泥水平衡頂管施工對地下管線的影響

葛以衡

(上海市第二市政工程有限公司，上海市 200065)

0 引言

頂管施工往往會穿越煤氣、污水等地下管線。頂管頂過會造成地層損失，如果地層損失過大，會造成地下管線破壞，引起工程事故。

一般認為如果施工參數得當，控制措施合理，可以把地層損失率控制在3%以內。如果采用3%的地層損失率控制是否能滿足管線的變形要求還有待于工程驗證。

本文通過一個工程實例，說明通過加強監測，控制頂管施工參數，有效控制地層損失率，可以使頂管施工引起的地下管線變形控制在允許范圍內。

1 工程概況

耀華地塊緯一路一雨水管道穿越已有耀華支路，設計采用頂管施工，為泥水平衡掘進機。頂管管道管徑DN1000，埋深為8.7 m，長度為68.3 m。管材為F型鋼承口式鋼筋混凝土，每節長3.0 m。緯一雨5#工作坑尺寸為8.3 m×3.7 m；緯一雨4#接收坑尺寸為5.4 m×3.7 m。

本工程地下管線情況復雜，有大量規劃保留、新建及在建的重大市政設施，具體包括：現狀耀華支路下規劃保留的合流二期2-2 400×2 400污水箱涵（埋深約3.2 m）、DN1200煤氣管道（埋深約2.0 m）。污水箱涵及DN1200煤氣管施工期間需監測保護。具體頂管及地下管線相對關系剖面布置圖見圖1，平面圖見圖2。

頂管穿越耀華支路段分布的土層自上而下可劃分為五大層七個亞層，一個透鏡體。其中①1層為人工填土，①3層為江灘土，②1層～⑤3層為全新世Q4沉積層。場地地基土的物理力學參數見表1。

表1 各土層的物理力學參數表

2 施工監測

為保證頂管頂進過程中煤氣管線及污水箱涵的安全，需要在管線上布置管線沉降監測點，同時，在沿頂管軸線上布置地面沉降觀測點。施工前，測得初始值，作為監測的初始依據。監測布置圖見圖3，具體監測點說明見表2。

表2 頂管監測點位說明及預警值

場地內的煤氣管及污水箱涵管徑大、壓力高，對變形控制要求較高。對該類管線的測點布置，在條件允許的情況下盡量布設直接監測點。但是，采用包裹法布設直接點需要開挖大面積道路，在交通主干道上將無法實施。因此，將采用小型鉆進設備鉆穿道路硬土層，將測點插入到管線上部的軟土層中，然后加設套管，具體見示意圖3。

施工過程中要求第三方監測單位嚴格按照施工方案對頂管周圍環境進行監測。如果發現本次位移沉降或累計位移沉降超過預警值，應及時通知施工單位,在采取保護措施后才可進行施工。管線及周圍環境預警值見表2。

3 頂管施工控制

3.1 施工準備

頂管進場后，由設備管理員對機頭及頂進裝置進行驗收，驗收合格后方可下井。機頭頂進前，首先進行調試，機頭及頂進裝置調試完畢無任何異常后，開始頂進。

3.2 頂管施工及管線沉降控制措施

為確保污水箱涵及煤氣管的安全，采用以下管線保護方案：

（1）開挖暴露，吊托保護。由于DN1200煤氣管埋深較淺，頂管穿越前一天開挖暴露出穿越段2 m長度的管線，卸載覆土壓力，減少沉降，如監測達到預警值，即采用吊托保護。

（2）頂管穿越污水箱涵段，由管內預留注漿孔對整個穿越段進行壓密注漿，加固范圍為頂管上方2 m范圍。

（3）精心監測，優化頂管參數。頂管頂進初始階段，精心組織地表及管線變形量監測，根據地表及管線的變形量對施工參數進行調整和優化，指導后續施工。

頂管頂進之前在污水箱涵兩側開挖樣洞，確定污水箱涵無圍護結構后，頂管開始頂進。為確保污水箱涵及煤氣管的安全，頂管開始時頂進速度控制在2.4 m/h左右，頂力不大于3 000 kN。當頂進距離20 m時開始在管道預留孔內注膨潤土，作為潤滑劑。頂管施工參數見表3。

表3 頂管施工參數

4 頂管穿越對上部管線及箱涵影響

頂管頂進前首先取得初始值，每個測點從頂管切口達到前30 m開始監測。煤氣管、污水箱涵及地面累計沉降量隨時間變化見圖4、圖5、圖6。各次監測時頂管頂進距離見表4。其中，煤氣管監測點最大沉降點M4位于頂程50 m處；污水箱涵沉降監測點最大沉降點位于頂程35 m處。

表4 各次監測的頂管施工工況

由監測數據可知：頂管機頭距離監測點（-30 m～+20 m）時，對管線及地面影響較大。當頂管頂進30 m，管線及地表變形速度開始增大。當頂管穿越過既有管線之后，管線沉降達到最大值：煤氣管在最大沉降量為-7.66 mm，此刻煤氣管縱向變形見圖7；污水箱涵最大沉降量為-3.26 mm，此時污水箱涵縱向變形見圖8；地面最大沉降量為-10.93 mm，沉降穩定后地表沉降縱向變形圖見圖9。最大沉降量均發生在第六次，主要是因為機頭在穿越箱涵及煤氣管過后，頂進速度加快,但監測數據都沒有引起報警。在9月27號頂管進洞后，立即進行封洞，開始在管道預留口處注水泥漿，之后管線及地面沉降量趨于穩定。

另外，監測還表明：頂管的穿越對污水箱涵的影響并不大，而煤氣管出現了較大的變形。分析原因主要是污水箱涵剛度相對較大，并且，頂管與污水箱涵斜交；頂管頂進后及時對污水箱涵下進行了壓密注漿。煤氣管相對剛度較小，穿越污水箱涵后，頂進速度加快，對煤氣管沉降也有一定的影響。

由圖7、圖8可知，在煤氣管及污水箱涵的監測點M4及WS3達到最大變形值時，管線的縱向變形并不大，說明通過采取必要的措施可以把變形值控制在容許范圍內。

5 地層損失率反分析

由于該工程保護既有管線較為成功，且監測數據全面，通過現場實測數據反分析實際地層損失率對工程實踐有一定的指導意義。

采用Peck公式反分析。首先計算沉降系數：

式中，Z——地面至頂管中心深度；

R——機頭半徑；

i——沉降系數。

根據Peck公式，可得到反算地層損失率的計算公式：

根據上式，地表最大沉降處的地層損失率為3.4%，地表最小沉降處的地層損失率僅為0.9%，污水箱涵處地層損失率為1.2%。施工結果說明，把地層損失盡量控制在3%以內就可以有效地保證地下管線的安全。

6 結語

本文分析了小直徑頂管的穿越對已有管線及污水箱涵的影響，為以后相同施工條件的頂管穿越工程提供了參考。根據本文研究，頂管穿越既有管線時，應注意以下幾點：

（1）頂管穿越對周圍管線的影響未必只在管線的正下方，本文工程影響范圍為-30～20 m；

（2）對既有管線進行系統的監測，根據監測結果，調整頂管施工參數，可以把頂進施工對管線的影響減到最小；

（3）在頂管頂進結束后，應及時對變形較大的管線進行壓密注漿保護，以減少沉降。

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