蘇鼎國(guó)

(上海市水務(wù)建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督中心站，上海市200232)

超大直徑平行雙線頂管施工引起的地表變形分析

蘇鼎國(guó)

(上海市水務(wù)建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督中心站，上海市200232)

近年來(lái)隨著南干線、青草沙等工程的建設(shè)，頂管技術(shù)在上海市管道施工領(lǐng)域有了突破性發(fā)展。但是，頂管施工過(guò)程中掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)切削土體勢(shì)必會(huì)引起管道前方土體的受力變形，影響周?chē)h(huán)境的安全，也成為了該類(lèi)工程質(zhì)量安全監(jiān)督工作的重點(diǎn)及難點(diǎn)。結(jié)合多年監(jiān)督工作，以上海市某污水干管工程DN4000超大直徑、平行雙線鋼筋混凝土頂管為例，分析了頂管施工造成地表擾動(dòng)的規(guī)律，為今后類(lèi)似工程提供參考。

平行頂管；土體損失；地表變形；沉降監(jiān)測(cè)

0 引言

頂管施工是利用掘進(jìn)機(jī)工具管切削土體并排出，結(jié)合后方的頂力設(shè)備對(duì)管節(jié)和工具管的推進(jìn)作用，完成地下管道的非開(kāi)挖施工工藝[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工程建設(shè)的需要，國(guó)內(nèi)頂管施工技術(shù)不論在理論上還是在施工工藝上，都已日趨成熟。但是，頂管工藝的基本原理是依靠掘進(jìn)機(jī)前方的刀盤(pán)切削土體實(shí)現(xiàn)推進(jìn)的，這勢(shì)必會(huì)引起管道周?chē)馏w的受力變形。當(dāng)土體沉降變形過(guò)大時(shí)，可能會(huì)影響頂管周邊房屋、道路、地下管線等建構(gòu)筑物的安全。頂管施工引起地層移動(dòng)及地面沉降的因素很多，既受土層地質(zhì)情況等客觀因素影響，又受施工階段的技術(shù)水平、工人工作態(tài)度等主觀因素影響[2]，問(wèn)題相當(dāng)復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外對(duì)單線頂管施工引起的地表變形研究較多，對(duì)平行雙線頂管施工的研究則較少。本文結(jié)合一工程實(shí)例，對(duì)超大直徑平行雙線頂管施工引起的地表變形規(guī)律進(jìn)行理論預(yù)估和實(shí)測(cè)分析，并提出了沉降控制相關(guān)技術(shù)措施，以期為類(lèi)似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

上海市污水治理白龍港片區(qū)南線輸送干線完善工程（浦東輸送干管）平行雙線敷設(shè)長(zhǎng)約26 km的管道，采用頂管法施工，平均頂距約1 km。管材采用F型鋼承口式鋼筋混凝土管，4 000超大直徑，壁厚32 cm。頂管主要穿越第④層淤泥質(zhì)黏土層，部分遇及第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)詳見(jiàn)表1。頂管穿越的淤泥質(zhì)黏土為軟弱土層，強(qiáng)度低、滲透性差、含水量高、靈敏度高，具有觸變性和流變性。

本文研究的頂段位于污水干管的下游末端，頂段長(zhǎng)140 m，為雙排平行曲線頂管，雙管中心距9.6 m，曲率半徑900 m。兩段頂管在同一個(gè)工作井內(nèi)進(jìn)行，進(jìn)入同一個(gè)接收井。頂管工作井為圓形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)沉井，內(nèi)徑22 m，管道內(nèi)底標(biāo)高-10.96 m（管頂覆土10.32 m）；頂管接收井為矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)沉井，管道內(nèi)底標(biāo)高-11.0 m（管頂覆土10.36 m）。管線平面位置如圖1所示。

工程選用揚(yáng)州某廠生產(chǎn)的TP4000土壓平衡頂管機(jī)，具有功率強(qiáng)大、全斷面大刀盤(pán)、可變頻調(diào)速等特點(diǎn)，其主要參數(shù)配置詳見(jiàn)表2。

2 地面沉降理論預(yù)估

目前，頂管施工引起的地面沉降通常采用Peck提出的地面沉降槽理論進(jìn)行預(yù)測(cè)。Peck假定施工引起的地面沉降是在不排水情況下發(fā)生的，所以地表沉降槽的體積應(yīng)等于地層損失的體積，地面沉降的橫向分布類(lèi)似正態(tài)分布曲線，計(jì)算公式如下：

表1 頂管穿越土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

圖1 平行雙線頂管平面圖

表2 TP4000土壓平衡頂管機(jī)技術(shù)參數(shù)表

式中：S（x）是計(jì)算點(diǎn)x處的地面沉降量；x是計(jì)算點(diǎn)至頂進(jìn)管道軸線的橫向水平距離；Smax是頂進(jìn)管道軸線上方的最大地面沉降量；i是沉降槽曲線反彎點(diǎn)至頂進(jìn)管道軸線的橫向水平距離；是土的內(nèi)摩擦角；Z是管道中心至地面的覆土厚度；Vs是開(kāi)挖面土體損失量；η是土體損失率；A是管道開(kāi)挖面的面積。

上述的土體損失率取值是關(guān)鍵，它表示單位長(zhǎng)度的土體損失量，主要由頂管機(jī)和管道環(huán)形空隙、施工超挖量控制、中繼間密封性、管壁摩擦力、管道糾偏、后背土體變形、頂管進(jìn)出洞、管節(jié)回彈等8個(gè)原因產(chǎn)生[3]，目前國(guó)內(nèi)在這方面的研究較少。借鑒盾構(gòu)經(jīng)驗(yàn)，其取值隨著管道埋深增長(zhǎng)呈減少趨勢(shì)，95.77%的盾構(gòu)施工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分布在0.20%～ 2.0%，43.66%的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集中在0.5%～1.0%[4]?？紤]到頂管施工與盾構(gòu)的不同、本段頂管工程的深埋施工特點(diǎn)及相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算時(shí)選取土體損失率為1.0%。

根據(jù)工程實(shí)際數(shù)據(jù)可以計(jì)算出單線頂管時(shí)沉降槽拐點(diǎn)i=6.35 m，頂管軸線上方的最大地面沉降量Smax=10.8 mm。以曲線的最大曲率點(diǎn)作為頂管的橫向沉降影響范圍，則頂管影響范圍為管道中心軸線向兩邊各單線頂管的地面沉降橫向分布曲線函數(shù)為S（x）=0.010 8·exp（-0.012 4x2）（單位：m）。

在平行雙線同時(shí)（交錯(cuò)）頂進(jìn)的情況下，假定雙線的施工工況相同，則地面沉降曲線可近似看作相隔一定距離的兩根單線沉降曲線的疊加，以雙線的水平中心為中軸線對(duì)單線公式進(jìn)行修正，得到雙線頂管的橫向沉降曲線：

式中：S雙（x）是雙線頂管造成的距雙線中心x處的地面沉降量，m；x0是單根管道中心至雙線中心的距離，m；其他符號(hào)同式（1）。

通過(guò)試算產(chǎn)生沉降曲線如圖2所示。由圖可知，平行雙線頂管的橫向土體沉降曲線形態(tài)類(lèi)似于單線頂管的沉降曲線，最大地面沉降發(fā)生在雙線中心上方，最大沉降量：

圖2 平行雙線頂管的橫向沉降曲線

平行雙線頂管沉降曲線的拐點(diǎn)可通過(guò)曲線函數(shù)的二次導(dǎo)數(shù)求得i雙=9.6 m。對(duì)曲線函數(shù)三次導(dǎo)數(shù)求曲線的最大曲率點(diǎn)，得到平行雙線頂管的單邊影響范圍B雙=15.1 m，相當(dāng)于單根管道中心向外側(cè)10.3 m。該處沉降量是最大沉降量的18%。

3 地面沉降實(shí)測(cè)分析

為了便于分析，選擇距頂管工作井洞口前方30 m的一排間距5 m的5個(gè)橫斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)DM20-DM24的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行橫斷面沉降分析。當(dāng)1#頂管機(jī)穿越斷面后，地面沉降呈較明顯的“局部”沉降槽形狀（因監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿雙線中心對(duì)稱(chēng)布置，而非單線中心，所以無(wú)法查看沉降槽的整體形狀），如圖3所示。大致目測(cè)沉降曲線的最大曲率點(diǎn)到1#管道中心距離B≈10 m，較接近理論計(jì)算結(jié)果。最大沉降位于1#線管道中心的正上方DM21，沉降量Smax=29.6 mm，遠(yuǎn)大于理論計(jì)算結(jié)果。

圖3 1#線頂管施工時(shí)的橫斷面沉降曲線

1#線貫通后11天進(jìn)行2#線頂管施工，在這期間，因洞口處理、1#線中繼間閉合等操作，1#線正上方DM21的最大沉降量增加至39.1 mm，雙線中心點(diǎn)DM22的累計(jì)沉降量為36.3 mm，2#線正上方DM23的累計(jì)沉降量為7.4 mm。當(dāng)2#頂管機(jī)再次穿越斷面后，沉降槽明顯“右移”，最大沉降點(diǎn)移至雙線中心，如圖4所示。

圖4 2#線頂管施工時(shí)的橫斷面沉降曲線

有學(xué)者認(rèn)為，當(dāng)平行雙線頂管距離較近時(shí)（2x0≤Z+D/2，D為管道外徑），由于先施工頂管引起土體擾動(dòng)，使土體強(qiáng)度降低，造成后施工頂管引起的土體擾動(dòng)加劇，而后施工頂管開(kāi)挖時(shí)周?chē)蛳仁┕ろ敼芤粋?cè)的土體擾動(dòng)程度要大于另一側(cè)土體，施工時(shí)該側(cè)的土體損失也要大于另一側(cè)，因此，后施工頂管由土體損失引起的最大地面沉降值和沉降槽寬度都要變大，且地面沉降曲線是不對(duì)稱(chēng)的，其最大沉降點(diǎn)要向先施工頂管方向偏移[5]。從實(shí)際沉降曲線看，沉降槽曲線確實(shí)未呈對(duì)稱(chēng)分布，已貫通的1#線區(qū)域的地面沉降變化量比另一側(cè)大，影響范圍B雙主要集中在1#線區(qū)域，因曲線非對(duì)稱(chēng)，難以準(zhǔn)確判斷。

2#線貫通后，最大沉降位于雙線中心上方的DM21，累計(jì)沉降量S雙max=47.3 mm。關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分階段沉降量詳見(jiàn)表3。從表中數(shù)據(jù)可以看出，2#線頂管施工引起的沉降量小于1#線，但總體而言，該段頂管的沉降控制并不理想。

表3 關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分階段沉降量

以工作井前方45 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)J1（位于2#線軸線正上方）的數(shù)據(jù)分析地面沉降縱向發(fā)展，形成的縱斷面沉降曲線如圖5所示。頂管機(jī)穿越監(jiān)測(cè)點(diǎn)前地表土體呈現(xiàn)微隆起狀態(tài)，在頂管機(jī)到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)下方時(shí)，隆起量達(dá)到2.9 mm。最大隆起點(diǎn)并非在頂管機(jī)正下方，根據(jù)曲線的曲率變化粗略估計(jì)在頂管機(jī)前方約5～10 m（約1～2D）之間。頂管機(jī)穿越測(cè)點(diǎn)后地表開(kāi)始逐漸下沉，穿越后約40 m（約8D）基本趨于穩(wěn)定。

圖5 2#線頂管施工的縱斷面沉降曲線

4 沉降控制措施淺析

該工程的超大直徑頂管將穿越磁懸浮高架、地鐵高架、航油管、高速公路等許多重要構(gòu)（建）筑物。這些重要節(jié)點(diǎn)對(duì)頂管施工時(shí)的沉降控制要求嚴(yán)格，沉降量一般需控制在20 mm以?xún)?nèi)。由理論分析得知，在1.0%的土體損失率情況下，平行雙線頂管的最大沉降量為16 mm，基本滿(mǎn)足上述敏感區(qū)域的沉降控制要求。但是，本研究頂段的實(shí)際沉降量接近50 mm，遠(yuǎn)大于理論計(jì)算結(jié)果，亦即實(shí)際的土體損失率要高于1.0%。以下試著從實(shí)際施工參數(shù)、施工工況等方面分析沉降偏大的原因。

4.1 控制土壓力的設(shè)定

頂管機(jī)正面的控制土壓力決定著開(kāi)挖面土體的穩(wěn)定性，是控制地面沉降的重要指標(biāo)。實(shí)際施工中，控制土壓力指導(dǎo)著頂管機(jī)進(jìn)尺量和出土量?jī)蓚€(gè)重要施工參數(shù)。理論上，控制土壓力應(yīng)保持在靜止土壓力才能保證地層無(wú)損失。但是，由于靜止土壓力難以準(zhǔn)確計(jì)算，且大口徑頂管的開(kāi)挖面土壓力分布隨高程變化幅度較大，所以，施工規(guī)范一般控制土壓力P設(shè)定在頂管機(jī)刀盤(pán)下部1/3處的被動(dòng)土壓力[6]。

按照工程實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算，本段頂管的理論控制土壓力P=0.40 MPa。實(shí)際控制土壓力：1#線平均0.17 MPa，2#線平均0.24 MPa。根據(jù)實(shí)測(cè)的沉降數(shù)據(jù)分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)頂管頂進(jìn)油缸卸載后的壓力情況判斷，2#線頂管的控制頂力值比1#線合理。

4.2 注漿減阻效果

管道外圍的觸變泥漿減阻，既可控制頂進(jìn)力，又可降低土體受到的剪切擾動(dòng)，減小地層損失。根據(jù)大量施工經(jīng)驗(yàn)，注漿量一般控制為機(jī)尾空隙的3～6倍，注漿壓力控制在0.8～1.2倍土體自重應(yīng)力，即本段頂管的理論注漿量為0.9～1.8 m3/m，壓力0.2～0.3 MPa。

除了注漿量和注漿壓力外，注漿材料的選擇對(duì)注漿效果也有很大的影響。日本有專(zhuān)門(mén)研制用于頂管的IMG減摩材料，它是一種高分子吸水材料，其微小顆粒吸足水分后的直徑可膨脹到0.5～2 mm，形成類(lèi)似于魚(yú)籽的潤(rùn)滑漿，可使頂進(jìn)管道與地層之間的摩擦力減小到0.2 kPa的優(yōu)質(zhì)效果[3]。

實(shí)際施工中，管內(nèi)的同步注漿及沿線補(bǔ)漿均為0.4 m3/m，壓力0.1～0.3 MPa，注漿量偏小。2.5 kPa的平均單位摩阻力說(shuō)明了本段頂管的注漿并未達(dá)到理想效果，造成地層損失加劇。

4.3 洞口止水效果

本段頂管的工作井洞口采用“橡膠板+牛油盤(pán)根”雙道止水裝置，但在實(shí)際操作中，因頂管機(jī)刀盤(pán)尺寸較大，橡膠板和盤(pán)根分2次安裝，而且在安裝過(guò)程中頂管機(jī)對(duì)止水裝置有一定的磨損，造成洞口漏水，洞口處的水土流失勢(shì)必造成洞口周邊地面的大幅沉降。

4.4 附加應(yīng)力的影響

工作井平面布置時(shí)，管材堆場(chǎng)安排在1#線管道軸線上方（距工作井約20～30 m），長(zhǎng)期的重載加壓形成的附加應(yīng)力對(duì)地面沉降也有一定的影響，穿越重載區(qū)時(shí)的施工參數(shù)應(yīng)予以適當(dāng)調(diào)整。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)沉降槽理論分析，在土體損失率1.0%的情況下，單線頂管施工的最大沉降量10 mm，橫向影響范圍為軸線外11 m；雙線頂管最大沉降量16 mm，橫向影響范圍為軸線外15 m，沉降曲線呈對(duì)稱(chēng)分布。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，雙線頂管的沉降曲線并不對(duì)稱(chēng)，先頂進(jìn)一側(cè)的沉降量大于另一側(cè)，影響范圍比理論計(jì)算值??；縱向土體在頂管機(jī)穿越前約5～10 m呈微隆起狀態(tài)，頂管機(jī)穿越后逐漸下沉直至約40 m后趨于穩(wěn)定。

（2）平行雙線頂管的監(jiān)測(cè)方案有別于單線頂管，應(yīng)合理制定監(jiān)測(cè)范圍、監(jiān)測(cè)頻率，以更好地指導(dǎo)頂管施工。

（3）地表變形的影響因素主要有：開(kāi)挖面土壓力、注漿、洞口止水、地面附加應(yīng)力等。敏感區(qū)域的頂管施工應(yīng)設(shè)定試驗(yàn)段，因地制宜地調(diào)整施工參數(shù)。

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[6]DG/TJ08-2049-2008，頂管工程施工規(guī)程[S].

TU990.3

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1009-7716（2017）04-0158-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.047

2017-03-02

蘇鼎國(guó)（1963-），男，上海人，工程師，長(zhǎng)期從事市政水務(wù)工程的質(zhì)量監(jiān)督管理工作。