泥水平衡頂管下穿既有干道地表沉降因素分析與控制措施

盛洪峰

（中交水利水電建設有限公司，浙江 寧波 315200）

0 引言

開挖工程中，道路下方的淤泥地層無形中加大了施工難度，而非開挖泥水平衡頂管頂進施工就具有較大的技術優勢，但是頂管下穿部分河道、交通干道會引起線路沉降。泥水平衡頂管頂進施工技術主要依托土壓力和水力學理論，采用的是“小盾構”技術原理[1]。施工過程中的支護力主要由頂管機外殼提供，頂管機借助泥水壓力平衡土層及地下水壓力，進而控制地面沉降，并通過泥水等介質實現棄土輸送。本文依托桐鄉市西部飲用水源保護建設工程，對淤泥質土地層中頂管下穿既有交通干道所致道路沉降的影響展開預測和分析，并在具體施工過程中對相關頂進施工參數進行優化，可為類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

桐鄉市西部飲用水源保護建設工程濕地區開挖土方271.7萬m3，回填土方292.1萬m3；原水管線區開挖土方35.9萬m3，回填土方27.2萬m3；土方工程工作量大，工期緊。設計回填土方斷面型式多樣、土方造型種類多，不利于大規模流水作業。工程區多為退養魚塘，淤泥質土居多，開挖后無法用于后期回填，土體含水量大，回填質量難以保證。原水管線工程頂管穿越河道，采用沉井構造工作井、泥水平衡式頂管施工工藝。

該工程頂管頂進施工機械主要使用TLM泥水平衡全封閉機械頂管掘進機，外形尺寸為10420mm×7520mm×5700mm（長×寬×高），大小刀盤組合共6組，直徑為4160mm的3只大刀盤前置，直徑為3350mm的3只小刀盤后置；30 臺糾偏油缸的單缸推力最大可達200t，公稱壓力為31.5MPa；4 只脫管油缸的最大單缸推力也為200t，公稱壓力與糾偏油缸相同；配備2 臺功率2×37kW、直徑670mm、最大排土量120m3/h的螺旋式出土機。頂管則選用公稱直徑為1200mm、長度為2000mm、壁厚為120mm 的F 型鋼承口式鋼筋混凝土管材，并配合使用楔形橡膠圈，內口密封則通過聚氨酯密封膏嵌縫處理，內嵌密封后確保頂進鋼套管公稱直徑達到1000mm。

2 地層沉降的模擬分析

為構建模型，假設開挖面土體所承受的推力屬于圓形均布荷載[2]，并根據頂管機頭泥水艙實測壓力取值；結合實際監測資料，頂管機頭位于模型范圍內時，泥水艙實際壓力取0.18MPa，且頂管推進期間僅考慮頂進空間距離的影響，而忽略土體的時間效應，所以頂管壁和周圍土體間的摩阻力便主要沿管道長度方向均布。結合頂力-頂程曲線，頂管機頭穿過模型范圍時，實際摩阻力可達到2.0kPa。結合工程實際，構建分析模型，沿頂管軸線方向及橫向的長度分別為70m和66m，以天然地表為上表面，上下表面相距40m，管線水平方向、豎直方向曲率半徑分別取500m 和700m，有限元模型具體如圖1所示。

圖1 有限元模型

針對所構建的有限元模型，其各邊界均采用位移邊界條件，上表面為自由邊界，下表面施加豎向位移約束，剩余表面施加法向位移約束[3]。

2.1 地層沉降受摩阻力的影響

在頂管施工的過程中，黏性土對頂管外壁所產生的摩阻力通常為20～30kPa，如果將膨潤土泥漿填充在管道外壁與土體之間，則可大大降低頂管頂進阻力，并能有效控制施工對土體的擾動及施工引起的地表沉降。當所填充的膨潤土量恰好能分隔開頂管外壁和土體，便能形成一種“泥漿套”，將頂管所承受的摩阻力降至最低，此時頂管中心地面所對應的沉降量最大，2mm的地面最大隆起量位于掌子面前10m 處，該結果與監測數據基本一致。此外，注漿點位、實際注漿量及注漿壓力等均對“泥漿套”的厚度和質量存在一定程度影響[4]。頂管外壁摩阻力與地表橫向變形的關系具體見圖2。

圖2 不同頂管外壁摩阻力下地表橫向變形曲線

2.2 地層沉降受土體抗力的影響

頂管頂進過程中管道橫向變形受到土體抗力的影響較大，但縱向變形幾乎與土體抗力無關。在土體抗力的作用下，地表橫向變形并不是沿頂管軸線對稱分布，外側地表土體變形量明顯比內側地表土體變形量小，且這種差距隨抗力的增大而增大。此外，最大地表沉降量也并非位于頂管軸線正上方，而是分布在頂管曲線圓心側。

2.3 機頭壓力的影響

地表隆起值與機頭壓力呈正相關關系，且最高隆起點一般位于機頭附近。從縱向看，隨著機頭壓力的增加，其前方土體隆起量增大，而機頭后方土體沉降量也隨之增大，但是沉降值遠比隆起值小，兩者的變動并未表現出規律性。從橫向看，最大沉降出現在頂管中心，機頭壓力并未對其正上方土體產生較大影響，且隨著機頭壓力的變化，其變形量基本不變，具體見圖3。

圖3 不同機頭壓力下地表橫向變形曲線

通過以上分析不難發現，頂管頂進過程中地表沉降最大值并非出現在管道正上方，而是位于偏向頂管平面曲線圓心側，至于偏移的距離主要取決于頂管平面曲線半徑，一般情況下，頂管曲線半徑越小，則偏移距離越大。頂管管壁外側增設連續的“泥漿套”也能對頂進過程中地表沉降起到一定程度的抑制作用，且“泥漿套”越完整，頂管頂進施工所引起的地表沉降越小。隨著頂管機機頭壓力的增加，其前方土體會持續發生較大變形，機頭前方和正上方土體的變形量基本不會隨機頭壓力的變化而變化，而機頭后方土體沉降量和隆起值隨機頭壓力的增加而增大，沉降量降速也更快[5]。此外，注漿壓力也是影響頂管頂進施工過程中既有干道沉降的一個因素，在其他條件不變的情況下，隨著注漿壓力的增大，地表沉降呈不斷減小趨勢，但是當注漿壓力超出0.2 MPa后，地表還會同時出現隆起。

根據有限元分析，并結合該工程頂管頂進過程中既有干道沉降控制要求，應當在頂進施工時將頂管四周摩阻力控制在10kPa；機頭壓力不超出0.18MPa時，掌子面前方地面隆起量僅為1.0mm。

3 既有干道沉降估算

在有限元分析的基礎上，應用佩克半經驗公式進行頂管頂進施工過程中既有干道沉降槽深度和寬度等的估算[6]。頂管頂進施工過程與盾構隧道工作狀態較為接近，埋深越淺則對既有干道的影響也越大。測算過程中結合干線安全等級，取其最不利位置，此處頂管中心處設計埋深為9.7m。

式中：Smax——頂管中心線處既有干道沉降量最大值，mm；

Vs——沉降槽在單位長度段的體積，m3/m；

i——沉降槽寬度，也就是既有干道沉降槽曲線上反彎點至頂管中心軸線之間的水平距離，m；

Z——頂管中心到路床頂面之間的距離，m，取9.7m；

K——頂管頂進影響系數，取0.282。

地層損失率為超出頂管開挖量理論值的體積VL與頂管開挖量理論值Vt之比，Vt取1.63m3/m。對于式（1）而言，在不考慮壓縮的情況下，Vs=VL。結合類似工程實踐經驗以及該工程所在區域淤泥質土力學特性，分別按照地層最不利和最有利的損失量情況進行既有干道沉降量上下限確定，兩種情況下地層損失率分別取2.5%和0.5%。

將該工程相關參數代入式（1）和式（2），得到沉降槽寬度i=1.615m，Smax,有利=2.02mm，Smax,不利=10.09mm。根據工程所在區域地方交通管理部門相關文件，路基沉降位移日變化量和累計變化量應分別不超出2mm/d 和10mm。結合以上分析及測算結果，頂管頂進施工期間，既有干道日沉降量的控制值基本接近上限，如果將地層損失率嚴格控制在2%以內，則沉降量累計值可基本滿足不大于10mm的要求。

4 沉降控制及結果監測

4.1 既有干道沉降控制

對于頂管施工而言，通常通過人工方式啟閉注漿閥門以控制外部注漿過程，這種操作無法保證控制精度和施工時效，該工程施工過程中既有干道屬于正常運行道路，對地面變形量的要求較高，因傳統的施工工藝無法保證頂進穿越過程中水土壓力的動態平衡[7]，而無法滿足施工控制要求。為此，該工程段采用自動注漿頂管施工系統，通過加強注漿量的精確控制，避免既有干道出現沉降或隆起過大。再通過優化試驗段注漿施工參數，確保注漿過程的相對穩定，每節管節設置有12 個注漿孔，對應設置12個自動注漿控制閥。在頂管頂進施工期間，各閥門依次開啟10s，并循環一圈，總注漿時間為2min，一次注漿量達到0.14m3。考慮到施工區域淤泥質土滲透系數小，故將注漿壓力增大至0.30～0.35MPa。這種全自動注漿系統的應用即有效避免了人工操作可能產生的誤差，又使頂管外壁和周圍土體的摩阻力大大降低，有效控制施工過程中的地表變形。

在頂進結束后，立即通過水灰比為0.45的純水泥漿置換膨潤土泥漿，置換后的注漿壓力控制在0.2～0.5 MPa，純水泥漿注漿量按照0.3m3/m確定。

4.2 控制結果監測

為進行頂管頂進施工期間以上應對措施實施后既有干道沉降監測，在頂管施工范圍外3.0m、頂管中心軸線上方、頂管頂進范圍外緣等處分別設置監測點，根據頂進距離進行頂進施工前后沉降情況的分析。根據監測結果，在頂管頂進至各沉降監測點前10m 的位置時，各監測點均受到一定程度的影響，監測數據發生較大波動；而當頂管穿越相應的監測點后，沉降監測結果表現出逐漸穩定趨勢。通過分析頂管中心軸線監測點監測數據發現，其沉降量結果明顯比其他位置大，沉降量為7.1mm，隆起量為7.4mm，待頂管穿越后沉降量和隆起量監測值均回落，待頂管中心軸線監測點處監測結果趨于穩定后，其沉降量和隆起量分別為6.2mm和5.8mm。頂管頂進施工邊緣位置沉降量和隆起量最大值分別為4.1mm 和7.0mm。頂管頂進范圍以外3.0m 處的監測點所測得的結果顯示，沉降量和隆起量最大值分別為6.0mm 和7.2mm，且均在頂管穿越后趨于回落。在泥水平衡頂管頂進施工過程中土壓力波動始終控制在±20kPa范圍內，根據沉降量的監測結果，沉降控制措施實施后對既有干道沉降有較好的控制效果。

5 結束語

綜上所述，在淤泥質地層中采用泥水平衡頂管頂進下穿既有干道時，必須加強地層損失控制，通過優化頂進施工參數，加強施工過程控制，確保累計沉降量不超出控制值。根據有限元分析結果以及沉降監測結果，在控制頂管施工所致既有干道沉降方面，隨頂管頂進施工，同步注膨潤土泥漿對于減少和控制路床沉降有較好效果，待頂進結束后，通過純水泥漿置換膨潤土泥漿，可使既有干道沉降趨于收斂穩定。