鄭書朝（中鐵十六局集團(tuán)有限公司， 北京 100008)

1 頂管工程發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的技術(shù)難題

伴隨著社會的發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地下空間的利用需求越來越大。由于城市道路下方市政管線繁多，人流、車流量大，因此采用明挖法施工，必然涉及管線搬遷以及道路翻交，而且費(fèi)用高、施工周期長。矩形頂管過街通道施工方法，由于施工周期短、經(jīng)濟(jì)投入低，因此逐漸推廣開來。隨著人流量的逐漸增多，矩形頂管通道的尺寸要求也越來越高，由早期的內(nèi)徑 3 m×3 m（外徑 3.8 m×3.8 m）逐漸擴(kuò)大到目前的內(nèi)徑 3.3 m×6 m（外徑 4.2 m×6.9 m）、內(nèi)徑 4 m×6 m（外徑 4.9 m×6.9 m）。隨著頂管截面尺寸的加大，對環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，對地面沉降的控制要求也越來越高。在長江三角洲軟土地質(zhì)條件下，運(yùn)用以往的施工方法，地面實(shí)際沉降值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)階段的要求。

1.1 頂管工程發(fā)展現(xiàn)狀

（1）軟土的天然含水量大、孔隙比大、壓縮系數(shù)高、強(qiáng)度低，并具有蠕變性、觸變性等特性，在受頂管施工擾動時，沉降較大。在軟土地質(zhì)條件下，以往的大斷面矩形頂管施工產(chǎn)生的地面沉降量為 40～50 mm。

（2）現(xiàn)階段我國的頂管用材多數(shù)是鋼筋混凝土管，其次是鋼管和玻璃鋼管?；炷凉苤饕糜谙滤?，鋼管主要用于上水管。

（3）現(xiàn)階段，國內(nèi)城市軌道交通工程的出入口與主體結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)絡(luò)通道已多采用頂管施工，這樣可減少管線搬遷及對市政道路的占用。

1.2 制約頂管工程發(fā)展的技術(shù)難題

（1）砂性土中，泥漿流失較快。頂管頂進(jìn)過程中，為降低頂管頂力，管壁外側(cè)需注入大量潤滑泥漿。然而在砂性土中，砂性土不具黏著性和塑性，透水性極強(qiáng)，泥漿流失較快。如何減少砂性土中泥漿流失，是頂管工程發(fā)展的技術(shù)難點(diǎn)

（2）富水條件下，黏性土地表沉降變化較大。富水條件下，黏性土土層流塑性較大，自穩(wěn)性差。頂管頂進(jìn)過程中，對頂管機(jī)前方土體擾動較大，土體呈不規(guī)則變化，地表變化差異較大，不利于施工沉降控制。如何克服富水條件下黏性土地表沉降變化較大的問題，是制約頂管工程發(fā)展的技術(shù)難點(diǎn)。

（3）穿越多種地層及同一斷面穿越不同地層?，F(xiàn)階段，頂管工程應(yīng)用范圍越來越廣，從原來單一的地下管道施工到如今地下人行通道的施工，工程穿越地層多種多樣，甚至有的一條頂管隧道穿越多種地層，因此頂進(jìn)過程中頂進(jìn)參數(shù)需及時調(diào)整。

2 頂管工程產(chǎn)生地面沉降的原因

2.1 水土流失

頂管始發(fā)井接頭是頂管工作井與外側(cè)土體的連接點(diǎn)，采用橡膠止水環(huán)對該部位進(jìn)行止水。如果橡膠止水環(huán)與頂管管壁不能緊密貼合，就容易造成頂管工作井外側(cè)水土流入工作井內(nèi)，使工作井外側(cè)發(fā)生水土流失，進(jìn)而產(chǎn)生地面沉降。

在頂管管片安裝過程中，頂管機(jī)內(nèi)與外側(cè)土體通過螺旋輸送機(jī)閘門進(jìn)行隔斷。由于螺旋輸送機(jī)閘門采用抽拉開關(guān)式，無橡膠墊進(jìn)行密封，因此管片安裝過程中易造成外側(cè)水源流入頂管機(jī)內(nèi)部，造成頂管機(jī)機(jī)頭前方土體沉降。

2.2 土壓力平衡遭到破壞

土倉壓力不夠，頂力控制不當(dāng)，每節(jié)頂進(jìn)結(jié)束后，管節(jié)后退，導(dǎo)致路面沉降。土壓平衡式頂管機(jī)頂進(jìn)過程中，土倉壓力、頂管頂力與前方土體壓力三者之間相互作用、相互制約，一旦三者之間平衡被破壞，極易引起路面沉降。

頂管法施工不同于盾構(gòu)法施工，頂進(jìn)完成后，需要卸載頂力，在油缸收縮后才能進(jìn)行頂管管片的安裝，無法對土倉內(nèi)土體壓力進(jìn)行保壓。管片安裝階段，是頂管機(jī)前方土體沉降變化量最大的階段。

2.3 泥漿壓力不足

泥漿壓力不足以支撐上部的土體壓力時，將導(dǎo)致路面沉降。不同于盾構(gòu)法施工，頂管管片與外側(cè)土體之間的孔隙不能采用水泥砂漿進(jìn)行填充。為確保頂管順利施工，頂管管片與外側(cè)土體之間的孔隙應(yīng)使用泥漿進(jìn)行填充，一旦泥漿注入量不能滿足頂管施工需要或泥漿流失較快，將導(dǎo)致泥漿壓力減小，頂管管片上方土體下沉。

3 上海地鐵13號線陳春東路站頂管工程沉降控制研究

3.1 工程背景

上海地鐵 13號線二期陳春東路站頂管工程連接 2號出入口及 3號出入口，為矩形過街頂管通道。矩形頂管的設(shè)計(jì)外包斷面尺寸為 6 900 mm×4 200 mm，管節(jié)壁厚 450 mm，建成后地下通道凈空 6 000 mm×3 300 mm，頂進(jìn)長度為 58.7 m。

矩形頂管的覆土厚度在 6.4～7.0 m之間。靠近工作井側(cè)主要為 ：③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，靠近接收井側(cè)為 ③t層灰色砂質(zhì)粉土和 ③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中頂進(jìn)施工，其中 ③t層灰色砂質(zhì)粉土最大厚度為 2.3 m。由于這兩層土的特點(diǎn)是黏性較高、含砂，所以頂進(jìn)施工時刀盤正面應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行土體改良，機(jī)殼和管節(jié)頂部適當(dāng)注漿，以防止頂管機(jī)和管節(jié)背土。

3.2 水土流失控制措施

為減少洞門處滲漏水現(xiàn)象，在洞門處安裝洞門鋼環(huán)，鋼環(huán)上設(shè)置螺栓孔，卷簾板與洞門鋼環(huán)通過螺栓連接，卷簾板與洞門鋼環(huán)之間設(shè)置環(huán)形橡膠密封圈。卷簾板的螺栓孔采用腰子孔形式，以利于頂進(jìn)過程中可隨管節(jié)位置的變動而隨時調(diào)節(jié)，保證簾布橡膠板的密封性能。

螺旋出土機(jī)采用雙閘門形式，在原有液壓推拉艙門基礎(chǔ)上，增加帶有橡膠帶的平開式艙門，提高非出土階段螺旋出土機(jī)的密封性，減少水體流失。

3.3 土壓平衡保證措施

3.3.1 路面沉降破壞原理以及土體破壞結(jié)構(gòu)性分析

頂管法施工引起周圍地層變形的內(nèi)在原因在于，土體的原始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化，原狀土經(jīng)歷了擠壓、剪切、扭曲等復(fù)雜的應(yīng)力路徑。頂管管道與土體之間存在施工間隙，如果施工間隙不能及時注漿填補(bǔ)，那么上部及側(cè)向的土體將向管道坍落，覆蓋層出現(xiàn)一些附加的間隙或裂縫，使密實(shí)度降低。同時，受頂管頂進(jìn)影響，管道前后、左右、上下各部位土體的位移狀態(tài)不同，管道后的土體表層土表現(xiàn)為垂直下沉，深層土隨頂管拖帶向前的水平移動，土體和漿液固結(jié)、次固結(jié)沉降都使土體產(chǎn)生向下的位移變形。頂管頂進(jìn)后，不同深度土層擾動曲面疊加形成不同傾斜度的沉降槽。地面變形區(qū)段示意見圖1，頂管掘進(jìn)施工引起的土體沉降見表1。

圖1 地面變形區(qū)段示意圖

表1 頂管掘進(jìn)施工引起的土體沉降表

3.3.2 土倉壓力計(jì)算以及設(shè)置情況

（1）頂管推進(jìn)頂力計(jì)算見式（1）：

式中：F—總頂力，kN；

F1—管道與土層的摩阻力，kN；

L—管道頂進(jìn)長度，m；

f—管道外壁與土的平均摩阻力，取 7～12 kN/m2

F2—頂管機(jī)的迎面阻力，kN；

a—頂管機(jī)寬度，m；

b—頂管機(jī)高度，m；

P—頂管機(jī)下部 1/3 處的被動土壓力（頂管高度4.2 m，1/3 處為頂管底上部 1.4 m 位置，標(biāo)高為 －5.38 m，地面標(biāo)高為 +4.82 m，為地面下10.2 m 的被動土壓力）。

根據(jù)式（1）計(jì)算：F1＝9 155～15 694 kN，F(xiàn)2＝4 337 kN，F(xiàn)＝13 492～20 031 kN。施工中考慮一些外加不利因素，實(shí)際頂進(jìn)的最大推力在 20 000 kN 左右。

（2）正面土壓力的設(shè)定。本工程采用土壓平衡式頂管機(jī)，利用壓力倉內(nèi)的土壓力平衡開挖面的土體，達(dá)到對頂管正前方開挖面土體支護(hù)的目的，并控制好地面沉降。因此，平衡土壓力的設(shè)定是頂進(jìn)施工的關(guān)鍵。土壓力采用朗肯（Rankine）壓力理論進(jìn)行計(jì)算，見式（2）：

式中：P—管道的側(cè)向土壓力，

k0— ③t層灰色砂質(zhì)粉土的側(cè)向系數(shù)（地質(zhì)勘查報告顯示 ③層的側(cè)向系數(shù)為 0.53，③t層的側(cè)向系數(shù)為 0.36，另依據(jù)上海的頂管施工經(jīng)驗(yàn)，側(cè)向系數(shù)取 0.7）；

r—土的容重，本項(xiàng)目取 18 kN/m3；

Z—覆土深度，m；

P1—超載系數(shù)，取 20 kN/m2。

根據(jù)式（2）計(jì)算得P＝148.52 kN/m2。這一數(shù)值為理論計(jì)算值，只能作為土壓力的最初設(shè)定值，隨著頂進(jìn)的不斷進(jìn)行，土壓力值應(yīng)根據(jù)其他實(shí)際頂進(jìn)參數(shù)、地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

頂管在正常頂進(jìn)施工中，必須密切注意頂進(jìn)軸線的控制。在每節(jié)管節(jié)頂進(jìn)結(jié)束后，必須進(jìn)行機(jī)頭的姿態(tài)測量，并做到隨偏隨糾，且糾偏量不宜過大，以免土體出現(xiàn)較大擾動及管節(jié)間出現(xiàn)張角。為減少頂管上方地面最終沉降量，在頂管頂進(jìn)過程中，適當(dāng)加大頂力，確保頂管機(jī)頭前端上部地面適當(dāng)隆起 8～10 mm，以彌補(bǔ)后期沉降。

3.3.3 止退措施設(shè)置情況

由于矩形頂管掘進(jìn)機(jī)的斷面較大，前端阻力大，所以實(shí)際施工中，即使管節(jié)頂進(jìn)了較長距離，每次拼裝管節(jié)或加墊塊時，主頂油缸一回縮，機(jī)頭和管節(jié)仍會一起后退 20～30 cm。當(dāng)頂管機(jī)和管節(jié)往后退時，機(jī)頭和前方土體間的土壓平衡受到破壞，土體面得不到穩(wěn)定支撐，易引起機(jī)頭前方的土體坍塌。若不采取一定的措施，路面和管線的沉降量將難以得到控制。

在始發(fā)井洞門外的基座上焊接 2 根豎向定位 H 型鋼。當(dāng)主頂千斤頂行程結(jié)束準(zhǔn)備回縮時，利用 2 根預(yù)先準(zhǔn)備好的 H型鋼斜撐于豎向型鋼上，型鋼與型鋼的接觸面、型鋼與基座的接觸面均進(jìn)行焊接固定。當(dāng)管節(jié)吊裝下井安裝完成、主頂千斤頂再次伸出管節(jié)面時，拆除止退裝置。當(dāng)頂進(jìn)長度達(dá)到覆土厚度的 2 倍時即可取消止退裝置。

3.4 管壁外側(cè)注漿壓力以及泥漿壓力值情況

為減少土體與管道間摩阻力同時減少覆蓋層土體應(yīng)力變化，在管道外壁壓注觸變泥漿。

3.4.1 泥漿配合比及指標(biāo)

在頂管開始頂進(jìn)以前現(xiàn)場取土樣進(jìn)行配比試驗(yàn)。適當(dāng)調(diào)整泥漿配比，可確保滿足泥漿在富水條件下黏性土中的效果。泥漿配合比見表2。泥漿性能指標(biāo)見表3。

表2 泥漿配合比 kg/m3

表3 泥漿性能指標(biāo)

3.4.2 壓漿孔及壓漿管路布置

壓漿系統(tǒng)分為兩個獨(dú)立的子系統(tǒng)：一路為改良土體的流塑性，對機(jī)頭內(nèi)及螺旋機(jī)內(nèi)的土體進(jìn)行注漿；另一路則是為了形成減摩泥漿套，以對管節(jié)外進(jìn)行注漿。

3.4.3 壓漿設(shè)備及壓漿工藝

采用泥漿攪拌機(jī)進(jìn)行制漿，按配比表配制泥漿，純堿和 CMC 應(yīng)預(yù)先化開（CMC 可以邊攪拌邊添加），再加入膨潤土攪拌 20 min，泥漿要充分?jǐn)嚢杈鶆颉簼{泵采用柱塞泵，將其固定在始發(fā)井口。拌漿機(jī)出料后先注入儲漿桶，儲漿桶中的漿液拌制后需經(jīng)過一定時間方可通過柱塞泵送至井下。注漿壓力控制在 0.3 MPa 左右。

3.4.4 壓漿施工要點(diǎn)

（1）壓漿由專人負(fù)責(zé)，保證觸變泥漿穩(wěn)定，施工期間不失水、不固結(jié)、不沉淀。

（2）嚴(yán)格按壓漿操作規(guī)程施工。在頂進(jìn)時應(yīng)及時壓注觸變泥漿，充填頂進(jìn)時所形成的建筑空隙，在管節(jié)四周形成減摩泥漿套，減少頂進(jìn)阻力和地表沉降。

（3）壓漿時必須遵循“先壓后頂、隨頂隨壓、及時補(bǔ)漿”的原則。

（4）壓漿順序：地面拌漿→啟動壓漿泵→總管閥門打開→管節(jié)閥門打開→送漿（頂進(jìn)開始）→管節(jié)閥門關(guān)閉（頂進(jìn)停止）→總管閥門關(guān)閉→井內(nèi)快速接頭拆開→下管節(jié)→接總管→循環(huán)往復(fù)。

（5）壓漿量計(jì)算(每節(jié)管節(jié))。為了保證注漿效果，注漿量設(shè)定為理論值的2～3倍，具體數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況及時調(diào)整，頂管機(jī)外徑為(4.22＋6.92) m，與管片的間隙為0.015 m，理論間隙每環(huán)壓漿量=（4.22+6.92）×2×0.015×1.5=0.5 m3/環(huán)。

3.5 頂管后沉降控制措施

分析頂管掘進(jìn)時地表位移分區(qū)圖及頂管掘進(jìn)施工引起的土體沉降表分析可知，頂管管片上方土體在頂管機(jī)頭推進(jìn)后，管片周圍土體會隨管片頂進(jìn)方向產(chǎn)生水平位移，從而引起頂管后沉降。為減少頂管后沉降，應(yīng)嚴(yán)格控制壓漿量，降低頂管管片與土體之間的摩擦力，減少土體水平位移量。

對于已產(chǎn)生后沉降區(qū)域，以 10 mm 為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)沉降量達(dá)到或者超過 10 mm 時，采用泥砂補(bǔ)償泵，將黏性土注入管片四周，以使路面隆起 5 mm（相對于原始標(biāo)高）為標(biāo)準(zhǔn)，抬起管片上方土體。由于富水條件下黏性土流塑性較大，因此在黏性土注入過程中，應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)測周圍土體沉降變化情況。若出現(xiàn)異常區(qū)域，停止黏性土注入施工。

3.6 分析確定施工參數(shù)

根據(jù)頂管施工路面沉降數(shù)據(jù)階段性情況，階段性地采取措施進(jìn)行處理，并確定各項(xiàng)參數(shù)。由于頂管施工在管片安裝后仍需移動的特性，以及富水條件下黏性土流塑性較大的特性，所以施工監(jiān)測應(yīng)隨頂管施工實(shí)時進(jìn)行，對沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析確定頂管施工應(yīng)設(shè)定的機(jī)頭前方土體預(yù)拱量、泥漿壓力、泥漿補(bǔ)充量、頂進(jìn)頂力等施工參數(shù)。根據(jù)頂管后沉降量確定黏性土的注入量及注入壓力，確保在頂管施工過程中路面沉降可控，從而保障施工安全，降低施工風(fēng)險。

4 控制成果及存在的不足

4.1 控制成果

通過優(yōu)化洞門橡膠止水措施，改進(jìn)螺旋輸送機(jī)閘門，增設(shè)止退措施以及通過實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析優(yōu)化施工參數(shù)，對后沉降區(qū)域采用黏性土注入工藝，最終頂管施工結(jié)束后，路面隆沉值為 ＋3～－5 mm（正值為隆起、負(fù)值為下沉），實(shí)現(xiàn)了軟土地質(zhì)下大斷面矩形施工零沉降，也為今后頂管施工提供了有效可行的施工方案。

4.2 存在的不足

雖采用注入黏性土可抬高路面、減少后期沉降，但伴隨著頂管的頂進(jìn)，填充的土體向前方擴(kuò)散，施工過程中需不斷注入黏性土，方能滿足要求，造成施工進(jìn)度緩慢。頂管機(jī)前方土壓力較大，止退措施易造成管片開裂。頂管頂進(jìn)過程中，前方土體壓力達(dá) 4 337 kN，當(dāng)頂力油缸泄力后，壓力全部作用在止退裝置與管片連接處。連接處止退裝置與管片吊裝孔采用銷子連接，對管片吊裝孔會產(chǎn)生集中荷載。主動土壓力經(jīng)管片全部傳遞至吊裝孔集中荷載處，極易造成該部位吊裝孔變形和混凝土裂縫。

5 結(jié) 語

本頂管工程一方面通過大斷面頂管施工參數(shù)的優(yōu)化以及措施的實(shí)施減少地面沉降量，另一方面采取有效措施將地面上抬，使地面隆沉始終控制在要求范圍以內(nèi)，從而確保了地面零沉降。這些技術(shù)措施可供類似大斷面頂管施工項(xiàng)目參考。