泥水平衡頂管下穿高速公路的沉降控制研究

龔迎春

（上海隧道工程有限公司，上海 200232）

1 工程概況

蘇州城區第二水源-陽澄湖引水工程為市政輸水工程，規模50萬m3/d，采用頂管法施工。其中，14#～13#頂管段位于中環北線與陽澄湖環路交口，頂管區間從常臺高速公路（跨度約65m）下方正向穿過，雙線管道凈距4m，長度330m。常臺高速作為重要交通要道，保護等級高，頂管作業環境復雜，工程安全風險控制難度較大。本區間主要穿越5層粉質粘土夾粉土層與6層粉土夾粉砂層，故采用泥水平衡鋼頂管施工，工作井距離高速約63m，接收井距離高速約203m，管頂覆土深度平均約8m，其中，穿越常臺高速段覆土11.4m。頂管穿越蘇嘉杭高速位置關系圖如圖1。

圖1 頂管穿越蘇嘉杭高速位置關系圖

眾所周知，若頂管頂進速度不穩定、頂管軸線偏差控制不到位且糾偏不及時，施工過程中將存在明顯的超欠挖工況。當超挖量較大時，套管外周與土體產生較大空隙，在車輛荷載作用及上層土體重新固結作用下，路面將會產生過多沉降。另外，頂管工程結束后，管節若存在因銹蝕和承壓能力不足等原因產生的破損情況，將導致路面的進一步沉降。

2 管節設計及頂進方案

2.1 管節設計

原設計穿越常臺高速段頂管采用DN2200鋼筋混凝土頂管，管節外徑2640mm，長度2000mm?？紤]到鋼筋混凝土管節外徑較大，接縫較多且接縫容易滲漏，易造成地層損失，導致地面沉降，因此，將DN2200鋼筋混凝土頂管調整為DN2200鋼頂管，管節外徑2220mm，管節長度6m。雙管凈距由3.56m調整至4m，有助于減小雙管頂進對地層的擾動。采用鋼管節后，由于管節外徑減小，每延米土體開挖量由鋼筋混凝土頂管的5.64m3降低至4m3，土方開外量降低將有助于控制地面沉降。同時，鋼管節采用焊接接頭，可靠性高，由于管節接縫滲漏造成地層損失的可能性大大降低，地面沉降的風險顯著降低。

2.2 施工組織

為盡量減少頂管頂進對地層的擾動以及產生的地面沉降，本段頂管施工采用單線依次頂進的施工方案，減少單位時間土體的開挖方量。先實施北線頂管，北線頂管貫通后，完成泥漿置換，再實施南線頂管。

3 頂管施工沉降控制措施

3.1 前期準備

頂管穿越施工之前，通過查閱常臺高速竣工資料以確定頂管區間和常臺高速的位置關系及管節對應里程等關鍵信息。在頂管穿越施工前，再次復核測量頂管里程以確認頂管與常臺高速的相對位置，做好現場踏勘與交底工作，并對于道路先天裂縫等可能對施工有影響的隱患先予以排除。

3.2 施工過程控制

（1）試驗段頂進及數據反饋。頂管穿越施工前50m作為頂進試驗段，每隔10m設置一個沉降監測斷面，每個斷面埋設8個沉降監測點，初步掌握頂進作業產生的地表沉降規律和量值范圍。并對頂管頂進速度、刀盤轉速、正面泥水倉壓力等關鍵施工參數進行統計分析，摸索頂管在該地層中掘進時施工參數與地表沉降之間的關聯性特征，為后續穿越高速公路過程中調整頂進參數提供數據指導。最終試驗段和常規段對應的關鍵施工參數對比如表1所示。

從表1中可以看出，試驗段頂進速度比常規段頂進略慢，進排泥壓力比常規段略高，試驗段頂進完成后，地面沉降未超過3mm。根據試驗段情況，擬在穿越階段進一步降低頂進速度，減小高速公路地面沉降。

表1 試驗段和穿越段主要頂進參數對比

（2）嚴格控制管道接縫質量。在頂進過程中對每條焊縫長度的100%超聲波探傷檢測，檢測合格方可繼續頂進。

（3）頂進參數控制。開挖面泥水壓力設定的合理與否對控制地表沉降較為關鍵。理論上講，若泥水壓力與前方土體靜止土壓力相當，則周圍土體受到的擾動微小，地表沉降不易發生。在初始頂進階段，泥水壓力的設定值介于上限值與下限值之間，為有效地控制軸線，初出洞時宜將壓力值適當提高，同時加強動態管理，及時調整。頂進速度方面，在穿越高速階段，頂進速度控制在1～2cm/min，進排泥壓力控制在0.13MPa；而在正常頂進階段，結合實際施工經驗，實際泥水壓力的設定結合地面沉降監測數據等及時做調整。嚴格控制出泥量，防止超欠挖，正常情況下出泥量控制在理論出泥量的98%。

（4）注漿壓力和注漿量控制。在頂管頂進過程中，以適當的壓力、必要的注漿量和基于合理配比的壓漿工藝在管道周圍環形空隙中進行同步注漿，管外壁形成完整的泥漿潤滑套，既能減小摩擦阻力，又能起到控制或減小地面沉降的作用。再者，定時對管道沿線依次補漿，避免管外壁出現背土現象。相關參數設定如下。

①注漿壓力。注漿壓入口的壓力應稍大于該處的靜止水土壓力。注漿壓力不宜過大，防止管節背后土層受到劈裂擾動進而造成過大的后期沉降與跑漿；然而注漿壓力過小，則漿液充填緩慢，初期沉降較大。實際施工過程中，注漿壓力多取為1.1～1.2倍的靜止水土壓力。

②注漿量。理論每米注漿量為0.14m3，但鑒于頂管糾偏、跑漿和漿料失水收縮等因素，實際注漿量一般取理論用量的3～5倍。

③漿液配比。為減少頂進過程中觸變泥漿流失造成的地表沉降，觸變泥漿采用“厚漿”，使用優質膨潤土進行泥漿配比，膨潤土:水=1:5，比重約為1.6，采用專用高壓注漿機。

（5）施工監測。在頂管穿越之前委托專業第三方監測單位對所有監測點原始數據進行測定，穿越施工期間根據監測數據及時優化調整頂進施工參數。監測點在頂管上方及頂管兩側10米范圍內布設。根據設計要求及本工程的環境特點，在高速路肩及中央分隔帶布置16個沉降監測點。具體布置情況如圖2所示。

圖2 地表沉降監測點布置圖

監測周期自頂管施工開始持續到頂進施工后3個月沉降數據基本穩定為止。頂管施工前，完成監測點的布設及初始數據的采集。頂管穿越高速過程中，監測頻率為1次/2小時；頂管穿越高速后至貫通，檢測頻率1次/2天；施工完成后3個月內，檢測頻率1次/7天。

（6）軸線控制。為確保頂進軸線與設計軸線盡可能一致，減小糾偏量，進而減少因糾偏引起的對周圍土層的剪切擠壓擾動以及建筑間隙和地層損失。需要注意的是一次糾偏量不宜過大，否則可能造成超挖，影響周圍土體的穩定，所以需要做到“勤測勤糾”。

（7）泥漿置換及水泥漿填充。

①泥漿置換。頂進完成后，穿越段及時用緩凝泥漿置換原有的觸變漿液，置換用水泥漿采用PO52.5R水泥，以保證水泥漿早期強度的上升，避免地面沉降。

②水泥漿填充。頂管內穿φ1800鋼管完成后，立即實施管道間空隙水泥漿填充，防止管道變形引起的地面沉降。

4 沉降控制分析

依據設計和相關規范要求，監測控制值日變化量不超過3mm；單根頂管穿越高速完成后最大沉降值未超過4mm；雙線頂管穿越蘇嘉杭高速全程各監測點最大沉降值均未超過6mm；監測周期內累計變化量不超過10mm。上述均未達到報警值，證明頂進作業地表沉降控制良好。

5 結語

頂管穿越對高速公路的影響主要是施工過程中及施工完成后產生的路面沉降，若沉降過大，將對高速公路行車安全造成極大影響。針對該問題，本文結合陽澄湖引水頂管工程穿越常臺高速公路為例，在施工過程中考慮采取優化管節設計和施工組織方案、控制頂管頂進參數、合理設定注漿參數、實現全過程沉降監測等技術措施，有效地控制了頂管施工沉降，達到了保護高速公路行車安全的目的。