地下頂管施工中頂管線沉降問題研究

杜　君　張開銀　陸　曼

(武漢理工大學交通學院　武漢　430070)

地下頂管施工中頂管線沉降問題研究

杜君張開銀陸曼

(武漢理工大學交通學院武漢430070)

摘要為了研究地下頂管施工引起的地表沉降規律，根據具體施工情況及監測規范，在頂管推進線上布設橫縱向監測斷面，結合地表沉降理論和現場實測數據，得出管線在不同階段時的沉降原因。通過監測得出地表沉降大小隨時間和頂管推進距離的變化曲線，呈現出管線地表的沉降機理，并提出頂管施工建議。

關鍵詞頂管實時監測地表沉降

1工程慨況

南京定淮門大橋過街通道屬于江東北路定淮門大街節點改造工程的一部分，為龍津路北端定淮門大街交叉口過街通道，垂直下穿定淮門大街，共設置2處出入口，北側出入口位于定淮門大橋西端北側，清江花苑南門外；南側出入口位于南京市鼓樓區人民檢察院北側綠地內。主通道長約42 m，采用頂管法施工。通道所處地下水位較高，地下水埋深為1.8～3.2 m。采用矩形管節尺寸為6.50 m×4.30 m，壁厚50 cm，單節縱向長度為1.50 m，頂管段頂板最大覆土5.71 m，管道位于淤泥質粉質粘土中。頂管施工地質斷面見圖1，土層物理力學參數見表1。

圖1　頂管施工地質斷面圖(單位：m)

土層名稱厚度/m含水量/%重度/(g·cm-3)孔隙比液壓指數壓縮系數壓縮模量/MPa泊松比淤泥質粉質粘土13.2237.51.841.0991.180.6043.60.42粉砂2.6830.21.860.8890.820.3725.40.30粉質粘土7.6831.31.850.9300.850.4694.30.40

2測點布置原則

每個獨立的監測網應設置不少于3個穩固可靠的基準點，理應設置在沉降變形影響范圍以外的穩定位置，便于長期保存，工作基點也應設置在比較穩定的位置[1]。對觀測條件較好或觀測項目較少的項目，可不設立工作基點，在基準點上直接測量沉降變形。

沉降變形觀測測點應設立在沉降變形體上能反映沉降變形特征的位置處[2]。

綜合考慮，自始發井沿頂管軸線每5 m布設1個地表沉降點(DB13-2～DB19-2)，且在DB13～DB19處設置7個垂直于頂管軸線的監測橫斷面，每個橫斷面上設置3個監測點，頂管線地表監測布點見圖2，其中“DB”表示地表監測點。

圖2　頂管線地表監測布點圖

3實測數據分析

3.1　頂管橫斷面地表沉降

取頂管線中部的一個監測斷面DB15為研究對象，斷面DB15距始發井僅17 m,表2為頂管橫斷面DB15工況。

表2　頂管橫斷面DB15工況表

備注：表中“s”為監測點距頂管中軸線距離；“DB”為地表監測點

由表2可知，頂管施工監測從頂管機刀盤距監測斷面5 m處開始，前期由于頂管機刀盤振動和切削作用，開挖面失穩[3-4]，監測斷面DB15地表會有少量沉降，即地表沉降前期波動階段。頂管向前推進距監測斷面7.5m處，監測斷面DB15地表開始隆起且隆起速率較大，即隆起階段，此階段中由于施工技術和地質差別等各方面的原因，位于同一斷面的監測點DB15-3較DB15-1稍晚進入隆起階段，各監測點隆起峰值平均20 mm；隨著頂管機的繼續向前推進，刀盤經過監測斷面DB15，監測點地表位移開始以較大速率下沉，且沉降速率基本與第二階段地表隆起時的速率大小相同，即施工期沉降階段，6月12日頂管機刀盤距監測斷面10 m遠處，各監測點地表沉降速率明顯減小，直至6月18日，頂管管片拼接完成，主通道貫通，監測點DB15-2累計沉降量最大，達到-34.38 mm，各監測點的累計沉降量平均-32 mm；此后管片附近的土體不再受頂管施工的擾動作用，由于土體的固結作用，各監測點地表會持續沉降一段時間，但沉降量和沉降速率沉降曲線都趨近于平緩，沉降基本穩定，即后期固結沉降階段[5]。數據分析表明施工期間的地表沉降量約占總沉降量的90%。橫斷面DB15隨頂管推進沉降曲線見圖3，橫斷面DB15地表沉降累計變化量曲線見圖4。

圖3　橫斷面DB15隨頂管推進沉降曲線

圖4　橫斷面DB15地表沉降累計變化量曲線

3.2　頂管縱斷面地表沉降

取頂管軸線上由監測點DB14-2～DB17-2組成的縱斷面為研究對象，根據工況表3和監測曲線圖5、圖6可知，6月9日上午，頂管機掘進至監測點DB14-2附近，監測點DB14-2已經進入隆起階段，且由于頂管機刀盤的切削和振動作用，頂管機前方軸線方向的土體體積收縮[6]，監測點DB15-2～DB17-2地表開始有少量沉降；6月9日下午，頂管機刀盤經過監測點DB14-2，此時監測點DB14-2垂直位移達到峰值27.35 mm；至6月10日下午，監測點DB14-2進入施工期沉降階段且沉降變化量最大，與此同時監測點DB15-2也進入隆起階段并在頂管機刀盤經過其下方時垂直位移達到峰值22.84 mm；6月9日下午至6月10日上午，頂管機繼續向接收井方向推進，監測點DB16-2，DB17-2也依次進入隆起階段且垂直位移分別達到峰值39.07 mm和36.18 mm，之后均以較大沉降速率進入施工沉降期。頂管施工前期由于管片周圍泥漿中水份流失過快且后續注漿量不足，導致管片周圍泥水壓力過小，造成監測點DB14-2的地表沉降量較大，后經過調整，監測點DB15-2～DB17-2在施工期沉降階段的地表沉降量較DB14-2明顯減小；直至頂管施工結束，監測點DB14-2～DB17-2地表沉降速率大幅減小，趨近平緩[7]。數據分析表明，隨著頂管機的推進，各個監測點的地表沉降規律基本相同，其中沉降主要發生在施工期沉降階段。頂管縱斷面工況見表3；縱斷面地表沉降累計變化量曲線見圖5；縱斷面地表隨頂管推進曲線見圖6。

表3　頂管縱斷面工況表

備注：表中“L”為監測點距始發井水平距離；“DB”為地表監測點。

圖5　縱斷面地表沉降累計變化量曲線

圖6　縱斷面隨頂管推進沉降曲線

4結論

(1) 頂管施工過程中頂管推進方向上的地表沉降會經歷4個階段：前期波動階段、隆起階段、施工期沉降階段和后期固結沉降階段。

(2) 由監測數據可知：①前期波動階段發生在頂管機距測點較遠時，此階段中由于頂管推進姿態良好，從而造成的地表沉降較小；②隆起階段發生在頂管機接近監測點時，此階段中地表隆起值較大，表明頂管機頂進速度過快或者泥水壓力設定值偏大;③施工期沉降階段發生在頂管機到達并經過監測點直至頂管施工結束這段期間，此階段中地表沉降變化量最大，沉降量約占整個施工過程中總沉降量的85%～90%，由于前期頂管推進過程中后續注漿不足，導致管片周圍泥水壓力偏小，個別地表監測點沉降量過大;④后期固結沉降階段發生在頂管施工結束之后，此階段中地表沉降趨于穩定，但由于管片周圍泥漿中水份的逐漸流失和土體的固結作用，將會有一段時間的后續沉降，沉降量約占總沉降量的10%～15%。

(3) 對監測數據分析可知，隆起階段和施工期沉降階段造成的地表沉降變化最大，應重點關注此階段，其中頂管機的掘進姿態、注漿量、后續注漿等因素都會對頂管施工的地表沉降造成影響，為保證頂管施工的安全穩定進行，應在頂管機接近監測點時適當調整頂管機的操作和掘進速度等，以保證頂管機良好的掘進姿態；其次，泥土壓力偏大會造成地表隆起，偏小會造成地表大幅度沉降，建議同步優化注漿量和后續注漿，保證泥土壓力的正常穩定，從而保證頂管掘進及周邊環境的安全。

參考文獻

[1]土木學會.隧道標準規范(盾構篇)及解說[M].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[2]王斌.公路隧道施工監測檢測技術及實踐[M].北京：北京交通大學出版社，2010.

[3]張巖，王萬德.隧道工程施工技術[M].沈陽：東北大學出版社，2010.

[4]方從啟，王承德.頂管施工中的地面沉降及其估算[J].江蘇理工大學學報，1998，19(4):106-109.

[5]鄭躍，丁文其，陳立生.受頂管施工影響的土體擾動分析與實測研究[J].地下空間與工程學報，2010(5): 1015-1017.

[6]李偉.注漿技術在高速公路橋梁施工中的運用[J]．交通科技，2015(2)：80-82.

[7]陳偉軍.盾構隧道工后地表固結沉降研究[D].杭州：浙江大學，2011.

Research on the Problems in Pipeline of Underground Pipe-Jacking

DuJun,ZhangKaiyin,LuMan

(Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Abstract：Ground settlement due to underground pipe jacking construction was researched. The horizontal and vertical monitoring cross sections were laid according to the construction situation and monitoring specification. The reasons of pipe jacking settlement at different stages are got in combination with the theoretical knowledge and measured data. The settlement mechanism is clearly exhibited through the settlement curve with time and distance. And reference opinions to pipe jacking construction are provided ultimately.

Key words:Pipe jacking; monitor; ground settlement

收稿日期：2015-09-18

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.020