軟弱地層淺埋矩形頂管沉降控制技術研究

陳 志

（中鐵十二局集團第七工程有限公司 湖南長沙 410000）

1 工程概況

（1）項目簡介

徐州市某地鐵車站鄰近市政府，周邊為商務區，高樓林立，環境敏感。1號出入口需下穿市政主干道，出入口過路通道段采用土壓平衡矩形頂管法施工。通道長52.5 m，預制鋼筋混凝土矩形管節外輪廓為7×5 m，壁厚0.5 m，每段管節長1.5 m，共設35段，如圖1所示。

圖1 縱斷面示意（單位：cm）

（2）地質水文條件

現場位于黃、淮河沖積平原區，地勢平坦。通道管頂覆土厚度3.76～4.37 m，頂管處于地下3.76～9.37 m之間，地層自上而下主要為1-1層雜填土、2-4-2層粉質黏土、2-5-3層粉土、2-5-4層粉土、2-6-3層粉砂。頂管穿越的地層主要為粉土層，少部分穿越粉質黏土和粉砂層。地層物理力學參數見表1。

表1 巖土力學參數

地下水分別為上層滯水和潛水。上層滯水水位埋深2.0～5.5 m，潛水水位埋深5.5～8.5 m，主要接受大氣降水補給，動態季節性變化顯著。

（3）管線情況

對頂管影響較大的主要地下管線：道路中央分隔帶內有1根φ120 cm承插型鋼筋混凝土污水管，與頂管垂直，距頂管頂凈距約40 cm；沿頂管上方縱向有1根φ30 cm中壓燃氣鋼管，與頂管頂凈距約190 cm。

2 建模計算與結果分析

（1）計算模型和參數

通過數值假定和力學模擬建立計算模型，如圖2所示。其中，1為頂管隧道，2、3分別為污水管和燃氣管道。模型物理力學參數見表2。

圖2 土體管節模型（單位：m）

表2 模型力學參數

（2）地層變形計算

頂管施作完成后地表沉降云圖見圖3，各特征斷面地表沉降見圖4。沉降最大值出現在距離始發井0 m的斷面，沉降峰值－9.61 mm；在頂管施工前10 m、后15 m范圍內，地表沉隆值變化較大，且頂管經過時不同斷面隆起峰值基本穩定在3 mm以內，小于規范值10 mm。

圖3 豎向變形云圖

圖4 特征斷面地表沉降曲線

（3）管線位移分析

管線豎向位移和地表變形規律基本一致。在頂進至管道斷面前污水管道產生隆起，最大值1.98 mm，通過后管道緩慢沉降，最大值－3.92 mm。燃氣管道隆起極值2.19 mm，沉降極值－5.93 mm。變形最大值均小于設計值10 mm；差異沉降量分別為0.002 9%與0.008 5%，亦小于規范設計值0.25%。

（4）結果分析

基于各種邊界條件和數值假定建模分析得出的結果偏于安全。實際上，開挖面完全的壓力平衡很難達到，同時背土效應的存在，帶來更多不確定性。施工中，更需要總結經驗、貼合實際，分析可導致沉降的各種原因，借助監測手段，針對性采取各種綜合措施，有效控制地表沉降和管線變形。

3 地表沉降機理分析

3.1 背土效應

矩形頂管機頭、管節上表面為水平面，上部土體的卸載拱作用不明顯，部分土體坍塌覆于頂管機或管節上表面，在摩阻力作用下向頂進方向發生壓縮變形或移動，為矩形頂管特有的“背土效應”［1］。根據以往工程經驗，背土最容易在機頭前端產生，若處理不及時，或泥漿套失效，可延伸至管節，導致連續、繼發性背土產生。背土前方隆起，后方沉降，并有逐漸擴大的趨勢。

3.2 地層損失

按照Peck公式的假定，在不考慮排水固結和地層時間效應的前提下，地表沉降槽體積等于地層損失的體積。地層損失主要體現在開挖面、機頭后方、始發與接收端。

（1）開挖面破壞了地層原有平衡狀態，引起地層損失和擾動周邊土體、地下水位變化，土體剪切破壞、重塑、再固結。地層損失與土艙壓力、頂進速度、出土量等有關。

（2）機頭后方開挖土體與管節之間存在2 cm間隙，通過注入觸變泥漿填充。若泥漿注入不及時，或膠體性能、觸變性能差，水分快速散失而發生聚沉和離析，無法起到支撐地層的作用，則機頭后方發生急劇沉降。

（3）始發與接收端，一方面易因洞口密封不嚴發生滲漏，導致水土流失；另一方面始發或接收狀態未及時建立土壓平衡或土壓平衡失效。二者均可導致地層損失。

3.3 其他

本工程穿越的飽和粉土、粉砂層，液化等級中等，頂管導致周邊土體不可避免地經歷液化－再固結循環。液化后重固結的體積變化也會直觀反映到地面的沉降；每段管節頂進到位，需安裝新的管節，退回主油缸，若已頂進機頭、管節與土體摩阻力不足以平衡開挖面土壓力，則會導致機頭和管節后退，前方土體變形下沉；現場施工中，頂進是否連貫、工序銜接是否緊密，甚至作業人員技術水平，均影響沉降控制效果。

4 沉降控制措施

4.1 設計優化

（1）圍護結構及端頭加固

為降低始發、接收風險，降低水土流失，將始發、接收端基坑圍護結構鉆孔灌注樁加止水帷幕的設計優化成φ850＠600SMW工法樁，并采用縱、橫向搭接的滿堂三軸攪拌樁進行端頭加固，見圖5。

圖5 圍護結構優化及端頭加固（單位：mm）

始發階段，無需破除洞門圍護結構，刀盤頂到SMW工法樁，拔除H型鋼，啟動掘進，可快速建立土壓平衡；接收階段，刀盤頂到接收端SMW工法樁，拔除H型鋼，前殼體快速到達接收洞門橡膠簾布，達到保壓的目的，降低施工風險。

（2）管底加密注漿孔

根據本工程易液化地層特點，在每段管節底部增設2排，共16個半透注漿孔，見圖6。

圖6 管節底部注漿（單位：mm）

在頂進過程中，根據監測數據反饋，可及時打穿半透孔，加密壓注濃稠的膨潤土漿液，提高土體黏粒含量，降低可液化性能。若液化、管節整體下沉趨勢較為嚴重，則將半透孔作為洞內地基加固的孔道，往土體內注入半惰性漿液，提高地基承載力，消除液化。

頂進完成后，通過半透孔向下打入花管，壓注水泥漿液，整體加固地層，控制工后沉降。

4.2 設備適應性設計

投入到本工程的頂管主機及主推進系統，制造費用約1 400萬元。兼顧對本工程的適應性和類似工程的通用性，采用模塊化、信息化設計。

（1）刀盤和攪拌棒

采用國內相對成熟的圓形刀盤，6刀盤組合，開挖面積34.81 m2，切削面積31.85 m2，切削率91.5%。殼體前端均布斗齒110個，起輔助切削作用。刀盤結構采用輻條式，對刀具、刀盤進行加強，應對可能存在的建筑垃圾、漂石等異常地質，見圖7。

圖7 刀盤配置

在刀盤背面、隔倉面板設置主動和被動攪拌棒共48支，總攪拌面積29.07 m2，攪拌率83.5%，可起到較好渣土攪拌和土體改良效果。

每個刀盤均采用3臺30 kW變頻電機驅動，可實現帶載啟動，無級調速。通過PLC實現每個刀盤轉向及轉速單獨、靈活控制。通過不同的刀盤轉向、轉速組合，能輔助實現機頭姿態微調功能。

（2）螺旋出土器

整機設置2個直徑550 mm螺旋出土器，理論出土量可達80 m3／h。出土器尾端設置液壓平板閘，中部設泥漿注入管路，防止噴涌。

（3）PLC 控制系統

控制系統是頂管設備的中樞，由人機界面、控制單元、執行部件、傳感器等部分組成。PLC系統采用分布式IO控制網絡，主控室設置于地面。土艙壓力、刀盤轉速和方向、機頭姿態等參數及主頂推系統油缸行程及頂力，均實時反饋至主控室。操作司機根據各種數據和姿態的反饋，可快速響應、及時調整掘進參數。

（4）防背土設計

前殼體頂部，增設橫向通長注入槽，保證觸變泥漿連續、均勻分布于殼體頂部。

4.3 沉降監測

沉降監測是判斷頂進技術措施是否合理、優化施工參數、采取各項控制措施的科學依據。因本工程埋深淺、地層自穩性差，監測斷面沿頂進軸線5 m間距加密布置，燃氣、污水管線加密設置深層監測點；加大監測頻率，及時將監測結果反饋給操作人員動態調整掘進參數，并指導各部位注漿。

4.4 觸變泥漿

觸變泥漿在頂管施工中起到潤滑減阻、填補和支撐地層的作用。根據高毅等［2］“整體背土效應”概念和預判理論，在工程條件不變的情況下，減摩措施的實際性能是影響整體背土效應的關鍵因素。

在不同的地層、部位、工況下，靈活調整觸變泥漿水、膨潤土、CMC、純堿、PHP等材料配比，以達到理想性能，并掌控好注入量和注入時機［3－5］。

（1）前殼體頂部防背土泥漿，殼體與地層間無空隙，小流量、持續注入，主要保證較好的流動、分散、減阻性能。

（2）后殼體與第一管節連接處，隨著管節頂進，管節與土體間形成約2 cm間隙，需持續注入泥漿填充。注入速率在理論注入速率的2.1～2.8倍為宜，泥漿性能以滿足快速填充、支撐地層為主，粘度大于25 s，比重大于1.2。

Across the Atlantic,Dr.Donald Ross,who trained under Lord Russell Brock,performed the first heart transplant in the United Kingdom.The patient,a 45-year-old man,survived for 46 days before succumbing to infection.He performed 2 more unsuccessful transplants before a moratorium was declared[53].

（3）頂進過程中管節壁后注漿采取壓力與注入量雙控，確保觸變泥漿保持一定壓力降低地表沉降，同時避免引起背土效應。

4.5 掘進參數分析

4.5.1 設定原則

掘進參數設定原則主要包括三個方面：一是掘進過程中地層豎向位移滿足設計和規范要求；二是保證既有管線安全；三是提升掘進效率［6－8］。

4.5.2 參數設定

（1）土艙壓力值設定

土艙控制壓力包括土壓力、水壓力、預備壓力。

①土壓力：采用朗金理論計算土壓力，根據地表監測情況在限值內動態調整。

靜止土壓力：σx＝k0×σz＝k0×γh

被動土壓力：σp＝σz×tan2（45°＋φ／2）＋2ctan（45°＋φ／2）

式中：σz為深度z處的地層自重應力；c為土粘著力；φ為地層內摩擦角。

②水壓力：σw＝qγh

式中：q為經驗數值，砂土 q取0.8～1.0，黏性土 q取0.3 ～0.5；γ 為水容重；h為地下水位距離刀盤頂部高度。

③預備壓力：按施工經驗，在理論計算的基礎上再考慮0.1～0.2 kPa預備壓力。

（2）推進系統與出土系統參數設定

地層敏感，原則上采用滿艙建壓掘進模式維持開挖面壓力平衡，主要掘進參數設定：推進速度20～25 mm／min，出土量38 m3／m，刀盤轉速0～1.5 r／min，刀盤最大扭矩570 kN·m。推進速度、推力值聯合控制。

（3）姿態控制與糾偏

矩形斷面糾偏困難，過程中頂進姿態控制尤為重要。主要注意三方面：一是頂管機前重后輕，有栽頭的趨勢，需根據地層抬頭始發；二是勤糾偏、緩糾偏，以免造成管節破壞和過度的地層擾動；三是定期校核激光導向精度。

頂管機主要控制前后殼體之間的糾偏油缸進行糾偏。前殼體重量遠超后殼體，糾偏時容易出現前殼體未動而后殼體向相反方向位移的情況。為解決該問題，將后殼體和相鄰幾節管節用型鋼縱向連接成整體，增加后殼體配重，保證糾偏精準控制［9－11］。

4.5.3 參數修正

掘進參數動態調整，根據推進速度、出土情況、頂進姿態、監測成果及時進行相應調整，確保成形通道質量、地表沉降及管線安全［12］。

4.6 地層補償

由于各種因素，局部沉降超限無法完全避免。對應超限地層損失，提出“地層補償”概念，其原理是結合監測值，利用土砂泵將流塑狀濃泥通過管節預留孔強制注入沉降土體，補償地層損失，將沉降部位抬起。

4.7 其他措施

（1）機頭及管節止退

在始發托架上安裝止退架，防止管節安裝過程中機頭在掌子面水土壓力作用下回縮，進而造成地表沉降。

（2）管節承口鋼套環防滲

管節制作完成后在鋼套環與砼接口處涂刷環氧樹脂，對可能存在的滲水通道進行封堵。

（3）始發接收措施

頂管始發、接收階段洞門土體失穩的風險大。施工中加強端頭加固質量，提前降水，始發時土艙及早保壓，接收前3環在機頭周邊注入濃泥、聚氨酯等材料，接收時利用鋼絲繩拉緊壓板，現場備足應急物資以確保施工安全。

5 結束語

大斷面矩形頂管越來越廣泛地應用于敏感環境、軟弱地層、超淺覆土、下穿高風險管線等復雜條件下地下管廊、過街通道、地鐵出入口等方面建設。通過建模分析、設備選型優化、高頻率量測反饋、頂進參數動態優化、控制措施協同聯動等手段，較好控制了地表沉降和管線變形，安全、優質、高效完成施工任務，對類似工程有較強的借鑒和指導意義。