富水軟弱地層中超大斷面矩形頂管施工地表沉降控制技術研究

殷湘艦，蔚寧哲，周意紅

（1.天津市地下鐵道集團有限公司，天津 300051；2.中鐵隧道集團三處有限公司，廣東 深圳 518052；3.中國科學院天津工業生物技術研究所，天津 300308）

1 引言

近些年，隨著城鎮化的快速發展，大氣污染形勢日益嚴峻，環境友好型的施工方法凸突顯優勢。頂管施工技術作為綜合管廊發展的一個分支，因其對環境、交通、管線影響小、在城市地下人行通道、車行通道及出地鐵出入口的建設中得到越來越多的應用。日本的久保國敏和、川和一成等在矩形頂管（盾構）的施工報告中表明，與圓形頂管相比，矩形頂管具有空間利率高、覆土相對較淺、節約建設成本等特點[1-4]。天津市新八大里地區過城市快速路地下人行通道頂管工程，為天津首例在富水軟弱地層中應用大斷面異矩形頂管的隧道工程，無可借鑒的施工經驗。通過分析得出，引起地面變形的誘因主要是地層損失和切削擾動，在施工中探索，總結出了減摩注漿、管片外腔注（紅）泥、合理確定頂管機各項參數等技術措施，為以后類似地區頂管施工的關鍵風險控制提供借鑒和參考。

2 引用工程實例簡介

2.1 工程概況

本工程屬天津市新八大里地區配套地下工程項目，位于天津市河西區；過某快速路地下人行通道長92.6 m，線型為直線，無縱坡，覆土厚度8.17 m，通道上方為城市快速路，道路寬度66.5 m，車流量大、交通繁忙。通道上方管線眾多，一共有22 條管線，距離頂管隧道最近的無壓管道為φ1 650 mm 的雨水管。該通道使用土壓平衡式頂管機施工，管節采用C50P12鋼筋混凝土結構，斷面寬度10.4 m、高度7.55 m，管節寬度1.5 m，厚度700 mm，矩形管節之間的縱向連接采用承插式F形接頭。每環管節分別埋設減摩注漿孔、打泥孔、二次注漿孔、吊裝孔。管節預埋件布置如圖1 所示。

圖1 管節預埋件布置圖

2.2 水文地質情況介紹

地下通道自上而下分布的土質分別為：①1雜填土、②2素填土、③1黏土、④1黏土、⑥2淤泥質黏土、⑥3粉土、⑥4粉質黏土、⑦粉質黏土、⑧1粉質黏土、⑧2粉土、⑨1粉質黏土和⑨2粉砂。

隧道主要穿越⑥3粉土、⑥4粉質黏土。地表主要物理力學指標如表1 所示。

表1 地層土的物理力學指標表

3 地表變形原因分析

美國著名學者Peck[5]認為地層變形是由地層損失造成的。預測公式為：

式中，Smax為隧道軸線地表最大沉降量，m；S(x)為距軸線x 處的地層沉降量，m；Vi為單位長度地層損失量，m3/m；x 為距軸線距離，m；i 為沉降槽寬度系數，m。

查詢相關文獻[6-10]，并結合天津地區富水軟弱地層特性，初步分析，超大斷面頂管工程地表沉降的主要原因為：（1）頂管中管道外周形成空隙所引起的地層損失是產生地表和管線沉降的主要因素；（2）由于頂管機及管節姿態偏差較大，管節因偏心受壓存在縱向曲折，從而引起作用于管節外壁上的地層抗力，隨著頂進長度越長，管節的撓曲曲率越大，這部分土體受到的剪切擾動就越大，相應的地層損失就越大；（3）由于機頭的切削作用，對周圍土體產生強烈的擾動作用，在原有應力和附加應力的共同作用下，引起土體變形；（4）頂管隧道洞口止水裝置的失效導致的土體塌陷或是管節接口處質量不合格導致的周圍土體流入隧道等不正常的地層損失引起的地面沉降。

4 地面變形控制技術措施

4.1 頂管機機頭增加帽檐設計

結合以往的頂管設計及實踐經驗，頂管機頭刀盤上方在長距離頂進過程中容易產生“背土”現象，這種“背土”現象會引起地面隆起或沉降。本工程頂管機在制造時通過在頂管機前上殼體，臨近刀盤90 cm 范圍內設置帽檐，帽檐厚度1 cm。在設備上增加帽檐，可以杜絕背土現象。

4.2 觸變泥漿注入

施工中可以持續不斷均勻地注入觸變泥漿，起到潤滑減阻和支撐地層的作用，同時，可以向地層損失較大的地方注入紅泥以抵抗地面及管線的沉降。頂管機和管節均設DN25 mm注漿孔，通過高壓軟管將所有注漿孔進行串聯，頂管頂進時在頂管機部位持續壓注觸變泥漿填充管道的外周空隙，以支撐地層、減少地層損失、控制地面沉降和減少頂進阻力。必須遵循“隨頂隨壓、逐孔壓漿、漿量均勻、漿壓適宜”的原則。

4.3 土砂泵打泥（土）控沉

根據軟土地層較難控制沉降的特性，以及頂管工程正態分布沉降槽特性(Peck 曲線）[11]，在1～5 環每環的0 點、3 點、6 點、9 點鐘方向預埋DN100 mm 管，第5 環以后每環0 點方向預埋DN100 mm 管。隨著頂管機繼續頂進，后續管節經過地層仍在繼續發生地層損失，從而帶來地表變形。通過持續的地表監測發現，注入觸變泥漿不能有效地控制地層沉降，在此情況下，向變形超過一定范圍（沉降超過控制沉降值的70%）的區域所代表的管節注入紅泥，以減少地層損失，用土砂泵將提前拌制好的紅泥通過頂部DN100 mm 孔注入，以填充損失的地層減少地面變形。

4.4 頂管及管節姿態控制

1）在始發處設置激光經緯儀，同時在矩形盾構頂管內設置導向靶。通過激光在導向靶上的投射斑點的位置來判斷矩形頂管的當前姿態。

2）由于始發導軌距離破除地連墻后加固體2.5 m，為確保頂管機始發前進過程中不出現栽頭現象，需在洞門地連墻破除完成后，于結構側墻靠近地連墻的一側安裝延長導軌，延長導軌標高同始發導軌，并與側墻內側預埋鋼圈焊接牢固。

3）頂管機機頭與首節管節一圈，采用鋼板滿焊的方式進行剛性連接，使頂管機與管節形成一個整體，運動軌跡保持一致，減少對土體的擾動。每環管節在拼裝完成后，該環管節與前一環管節之間采用4 根大螺桿拉緊連接，避免出現因管節自重和地下水浮力導致管節出現下沉或上浮，對地層產生二次擾動，增加地表的變形量。

4）推進過程中實時關注導向測量系統，適時啟動糾偏系統油缸。糾偏油缸共16 臺，每臺200 t 頂力，行程220 mm，可用于水平、垂直糾偏，糾偏原則為：勤糾、微糾，參照趨勢進行糾偏，先上下、后左右。

4.5 渣土改良

針對不同地層采用1 種或多種復合改良劑進行渣土改良，使改良后的渣土具有塑性、流動性、止水性，并填滿整個土倉，避免土倉出現虛壓，且保證2 個螺旋機均衡、連續出土，確保頂管機順利頂進，地表變形可控。

主要使用膨潤土進行改良，膨潤土改良采用一級鈉基膨潤土，該膨潤土具有起漿快、造漿率高、濾失低、潤滑好等特點。根據現場試驗，得出渣土改良漿液配比（質量比）為，膨潤∶水=1∶4，注漿量為改良土體的30%～50%，注漿壓力0.2～0.4 MPa。

渣土改良漿液在頂進過程中“隨頂隨注、不頂不注”，確保其在頂進過程中充滿整個土倉。注入過程中隨時觀察螺旋機出土狀況，及時調整漿液注入量。渣土改良較好土體呈牙膏狀，具有很好的塑性、流動性和止水性。

4.6 洞門增設外延鋼箱

為了防止始發推進時，泥土、地下水從土壓平衡矩形頂管殼體與洞門的間隙處流失，在始發時需安裝洞門臨時密封裝置。洞口采用2 道折葉式密封壓板和2 道簾布橡膠板組成的外延鋼箱進行密封，將中間止水鋼環預留的注漿管進行管路并聯，每個管口設置閥門，管路末端設置總閥門，配置壓力泵，鋼箱上預埋注漿球閥，采用壓力泵向2 道簾布橡膠與頂管機形成的空腔內注入惰性漿液，起到防水密封的作用。

5 工程實例應用效果

本工程頂管順利貫通，頂進過程及完工，地面變形最大為-25.3 mm，滿足控制值+10～-30 mm 的要求，如圖3 所示，軸線偏差小于10 mm，標志超大斷面矩形頂管在天津富水軟弱地層中首次運用成功，具有劃時代的意義，取得了良好的經濟效益和社會效益。

圖3 貫通后隧道縱向（Y）地表沉降曲線

1）經濟效益。通過上述地表沉降控制技術，可以降低地層土體損失，減小地表變形，保證交通的正常運行，避免因地表沉降出現交通癱瘓的狀況。

2）社會效益。在天津地區富水軟弱地層首次應用超大斷面矩形頂管的施工工程中，地表變形控制到位，快速、安全、高效，開創了富水軟弱地區應用大斷面頂管施工的先河，為后續類似工程施工積累了一定的經驗，該工程入圍ITA（世界隧道及地下空間協會)2018 年度地下空間開發應用創新獎。

6 結論

1）經本工程實踐證明，在加注觸變泥漿還不能有效地控制地層沉降的情況下，有針對性地對向變形超過一定范圍（沉降超過控制沉降值的70%）的區域所代表的管節注入紅泥，對控制地面沉降有明顯的作用。

2）在設備上增加帽檐后，能有效地杜絕背土現象，可以使觸變泥漿完全填充空隙，減少管機與土體之間的不均勻摩擦，減少對土體的擾動，從而降低地層損失。

3）由于大直徑頂管機機頭重達幾百噸，為了使頂管機與管節形成一個整體，運動軌跡保持一致，減少對土體的擾動。采用頂管機與首節管節一圈采用鋼板滿焊的方式進行剛性連接，并采取大螺桿拉緊連接管節的措施，對控制頂管機、管節姿態及地面沉降十分重要。

4）頂管隧道洞門一直處于持續始發狀態，滲漏水風險極高，一旦發生滲漏水將引起地面沉降，嚴重時甚至會交通癱瘓，造成重大的社會影響。在始發洞門處采用增加外延鋼箱+2 道簾布橡膠板，并在空腔內注入持續惰性漿液可達到洞門動態防水的目的。