葛以衡

(上海市第二市政工程有限公司，上海市 200065)

0 引言

頂管施工往往會穿越煤氣、污水等地下管線。頂管頂過會造成地層損失，如果地層損失過大，會造成地下管線破壞，引起工程事故。

一般認(rèn)為如果施工參數(shù)得當(dāng)，控制措施合理，可以把地層損失率控制在3%以內(nèi)。如果采用3%的地層損失率控制是否能滿足管線的變形要求還有待于工程驗證。

本文通過一個工程實例，說明通過加強監(jiān)測，控制頂管施工參數(shù)，有效控制地層損失率，可以使頂管施工引起的地下管線變形控制在允許范圍內(nèi)。

1 工程概況

耀華地塊緯一路一雨水管道穿越已有耀華支路，設(shè)計采用頂管施工，為泥水平衡掘進(jìn)機。頂管管道管徑DN1000，埋深為8.7 m，長度為68.3 m。管材為F型鋼承口式鋼筋混凝土，每節(jié)長3.0 m。緯一雨5#工作坑尺寸為8.3 m×3.7 m；緯一雨4#接收坑尺寸為5.4 m×3.7 m。

本工程地下管線情況復(fù)雜，有大量規(guī)劃保留、新建及在建的重大市政設(shè)施，具體包括：現(xiàn)狀耀華支路下規(guī)劃保留的合流二期2-2 400×2 400污水箱涵（埋深約3.2 m）、DN1200煤氣管道（埋深約2.0 m）。污水箱涵及DN1200煤氣管施工期間需監(jiān)測保護(hù)。具體頂管及地下管線相對關(guān)系剖面布置圖見圖1，平面圖見圖2。

頂管穿越耀華支路段分布的土層自上而下可劃分為五大層七個亞層，一個透鏡體。其中①1層為人工填土，①3層為江灘土，②1層～⑤3層為全新世Q4沉積層。場地地基土的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各土層的物理力學(xué)參數(shù)表

2 施工監(jiān)測

為保證頂管頂進(jìn)過程中煤氣管線及污水箱涵的安全，需要在管線上布置管線沉降監(jiān)測點，同時，在沿頂管軸線上布置地面沉降觀測點。施工前，測得初始值，作為監(jiān)測的初始依據(jù)。監(jiān)測布置圖見圖3，具體監(jiān)測點說明見表2。

表2 頂管監(jiān)測點位說明及預(yù)警值

場地內(nèi)的煤氣管及污水箱涵管徑大、壓力高，對變形控制要求較高。對該類管線的測點布置，在條件允許的情況下盡量布設(shè)直接監(jiān)測點。但是，采用包裹法布設(shè)直接點需要開挖大面積道路，在交通主干道上將無法實施。因此，將采用小型鉆進(jìn)設(shè)備鉆穿道路硬土層，將測點插入到管線上部的軟土層中，然后加設(shè)套管，具體見示意圖3。

施工過程中要求第三方監(jiān)測單位嚴(yán)格按照施工方案對頂管周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。如果發(fā)現(xiàn)本次位移沉降或累計位移沉降超過預(yù)警值，應(yīng)及時通知施工單位,在采取保護(hù)措施后才可進(jìn)行施工。管線及周圍環(huán)境預(yù)警值見表2。

3 頂管施工控制

3.1 施工準(zhǔn)備

頂管進(jìn)場后，由設(shè)備管理員對機頭及頂進(jìn)裝置進(jìn)行驗收，驗收合格后方可下井。機頭頂進(jìn)前，首先進(jìn)行調(diào)試，機頭及頂進(jìn)裝置調(diào)試完畢無任何異常后，開始頂進(jìn)。

3.2 頂管施工及管線沉降控制措施

為確保污水箱涵及煤氣管的安全，采用以下管線保護(hù)方案：

（1）開挖暴露，吊托保護(hù)。由于DN1200煤氣管埋深較淺，頂管穿越前一天開挖暴露出穿越段2 m長度的管線，卸載覆土壓力，減少沉降，如監(jiān)測達(dá)到預(yù)警值，即采用吊托保護(hù)。

（2）頂管穿越污水箱涵段，由管內(nèi)預(yù)留注漿孔對整個穿越段進(jìn)行壓密注漿，加固范圍為頂管上方2 m范圍。

（3）精心監(jiān)測，優(yōu)化頂管參數(shù)。頂管頂進(jìn)初始階段，精心組織地表及管線變形量監(jiān)測，根據(jù)地表及管線的變形量對施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，指導(dǎo)后續(xù)施工。

頂管頂進(jìn)之前在污水箱涵兩側(cè)開挖樣洞，確定污水箱涵無圍護(hù)結(jié)構(gòu)后，頂管開始頂進(jìn)。為確保污水箱涵及煤氣管的安全，頂管開始時頂進(jìn)速度控制在2.4 m/h左右，頂力不大于3 000 kN。當(dāng)頂進(jìn)距離20 m時開始在管道預(yù)留孔內(nèi)注膨潤土，作為潤滑劑。頂管施工參數(shù)見表3。

表3 頂管施工參數(shù)

4 頂管穿越對上部管線及箱涵影響

頂管頂進(jìn)前首先取得初始值，每個測點從頂管切口達(dá)到前30 m開始監(jiān)測。煤氣管、污水箱涵及地面累計沉降量隨時間變化見圖4、圖5、圖6。各次監(jiān)測時頂管頂進(jìn)距離見表4。其中，煤氣管監(jiān)測點最大沉降點M4位于頂程50 m處；污水箱涵沉降監(jiān)測點最大沉降點位于頂程35 m處。

表4 各次監(jiān)測的頂管施工工況

由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知：頂管機頭距離監(jiān)測點（-30 m～+20 m）時，對管線及地面影響較大。當(dāng)頂管頂進(jìn)30 m，管線及地表變形速度開始增大。當(dāng)頂管穿越過既有管線之后，管線沉降達(dá)到最大值：煤氣管在最大沉降量為-7.66 mm，此刻煤氣管縱向變形見圖7；污水箱涵最大沉降量為-3.26 mm，此時污水箱涵縱向變形見圖8；地面最大沉降量為-10.93 mm，沉降穩(wěn)定后地表沉降縱向變形圖見圖9。最大沉降量均發(fā)生在第六次，主要是因為機頭在穿越箱涵及煤氣管過后，頂進(jìn)速度加快,但監(jiān)測數(shù)據(jù)都沒有引起報警。在9月27號頂管進(jìn)洞后，立即進(jìn)行封洞，開始在管道預(yù)留口處注水泥漿，之后管線及地面沉降量趨于穩(wěn)定。

另外，監(jiān)測還表明：頂管的穿越對污水箱涵的影響并不大，而煤氣管出現(xiàn)了較大的變形。分析原因主要是污水箱涵剛度相對較大，并且，頂管與污水箱涵斜交；頂管頂進(jìn)后及時對污水箱涵下進(jìn)行了壓密注漿。煤氣管相對剛度較小，穿越污水箱涵后，頂進(jìn)速度加快，對煤氣管沉降也有一定的影響。

由圖7、圖8可知，在煤氣管及污水箱涵的監(jiān)測點M4及WS3達(dá)到最大變形值時，管線的縱向變形并不大，說明通過采取必要的措施可以把變形值控制在容許范圍內(nèi)。

5 地層損失率反分析

由于該工程保護(hù)既有管線較為成功，且監(jiān)測數(shù)據(jù)全面，通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)反分析實際地層損失率對工程實踐有一定的指導(dǎo)意義。

采用Peck公式反分析。首先計算沉降系數(shù)：

式中，Z——地面至頂管中心深度；

R——機頭半徑；

i——沉降系數(shù)。

根據(jù)Peck公式，可得到反算地層損失率的計算公式：

根據(jù)上式，地表最大沉降處的地層損失率為3.4%，地表最小沉降處的地層損失率僅為0.9%，污水箱涵處地層損失率為1.2%。施工結(jié)果說明，把地層損失盡量控制在3%以內(nèi)就可以有效地保證地下管線的安全。

6 結(jié)語

本文分析了小直徑頂管的穿越對已有管線及污水箱涵的影響，為以后相同施工條件的頂管穿越工程提供了參考。根據(jù)本文研究，頂管穿越既有管線時，應(yīng)注意以下幾點：

（1）頂管穿越對周圍管線的影響未必只在管線的正下方，本文工程影響范圍為-30～20 m；

（2）對既有管線進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，調(diào)整頂管施工參數(shù)，可以把頂進(jìn)施工對管線的影響減到最??；

（3）在頂管頂進(jìn)結(jié)束后，應(yīng)及時對變形較大的管線進(jìn)行壓密注漿保護(hù)，以減少沉降。

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