頂管近距離下穿對污水管豎向變形的現場實測研究

劉敬亮 李海沙 錢 暉 林 思

1. 杭州市城市建設發展集團有限公司 浙江 杭州 310020；2. 杭州市城市基礎設施建設發展中心 浙江 杭州 310006；3. 浙江大學建筑工程學院 浙江 杭州 310058

頂管法作為一種非開挖施工技術，近年來不斷應用到城市地下人行通道及綜合管廊中。采用該方法可以擺脫工程環境的限制，施工時地面道路交通可以正常運行，不必拆遷上方地下管線。

但頂管法是邊開挖土體邊接長管道的頂進方法，施工過程中由于機頭的切削頂進作用及開挖卸載、掌子面反力和機頭土壓力的不平衡、超挖或欠挖以及頂管的摩阻力等因素的影響，對周圍土體產生較大的擾動作用，改變了原土層的力學性質，使土體產生較大范圍的變形，從而造成周圍地下管線的安全隱患。因此，頂管施工產生的影響一直是廣大學者研究的熱點及難點。

在眾多研究方法中現場實測法是最直接反映頂管施工對土體擾動特性的方法。盡管頂管施工現場實測研究較多，但大多數研究集中在土壓力、孔隙水壓力、深層土體位移、地下水位以及地表變形的變化跟掘進機與測試斷面之間的距離的關系[1-4]，從而探究頂管施工對土體擾動的大小及擾動范圍的規律等方面，少數研究涉及頂管施工對路堤、路基以及橋梁樁基[5-6]的監測數據分析，針對頂管施工對地下管線的實測數據分析則很少。

因此，本文以杭州市德勝路綜合管廊下穿污水管頂管段為背景，分析現場監測數據，研究頂管施工對污水管的豎向變形的影響及擾動影響區，并提出頂管施工過程中的監測及變形控制建議。

1 工程概況

杭州市德勝路綜合管廊下穿污水管頂管工程位于杭州市下沙地區，地層以砂土層為主。根據地質勘探資料，頂管區域穿越地層由上至下依次為：①01雜填土、①1黏質粉土、①2砂質粉土、②粉砂夾粉土、③1淤泥質黏土、③2淤泥質黏土、④1黏土、⑤黏土。

新建管廊分左右2條，間距3 m，頂進長度106.5 m，標準混凝土管節71節，強度等級C50，每節長1.5 m。管節采用7.5 m×5.4 m矩形斷面，壁厚550 mm。采用土壓平衡頂管機進行施工，頂管掘進機長6.2 m，截面尺寸7.52 m×5.42 m。頂管覆土9.53～9.83 m。

頂管與上方污水管斜交，夾角約為30°，兩者最小間距為4.25 m。污水管采用預應力鋼管混凝土材料，內徑2.20 m，外徑2.64 m，底面標高0.45 m。其中新建管廊位于②粉砂夾粉土層，污水管位于①1和①2層中。

施工時考慮到頂管施工所處地層為②層，左線施工時為避免施工引起砂土發生管涌流砂等，施工前進行井點降水。隨后由于污水管變形較大進行打土補漿，盡管沉降穩定下來，但卻引起污水管局部不均勻沉降過大，因此右線施工不再進行降水及注漿。

基于此，本文對該頂管工程引起污水管變形的實測數據進行分析。污水管的沉降監測點布置如圖1所示。以頂管掘進方向為x方向，以垂直于頂管掘進方向為y方向，深度方向為z方向。

圖1 污水管沉降監測點布置

2 監測結果分析

2.1 變形特性

考慮到右線僅有頂管施工這一工況，有利于分析頂管施工的影響特性，所以對右線實測數據進行分析。將右線始發時累計豎向變形設置為零。

以污水管的最大沉降測點（東側污水管測點16、西側污水管測點49）為例，研究污水管豎向變形隨頂管掘進長度的變化規律。如圖2所示， 遠離污水管的過程中，總共包括5個變形階段。

1）輕微擾動緩慢沉降階段。距離測點所在斷面較遠時，由于刀盤切削等作用引起土體輕微擾動，污水管豎向變形在零點附近波動下沉。

2）輕微隆起階段。在距離測點所在斷面約15 m（2D，D為埋藏深度）范圍內，土體受到千斤頂推力擠壓作用引起的隆起量大于土體開挖卸載引起的沉降量，最終污水管豎向變形表現出輕微隆起。

3）快速沉降階段。從掘進機到達測點所在斷面到掘進機穿出15 m左右（掘進機尾部穿出9 m），由于掘進機外徑與后續管節之間的管徑差，污水管開始快速沉降。

4）持續沉降階段。掘進機繼續向前頂進，由于已完成管節依然向前移動，將對已穿越位置的土體造成持續擾動，進而使得周圍的污水管豎向變形持續增加。

5）穩定階段。掘進機穿出測點所在斷面將近30 m（4D）時，污水管的豎向變形趨于穩定。

因此在頂管施工過程中，需要著重關注快速沉降階段和持續沉降階段。

如圖3所示，沉降段1顯示的是由于掘進機尾部空隙引起的沉降，沉降段2顯示的是由于掘進機穿出后繼續頂進帶來的持續擾動引起的沉降。對于東側污水管而言，最大沉降速率與最大沉降在同一位置即測點16，沉降速率約為0.65 mm/m，持續擾動產生的沉降速率為0.23 mm/m。在頂管邊界處沉降速率最大，隨著逐步遠離頂管邊界，沉降速率逐漸減小，在約距離邊界15 m（2D）以外，沉降速率恒定在0.2 mm/m左右，增長較慢。依據這一數據可以預測長距離頂管施工引起的污水管豎向變形。

圖3 污水管沉降速率與測點所在斷面距離關系曲線

2.2 影響區

以西側污水管為例，當頂管施工至45.0、52.5、60.0、67.5、75.0 m時，污水管各位置累計變形隨距離開挖面遠近的關系曲線如圖4所示，開挖面后方測點的沉降隨著與開挖面距離的增大逐漸增大，到峰值后沉降逐漸減小，最后趨于零點；開挖面前方測點隆起逐漸增大，到峰值后逐漸減小，最后在零點附近擺動。同時，頂管施工引起污水管發生變形的主要范圍為開挖面后方4D范圍到開挖面前方2D范圍內。

圖4 污水管累計豎向變形與距離開挖面距離關系曲線

右線貫通時，如圖5所示，污水管沿垂直于頂管掘進方向即y方向呈“V”形分布。最大豎向變形位于頂管軸線上方，略偏左一點，這是由于右線施工引起左、右線之間土體二次擾動，從而使得污水管的最大豎向變形出現在頂管軸線左側；隨著與頂管軸線距離逐漸增大，污水管的豎向變形逐漸變小，在距離頂管軸線15 m（即2D）之外，污水管豎向變形趨近于零，可認為頂管施工對污水管的橫向影響范圍為2D。

圖5 右線貫通時污水管累計豎向變形與距離頂管軸線距離關系曲線

2.3 監測及施工建議

為了保證污水管的安全，一方面需要加強監控，另一方面嚴格控制施工工藝。具體如下：

1）在頂管施工中需要建立完整的監測體系，做到邊監測邊施工，隨時根據現場發生的具體情況積極改進施工方法、施工工藝及施工參數。監測時橫向尤其關注頂管軸線2D范圍內，縱向尤其關注頂管施工至污水管下方到穿出污水管4D范圍內。

2）頂管施工過程中，嚴格控制地層損失量。一方面嚴格控制出土量，且保證開挖面土壓力平衡，避免超挖；另一方面做好注漿減摩工作，減少頂管與土體之間的摩擦力，防止因摩擦力的存在，導致土體隨著頂管向前移動，引起地層損失，同時注漿減摩可以降低頂管施工持續擾動的影響。

3）頂管施工完成后建議進行工后沉降監測，直到沉降變形基本穩定為止，從而更全面保證地下管線的安全。

3 結語

通過對杭州市德勝路綜合管廊下穿三污干管頂管段的污水管現場實測豎向變形進行分析，得到如下結論：

1）污水管的最大豎向變形出現在頂管軸線左側，隨著頂管逐步向前推進，污水管豎向變形分為5個階段：輕微擾動緩慢沉降、輕微隆起、快速沉降、持續沉降、穩定。

2）污水管的最大沉降速率出現在頂管軸線左側，為0.65 mm/m；頂管施工的持續擾動產生的沉降速率約為0.23 mm/m。

3）頂管施工引起上方污水管發生變形的橫向影響區為頂管軸線兩側各2D范圍；縱向影響區為開挖面后方4D到開挖面前方2D。這一區域需作為重點監測區域。

4）頂管施工過程中，嚴格控制出土量，做好注漿減摩工作，減小因頂管施工引起的地層損失以及頂管頂進引起的持續擾動，從而保證污水管的安全。