn)場監(jiān)測分析沉降變化特點，以確保施工安全。

1 工程案例

1.1 工程概況

廣州地鐵7號線二期某車站現(xiàn)狀D2000污水管橫穿車站，埋深7.5m，車站施工前需要將該管道永久遷改至基坑范圍外。根據(jù)現(xiàn)場實際條件，最終確定的遷改方案路由總長度約888m，全部采用頂管施工，工作井6座，接收井7座，管道采用單向坡度，坡度為0.5‰，管節(jié)外徑2400mm，內(nèi)徑2000mm，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長度2.5m。由于部分居民小區(qū)及學(xué)校不具備工作井及檢查井施工條件，設(shè)計采用279m直線+曲線頂管穿越，其余管段長度為60~135m不等。曲線段參數(shù)如表1所示。

表1 曲線段參數(shù)統(tǒng)計表

1.2 工程地質(zhì)條件

以頂管工程曲線段為例，施工區(qū)地層從上至下分別為雜填土層、黏性素填土層、淤泥質(zhì)土層、淤泥質(zhì)粉細砂層、淤泥質(zhì)中粗砂層、粉質(zhì)黏土層、中粗砂層，地下水埋深1.7～2.8m。

1.3 工程難點

由于新建車站周邊緊鄰居民小區(qū)、市政道路、既有地鐵運營線及河道，導(dǎo)致該管道遷改路由選擇十分困難，最終選定的遷改路由下穿民房2處（條形基礎(chǔ)，埋深1.5m），下穿市政道路1次（進港重型車道，管頂覆土5.2m），下穿既有河堤約120m（局部存在偏壓及冒頂風(fēng)險），下穿學(xué)校運動場80m（學(xué)校處于教學(xué)時段），周邊環(huán)境復(fù)雜。同時地質(zhì)縱斷面顯示，頂管上部平均覆土厚度為5.2m，最小3.8m，最大5.7m，主要穿越淤泥質(zhì)土層、淤泥質(zhì)粉細砂層、淤泥質(zhì)中粗砂層，頂管上部覆土淺且穿越軟弱地層，沉降控制難度大。頂管具體路由及周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 D2000污水管遷改路由平面圖

1.4 頂管機刀盤選擇

前期5-9#井頂管施工采用了Ф2460mm刀盤泥水平衡頂管機（見圖2），主要是針對河堤下部存在的樹根、回填塊石等障礙物，該機型帶有二次破碎功能，不易堵管，但從整個頂管過程來看，施工沉降控制難度較大，周邊地表沉降到達11~20cm，房屋下沉最高達15cm。

圖2 5-9#井頂管機刀盤

為避免9-13#井頂管施工期間出現(xiàn)類似情況，減小了刀盤直徑，選用了Ф2420mm刀盤泥水平衡頂管機（見圖3），該機與前期施工使用的頂管機相比，具有刀盤開口率小、功率大、具備局部破巖功能（配備滾刀6把）等特點。施工過程中主要通過控制排泥管的泥漿排量以平衡開挖面的地下水壓力，泥水倉壓力一般比掘進地層的地下水壓力高20kPa。

圖3 9-13#井頂管機刀盤

2 沉降控制措施

2.1 地層預(yù)加固處理

9-13#井曲線頂管區(qū)間始發(fā)后22.5m處開始下穿進港重型車道（道路寬14m，雙向四道），穿越處管道頂部覆土厚度約5.6m，管底為淤泥、淤泥質(zhì)土和淤泥質(zhì)砂土，地質(zhì)條件差。頂管施工期間如果出現(xiàn)地面下沉或開裂等情況，將導(dǎo)致中斷交通，為降低施工風(fēng)險，可提前對道路下方采取注漿的方式進行加固處理，同時在路面鋪設(shè)厚鋼板。

2.2 頂進參數(shù)控制

頂進過程中泥水壓力的設(shè)置主要是考慮地下水的影響，泥水倉的泥水壓力需要高出地下水壓力20~30kPa。9-13#井頂管區(qū)間平均埋深5.7m，得到的泥水壓力控制值為0.06~0.08MPa。頂管頂進施工中需要嚴(yán)格控制相關(guān)技術(shù)參數(shù)，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化進行相應(yīng)調(diào)整。頂進施工過程中做好機手之間的對接，堅持“多調(diào)、微調(diào)”原則。本段曲線頂管區(qū)間的頂進參數(shù)控制如表2所示。

表2 頂進控制參數(shù)

2.3 觸變泥漿技術(shù)

9-13#井頂管區(qū)間選用的頂管機刀盤直徑為2.42m，頂進過程中后續(xù)管節(jié)直徑比頂管機刀盤直徑小20mm，造成管道與周邊土體存在空隙。在曲線頂管過程中糾偏會對土體一側(cè)產(chǎn)生擠壓作用，而另一側(cè)由于應(yīng)力釋放也會形成空隙。因此，在頂進的軌跡中會形成許多空隙。頂進過程中泥漿的作用為：（1）減阻作用，將頂進管道與土體之間的干摩擦轉(zhuǎn)換為液體摩擦，減小頂進的摩阻力；（2）填補作用，填充管道與土體之間存在的空隙；（3）支撐作用，在注漿壓力下，減少土體變形，使管道周邊土體變得更穩(wěn)定。

頂管施工過程中，由于機頭向前移動，泥漿套容積不斷增大。若不及時注漿，泥漿套壓力降低，產(chǎn)生抽吸作用，易導(dǎo)致管外壁間隙的坍塌，土體坍入泥漿套，使?jié){套殘缺不全。因此同步注漿必須先注后頂。

結(jié)合實際地質(zhì)條件，本段頂管選用鈉基膨潤土，注漿壓力為0.06MPa，注漿量按照頂管施工后形成空隙的1.5倍計算，每節(jié)管頂進后注漿量不少于0.3m3。注漿管按照間隔3個管節(jié)進行預(yù)留，分機尾同步壓漿、沿線補漿、洞口注漿3條線進行，主要目的是在管外壁形成完整的觸變泥漿潤滑套。頂進過程中機尾同步注漿及時填充機頭與管節(jié)之間的空隙以及糾偏產(chǎn)生的空隙，沿線補漿是對管外壁泥漿滲透至土層造成的泥漿套缺損進行修補，洞口注漿是防止管節(jié)泥漿套在剛進洞時被塌落土體破壞。本段泥漿控制參數(shù)如表3所示。

表3 膨潤土泥漿性能控制表

2.4 糾偏技術(shù)

工具管糾偏直接影響到地面的沉降。操作中要求“勤頂、勤測、勤糾”，及時進行微調(diào)，原則上每頂進一節(jié)就測量一次。糾偏應(yīng)盡量選擇在管道頂進過程中進行，避免在靜止?fàn)顟B(tài)下糾偏（靜態(tài)糾偏所需的力大于動態(tài)糾偏所需的力，且會對第一段管節(jié)產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力）。糾偏時要小角度糾偏，因糾偏角越大，空隙越大，會造成管壁周邊土體坍塌，從而引起地面沉降。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

9-13#頂管全長279m，8月11日頂管機始發(fā)頂進施工，8月20日完成接收出洞，共計用時10d。本段直線段頂管135m，曲線段頂管長145m，按照設(shè)計要求的布點間距，沿線路共設(shè)置52個監(jiān)測點，地表監(jiān)測范圍為軸線兩側(cè)6m，建構(gòu)筑物監(jiān)測點布置在轉(zhuǎn)角處。結(jié)合實際地質(zhì)條件及特殊工況，設(shè)計規(guī)定的地表沉降控制值為60mm，預(yù)警值48mm，變形速率控制值為4.2mm/d，建構(gòu)筑物沉降控制值為40mm，預(yù)警值為32mm，變形速率控制值為3.2mm/d。

由于監(jiān)測點位較多，沉降數(shù)據(jù)分析按照四段劃分，第一段監(jiān)測點（DBC09-第9節(jié)管地表點至DBC24-第24節(jié)管地表點）主要布置在豐樂南路及金逸雅居小區(qū)大門，第二段監(jiān)測點（DBC30至DBC54-3）主要布置在金逸雅居內(nèi)人行道上，第三段監(jiān)測點（DBC59-1至DBC82-3）主要布置在外國語學(xué)院體育器材室前后，第四段監(jiān)測點（DBC88-1至DBC109-3）主要布置在外國語學(xué)院籃球場區(qū)域。監(jiān)測點布置如圖4所示。

圖4 9-13#井頂管監(jiān)測點布置

第一段數(shù)據(jù)分析（見圖5）：從開始頂進施工到機頭出洞完成3d，監(jiān)測點沉降最大值為56.1mm（DBC09-1），監(jiān)測點沉降最小值為6.4mm（DBC19-2）。本段主要下穿既有道路，從沉降數(shù)據(jù)來看，在道路下方提前注漿加固后的沉降較小，不具備加固條件位置沉降值較大，但未超過控制值，同時下穿小區(qū)大門期間變形數(shù)據(jù)穩(wěn)定，頂管接收后的固結(jié)沉降值約15mm。

圖5 第一段地表沉降量變化

第二段數(shù)據(jù)分析（見圖6）：從開始頂進施工到機頭出洞完成后3d，監(jiān)測點沉降最大值為97.94mm（DBC45-1），監(jiān)測點沉降最小值為10.09mm（DBC40-3）。本段主要下穿河堤，由于管頂覆土較淺且存在偏壓等不利條件，同時頂進過程中有松木樁等障礙物導(dǎo)致推進速度緩慢，排渣量上升后沉降速率加大；且在含水量較大的黏土中頂進時，實際注漿量應(yīng)大于預(yù)計注漿量的1.5倍，因此地表沉降超限較多，頂管接收后的固結(jié)沉降值與第一段一致。

圖6 第二段地表沉降量變化

第三段數(shù)據(jù)分析（見圖7）：從開始頂進施工到機頭出洞完成后3d，監(jiān)測點沉降最大值為148.36mm（DBC64-1），監(jiān)測點沉降最小值為8.44mm（DBC82-3）。造成該現(xiàn)象的原因可能是管壁與周邊土體的空隙填充不及時，造成地層應(yīng)力釋放，土體發(fā)生彈塑性變形而引起地層沉降；并且本段主要下穿河堤及學(xué)校器材室，在學(xué)校器材室位置頂管由直線向曲線過渡，曲線段管外側(cè)土發(fā)生擾動，導(dǎo)致曲線管外壁建筑間隙不斷增大；由于機頭糾偏次數(shù)過多，對管道周邊土體擾動較大，導(dǎo)致地表沉降值急劇加大，遠超控制值，同時學(xué)校器材室僅為一層小樓，基礎(chǔ)埋深淺，頂進期間由于不均勻沉降出現(xiàn)了較大的裂縫，頂管接收后的固結(jié)沉降值與第一段一致。

圖7 第三段地表沉降量變化

第四段監(jiān)測數(shù)據(jù)分析（見圖8）：從開始頂進施工到機頭出洞完成后3d，監(jiān)測點沉降最大值為51.11mm（DBC109-1），監(jiān)測點沉降最小值為0.58mm（DBC109-3）。本段主要下穿學(xué)?；@球場且地勢平坦，頂進期間由于曲線頂管臨近接收端位置，糾偏次數(shù)較多，導(dǎo)致沉降數(shù)值較大，但未超過控制值，其余點位沉降數(shù)值穩(wěn)定，頂管接收后的固結(jié)沉降值與第一段一致。

圖8 第四段地表沉降量變化

從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，頂管期間地面變形分為三個階段，即頂管機頭前部變形階段、頂進施工沉降階段、土體固結(jié)沉降階段。在本段頂管過程中第一階段變形最大值為32mm，第二階段變形最大值為88mm，第三階段變形最大值為15mm。

4 結(jié)束語

結(jié)合廣州地鐵7號線二期某車站D2000污水管遷改工程頂管施工經(jīng)驗，可以得到以下結(jié)論：

（1）淺覆土大直徑泥水平衡頂管在軟弱地層中頂進時，刀盤直徑及開口率不宜過大，頂進速度及出土量是重要控制指標(biāo)，宜選用少出渣、快頂進的方式進行；

（2）對于重要的道路及構(gòu)筑物，應(yīng)提前進行注漿加固，這是控制施工沉降的有效手段，加固宜選用雙液漿；

（3）直曲線交界附近頂管機糾偏次數(shù)較多，對地層擾動較大，頂進過程中沉降控制難度較大，在具備條件時可采取提前加固措施，減少擾動范圍，避免出現(xiàn)較大沉降；

（4）淺覆土且地質(zhì)條件差的情況下進行頂管施工時，對地層造成擾動而引起的施工沉降與管徑大小有直接關(guān)系，淺覆土適合小直徑頂管施工。