大斷面矩形頂管施工中的土體沉降規律分析

上海隧道工程股份有限公司 上海 200062

1 工程概況

鄭州市緯四路下穿中州大道隧道工程起點為緯四路金水河橋，沿緯四路向東，下穿中州大道，至CBD商務外環后，再沿CBD商務外環向南，至黑莊路（商務西五街）（圖1）。工程全長909 m，其中隧道段全長775 m，頂管段110 m。

圖1 緯四路下穿隧道平面

下穿隧道分為敞口段、明挖暗埋段和頂管段，敞口段和明挖暗埋段采用明挖順作法進行施工，頂管段采用土壓平衡式矩形頂管法進行施工，包括2 條大頂管隧道和2 條小頂管隧道，大頂管機斷面10.4 m×7.5 m，是目前國內最大斷面的矩形頂管機，施工難度大，許多先進技術在全國同類工程中首次采用。

下穿中州大道段為雙向四車道+兩側非機動車道，隧道兩側均設置地面輔道和人行道，在中州大道兩側設非機動車道出入口，與地面輔道相接。

2 工程建設環境

2.1 工程地質

根據勘察資料，施工場地勘探深度為45 m范圍內的地層結構及分層、時代劃分，范圍內基本分2 套地層：第四系全新統（Q4）、第四系上更新統（Q3）地層。頂管施工過程中主要穿越土層為粉土和黏性土。

2.2 下穿隧道對周邊構筑物的影響

擬建隧道兩側多為商鋪及居民住宅樓，周邊建筑物距隧道基坑邊線和結構距離最近在6 m左右，且隧道要穿越車流量接近飽和的中州大道，對地面沉降的控制要求極高。現有中州大道下方，地下雨污水管道、軍纜、燃氣管道及自來水管道等市政設施眾多，分布復雜，除雨污水管道埋深較大外，其他管線埋深一般不大于1.5 m，頂管機頂進過程中須制定管線保護措施。

3 大斷面矩形頂管機頂進施工進況

南側矩形頂管施工，于2014年1月16日正式始發。隧道總長為110 m，采用預制鋼筋混凝土管節，外形尺寸為7.5 m×10.4 m，管壁厚0.7 m，長度為1.5 m，管節總計73節。覆土厚度為5.1～5.4 m，坡度5‰，自東向西頂進。根據工程地質剖面圖，頂管頂進通過的土層為②號粉質土、③號粉質土及④號粉質土。

截至2014年3月25日，頂進里程109.8 m。

4 大斷面矩形頂管機施工監測

頂管頂進過程的監測范圍，斷面寬度為頂管底埋深的2 倍，在此范圍內的周邊道路地面沉降、路面變形、地下管線變形均需要布設測點。每隔20 m 布1 個監測斷面，每個斷面布置5 個測點，測點間距5 m。

由于本工程的特殊性，頂進過程中州大道不中斷交通，因此在不同區域采用不同的監測方法。在圍場內和非機動車道采用人工監測為主，在機動車主干道采用全站儀自動化監測。

5 土體影響規律分析[1-6]

南側矩形頂管施工始發后要先后穿越加固區、施工圍擋、人行道、非機動車道、機動車輔道、綠化帶到達中州大道主干道，穿過中州大道后，再依次穿越西側綠化帶、機動車輔道、非機動車道、人行道最后進入施工圍場內。

根據鄭州地區小頂管的施工經驗，頂管機在進出洞過程中沉降量最大，因此在頂管進出洞段均進行了土體加固，并增加降水井點，防止水土流失。

圖2 緯四路隧道土體沉降趨勢

根據土體沉降趨勢圖（圖2）可以看出：

（a）由于出洞段采用雙排SMW加固，加固距離較短，且型鋼拔出后未進行漿液填充，在頂管頂進過程中不斷擾動，造成出洞段的沉降較大，達到100 mm；

（b）頂管機進入非機動車道后，各項施工參數已經根據鄭州地層情況進行了調整，均已趨于穩定，同時泥漿套保壓效果逐步體現，沉降得到了控制，但由于頂管機在出洞后進行了2 次停機轉接，沉降值依然較大；

（c）到達機動車道后，通過二次注漿填充土體間隙和泥漿套保壓，頂管沉降得到明顯控制，在里程64 m以后沉降值基本都在30 mm以內，達到設計要求；

（d）在頂管機到達西側非機動車道后，頂進速度逐步放慢，在進入施工圍場后，由于施工重載車輛的碾壓，沉降值又有所增大，最后到達加固區后，沉降迅速收斂。

圖3 緯四路隧道64 m斷面處土體沉降變化曲線

根據64 m斷面處5 個測點土體沉降變化（圖3）可以看出：

（a）在頂管機到達64 m測量斷面之前，由于頂管機對土體的擠壓作用，前方土體有5 mm的隆起；

（b）在頂管機切口到達監測斷面位置后，土體由隆起5 mm逐漸變為沉降7 mm；

（c）頂管機通過監測斷面過程中，沉降出現了突變，由沉降7 mm變為35 mm。主因是頂管機高7.55 m，而管節高7.5 m，頂管機與管節之間的間隙為25 mm，泥漿套未及時填充縫隙并形成良好的保壓效果。

（d）當盾尾離開監測斷面之后，泥漿套已經逐步填充管節與土體間的縫隙，沉降趨于穩定，不過在頂管繼續頂進過程中，由于管節移動的原因仍然會有波動。

另外，根據65.5 m斷面處5 個測點土體沉降槽曲線可以看出，土體沉降在頂管機上方10 m區域內沉降最大，在兩側逐漸收斂，形成明顯的沉降槽。

6 結語

鄭州下穿中州大道大型頂管隧道工程是在傳統頂管施工基礎上的一次重大突破，通過對第一條大頂管施工經驗進行總結，得出頂管施工對鄭州地區土體影響的相關規律，指導頂管機下一階段的頂進施工：

（a）頂管機在進出洞和停機轉接過程中土體沉降最大，在進出洞區域根據環境要求須進行必要的土體加固，并且盡量減少停機轉接時間，同時及時補漿，減少土體沉降。

（b）在沉降控制的敏感區域內，可通過二次注漿彌補泥漿套保壓不足的問題，穩定土體沉降。

（c）由于頂管施工的工法造成管節持續移動，對土體造成連續擾動，沉降不可避免。但應減小管節與土體直接的間隙，規避頂管機與管節銜接處的沉降突變。