張萬國

（中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司 山東濟(jì)南 250002）

1 引言

伴隨我國社會(huì)和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市的環(huán)境保護(hù)工作越來越受到社會(huì)各部門的高度重視，頂管技術(shù)由于其施工速度快、適用性好、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。但由于盾構(gòu)頂管施工鄰近既有鐵路、城市輕軌等難題，其引起的沉降控制技術(shù)是此類工程的關(guān)鍵［1］。

祝嘉輝等［2］通過對(duì)泥水平衡頂管施工參數(shù)分析，得出施工引起地面沉降規(guī)律，并對(duì)施工技術(shù)做出改進(jìn)。蔣加兵等［3］通過極限平衡法和超孔隙水壓力計(jì)算模型，研究開挖面支護(hù)壓力和微觀穩(wěn)定的影響規(guī)律。謝雄耀等［4］通過進(jìn)行注漿質(zhì)量檢測(cè)并結(jié)合監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)提出“微沉降”施工控制體系。周慶合等［5］通過分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬相結(jié)合，建立隧道施工計(jì)算模型，得到下穿過程中既有結(jié)構(gòu)變形與沉降控制方法間的關(guān)系。蔣曉天、張帥坤等［6－7］通過分析刀盤的選型配置和刀具磨損情況，提出一套有針對(duì)性的泥水盾構(gòu)刀盤配置。陳傳燦、龔?fù)⒚竦龋?－9］通過頂管技術(shù)研究，對(duì)掘進(jìn)面穩(wěn)定控制系統(tǒng)及機(jī)具設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)、升級(jí)。鄭磊、商厚勝等［10－11］通過選定最佳泥漿配比對(duì)頂管注漿減阻技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。

可以看出：國內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)泥水平衡式盾構(gòu)頂管施工過程中產(chǎn)生的地表沉降進(jìn)行了一系列研究，但是在施工過程中通過系統(tǒng)地考慮施工方案、頂進(jìn)參數(shù)以及通過采取預(yù)案防治的方法來控制沉降的研究較少。本文以實(shí)際工程案例為背景，通過對(duì)施工方案的比選、參數(shù)確定以及施工過程中可能出現(xiàn)的問題提出預(yù)防措施，對(duì)泥水平衡微型盾構(gòu)頂管過程沉降控制技術(shù)的提升改進(jìn)具有理論和工程實(shí)踐意義。

2 工程概述及施工方案選擇

西安大橋位于長(zhǎng)春市西安大路上，橋梁跨越京哈鐵路和輕軌3號(hào)線（見圖1），規(guī)劃西安橋兩側(cè)分別設(shè)置4座1－2.2 m防護(hù)涵，將既有橋上及兩側(cè)高壓電力、通信、自來水、燃?xì)夤芫€改遷入涵。防護(hù)涵與鐵路交叉角度89°。其中1、2號(hào)防護(hù)涵單管頂進(jìn)區(qū)間長(zhǎng)110 m，3、4號(hào)防護(hù)涵單管頂進(jìn)區(qū)間長(zhǎng)100 m。圓管涵最小埋深大于3 m（見圖2）。

圖1 平面位置關(guān)系

圖2 管道位置及橫斷面（單位：cm）

本項(xiàng)目工程施工采用泥水平衡微型盾構(gòu)頂管施工工藝。由于管道下穿既有鐵路和城市輕軌，而且1號(hào)管道與2號(hào)管道距離較近，易發(fā)生地面沉降，施工過程中必須保證地面建筑物安全穩(wěn)定，因此施工難度較大。為防止施工擾動(dòng)面過大，防護(hù)涵頂進(jìn)采用非開挖微型盾構(gòu)頂管施工工藝，在預(yù)留盾構(gòu)必須的施工通道后，能夠利用的工作面空間較為有限，因此，采用單管往復(fù)頂進(jìn)模式，既保證了充足的施工空間又避免因下穿施工造成線路變形。

3 既有線路加固措施

由于軌道是剛性材質(zhì)冶煉而成，因此對(duì)輕軌線路采用50型3-5-3扣軌加固，預(yù)防因頂管施工造成土體沉降從而導(dǎo)致軌道沉降。京哈上、下行線路采用D16型鋼便梁加固（見圖3）。

圖3 線路加固平面

在加固作業(yè)時(shí)，作業(yè)人員將鋼軌搬運(yùn)到已經(jīng)抽換的木枕上，在每根鋼軌就位時(shí)，使其與其他鋼軌拼成軌束梁。軌束梁成型后，在“U”型螺栓上安裝好扣軌夾板，上緊扣件，加固線路?？圮壎祟^架設(shè)臨時(shí)梭頭。

4 頂進(jìn)方案及頂力計(jì)算

（1）盾構(gòu)類型選擇

根據(jù)本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況及設(shè)計(jì)資料，盾構(gòu)穿越地層主要為人工雜填土和粉質(zhì)黏土層，為保證施工過程安全穩(wěn)定的同時(shí)具有較高的自動(dòng)化、對(duì)地面沉降影響小和快速高效的掘進(jìn)速度，從地質(zhì)條件看，本工程最適宜泥水平衡盾構(gòu)頂管施工。

泥水平衡頂管施工是一種以全斷面切削土體，以泥水壓力來平衡土壓力和地下水壓力，利用泥水作為輸送棄土介質(zhì)的機(jī)械式頂管作業(yè)。泥水平衡頂管主要包括三個(gè)系統(tǒng)：頂管機(jī)、泥水輸送、泥水處理，這三個(gè)系統(tǒng)既獨(dú)立操作又相互配合，運(yùn)行聯(lián)系見圖4。

圖4 頂管機(jī)、泥水輸送及處理系統(tǒng)運(yùn)行流程

（2）刀盤和驅(qū)動(dòng)選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，并結(jié)合以往相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，確定采用變頻驅(qū)動(dòng)面板式刀盤。

面板式刀盤對(duì)各種地層均能適應(yīng)，刀盤即使被磨損仍能保持整體強(qiáng)度不發(fā)生變形并且在半艙掘進(jìn)時(shí)面板對(duì)開挖面有一定機(jī)械支撐作用，可破碎較大礫石，長(zhǎng)距離盾構(gòu)及地質(zhì)變化較大的地層優(yōu)先考慮面板式刀盤。

在驅(qū)動(dòng)方式上，有變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和定速電機(jī)驅(qū)動(dòng)幾種方式。由于本項(xiàng)目施工場(chǎng)地緊鄰居民區(qū)，綜合考慮具有傳動(dòng)效率高、熱平衡性好、噪聲低的特點(diǎn)，宜采用變頻驅(qū)動(dòng)。

（3）頂力計(jì)算

頂力控制作為施工掘進(jìn)的重要參數(shù)之一，頂力控制的影響因素很多，對(duì)中小口徑的管道，控制頂力往往是管材的允許頂力。施工過程中避免因頂力不足造成機(jī)頭卡頓，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況進(jìn)行受力分析（見圖5）。設(shè)計(jì)頂力為8 100 kN，最大頂力計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)公式，最大頂進(jìn)距離按110 m計(jì)算。管道頂力包括頂管機(jī)迎面阻力和頂進(jìn)阻力。

圖5 頂管受力示意

根據(jù)軸力平衡，頂進(jìn)力P一般可簡(jiǎn)單認(rèn)為由迎面阻力PF、與管道摩阻力F兩部分組成，即：

式中：D1為管道外徑，2.64 m；L為頂管設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度，110 m；fk為頂管外壁與土單位面積摩阻力，按表1 取為5.0 kN／m2。

表1 摩阻力取值 kN／m2

式中：Dg為頂管機(jī)外徑，2.68 m；γ為管道所處土層重力密度，19.6 kN／m3；Hg為覆蓋土層的厚度，8.48 m。

經(jīng)過分析計(jì)算，頂力滿足要求，施工方案合理可行。

（4）壓漿減阻與泥漿置換

壓漿減阻的目的是為能夠及時(shí)填充由于管節(jié)與盾構(gòu)機(jī)頭在開挖面之間存在的空隙，在長(zhǎng)距離頂管施工中對(duì)于頂管是否順利以及地表沉降控制尤為重要。補(bǔ)充管道外周泥漿損失的補(bǔ)漿材料要求粘滯度較小，流動(dòng)性較大。觸變泥漿選用單液漿，在每次頂進(jìn)中必須對(duì)頂管機(jī)頭后的第一個(gè)注漿斷面上壓注足量的泥漿，以使其形成完整的泥漿套，在頂進(jìn)100 m范圍以后的補(bǔ)漿斷面上可每隔2～4 d定期補(bǔ)漿。

頂管完成后及時(shí)對(duì)管道外壁進(jìn)行充填加固和漿液置換（見圖6）。置換漿體由管道內(nèi)部的壓漿孔壓注，注漿次數(shù)3次，兩次間隔時(shí)間不得大于12 h。使用的泥漿置換材料為水泥加粉煤灰漿。

圖6 注漿系統(tǒng)示意

每?jī)晒?jié)混凝土管編為1組，每組3個(gè)注漿孔，前孔注漿，后孔排氣排漿，以此類推，直到全部完成。壓注完成后保壓1 h，保壓時(shí)注漿壓力為0.5 MPa。泥漿配合比見表2。

表2 膨潤(rùn)土泥漿配合比

頂進(jìn)前預(yù)先在管節(jié)鋼承口處安裝一道環(huán)形橡塑管（見圖7），在頂進(jìn)過程中橡塑管受力壓扁，可以作為彈性材料緩沖兩混凝土管節(jié)之間的剛性頂力，極大地減小頂管破裂的概率。

圖7 橡塑管安裝現(xiàn)場(chǎng)

管外壁注漿完成后，使用探地雷達(dá)進(jìn)行管外壁注漿效果檢查，在管道頂部及兩側(cè)上部，分別布設(shè)3條測(cè)線（見圖8）。如果雷達(dá)檢測(cè)出有空洞、土體疏松等情況，須重新向管外壁注漿，直到檢查合格為止。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）

5 頂進(jìn)施工常見問題及預(yù)防措施

5.1 出洞時(shí)方向失控

泥水平衡工具管重量較大，當(dāng)土質(zhì)出現(xiàn)軟弱交替或土層軟弱時(shí)，在自重作用下容易產(chǎn)生機(jī)頭下沉現(xiàn)象，繼而引起頂管方向失控，尤其是在出洞前90～100 m時(shí)，在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制管道軸線的角度與波動(dòng)幅度，措施如下：

（1）出洞時(shí)給工具管預(yù)設(shè)一個(gè)向上的預(yù)抬值，角度可控制在3°以內(nèi)。

（2）對(duì)其后剩余工具管管節(jié)的接頭，使用16～20 mm螺栓連接成整體，提高管節(jié)的剛度和整體性。

（3）必要時(shí)對(duì)洞口周圍壓注水泥砂漿，形成剛性始發(fā)導(dǎo)向。

（4）通過頂進(jìn)趨勢(shì)測(cè)定裝置來指導(dǎo)糾偏，做到“勤監(jiān)測(cè)，勤糾正”。

5.2 地面沉降

頂管施工會(huì)導(dǎo)致土體原始應(yīng)力的改變，造成地表沉降（見圖9）。

圖9 平行頂管施工引起地面沉降

黏性土滲透系數(shù)較小，采用泥水平衡微型盾構(gòu)頂管，地面沉降可以得到有效控制，但因管壁觸變泥漿除具減阻作用，還可起到填充管道外周空隙的作用。為實(shí)現(xiàn)泥漿套呈連續(xù)狀態(tài)且最大限度保證減小地面沉降的效果，建議如下：

（1）在原地面對(duì)頂進(jìn)區(qū)域兩側(cè)采用斜向45°高壓旋噴樁進(jìn)行土體加固，使之形成整體，提高土層固結(jié)能力。

（2）在機(jī)頭跟進(jìn)注漿基礎(chǔ)上，通過混凝土管節(jié)同步進(jìn)行補(bǔ)漿，從而使?jié){液成環(huán)。

（3）提高觸變泥漿性能，增大粘滯度，減少失水量，泥漿比重控制在1.2 g／cm3，粘度值控制在25～30 s。

5.3 頂力控制

管道頂進(jìn)需詳細(xì)計(jì)算和分析工具管迎面土壓力和混凝土管節(jié)及工具管與外側(cè)土體摩阻力。頂力過大將會(huì)導(dǎo)致管節(jié)因強(qiáng)度不夠而破裂，影響施工進(jìn)度，因此要進(jìn)行頂力計(jì)算。但《實(shí)用給水排水工程施工手冊(cè)》所提到的阻力計(jì)算方法過于片面。在滲透系數(shù)較大使得水和土能各自分離的砂質(zhì)土條件下，考慮浸在地下水以下部分土體受到水浮力影響，迎面阻力計(jì)算見式（4）；在滲透系數(shù)較小使得水土不易分離的黏性土條件下，迎面阻力計(jì)算見式（5）。

式中：F1為迎面阻力，kN；Bc為管外徑，m；γt為土體容重，kN／m3；H1為地下水位以上部分高度，m；γ′t為土體浮容重，kN／m3；H2為地下水位以下部分高度，m；φ為土體內(nèi)摩擦角；Pw為掘進(jìn)設(shè)備所處土層的地下水壓力，kPa；ΔP為給土艙預(yù)加壓力，一般為20 kPa；H為地面到掘進(jìn)機(jī)中心的深度，m；α為綜合系數(shù)，取值見表3。K0為靜止土壓力系數(shù)，與土體性質(zhì)有密切關(guān)系：在砂性土中，K0＝0.25～0.33；在黏性土中，K0＝0.33～0.70。

表3 綜合系數(shù)α取值

6 結(jié)束語

本項(xiàng)目通過成功應(yīng)用微型盾構(gòu)頂管施工技術(shù)，系統(tǒng)總結(jié)了微型盾構(gòu)頂管技術(shù)下穿既有建筑物時(shí)地表沉降控制方法。通過系統(tǒng)考慮泥水平衡式微型盾構(gòu)頂管施工原理、泥漿配合比以及施工過程中產(chǎn)生的主要問題及應(yīng)對(duì)措施，對(duì)盾構(gòu)頂管沉降控制技術(shù)提出新的見解。

（1）泥水平衡式微型盾構(gòu)頂管施工過程安全穩(wěn)定，地表未產(chǎn)生過大沉降，同時(shí)具有較高的自動(dòng)化、對(duì)既有線路影響小和快速高效的掘進(jìn)速度。

（2）壓漿減阻技術(shù)在頂管施工過程中對(duì)減小頂管阻力起到至關(guān)重要的作用，其中泥漿配合比設(shè)定是重要的一環(huán)，穩(wěn)定性好的泥漿是確保順利施工的必要條件。

（3）合理的頂力參數(shù)選擇以及刀盤的選用能夠在施工過程中產(chǎn)生較小的扭矩，刀盤不易發(fā)生偏磨，能延長(zhǎng)刀盤的使用壽命，保證施工順利進(jìn)行，縮短工期。