陳 志

（中鐵十二局集團(tuán)第七工程有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410000）

1 工程概況

（1）項(xiàng)目簡(jiǎn)介

徐州市某地鐵車(chē)站鄰近市政府，周邊為商務(wù)區(qū)，高樓林立，環(huán)境敏感。1號(hào)出入口需下穿市政主干道，出入口過(guò)路通道段采用土壓平衡矩形頂管法施工。通道長(zhǎng)52.5 m，預(yù)制鋼筋混凝土矩形管節(jié)外輪廓為7×5 m，壁厚0.5 m，每段管節(jié)長(zhǎng)1.5 m，共設(shè)35段，如圖1所示。

圖1 縱斷面示意（單位：cm）

（2）地質(zhì)水文條件

現(xiàn)場(chǎng)位于黃、淮河沖積平原區(qū)，地勢(shì)平坦。通道管頂覆土厚度3.76～4.37 m，頂管處于地下3.76～9.37 m之間，地層自上而下主要為1-1層雜填土、2-4-2層粉質(zhì)黏土、2-5-3層粉土、2-5-4層粉土、2-6-3層粉砂。頂管穿越的地層主要為粉土層，少部分穿越粉質(zhì)黏土和粉砂層。地層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土力學(xué)參數(shù)

地下水分別為上層滯水和潛水。上層滯水水位埋深2.0～5.5 m，潛水水位埋深5.5～8.5 m，主要接受大氣降水補(bǔ)給，動(dòng)態(tài)季節(jié)性變化顯著。

（3）管線情況

對(duì)頂管影響較大的主要地下管線：道路中央分隔帶內(nèi)有1根φ120 cm承插型鋼筋混凝土污水管，與頂管垂直，距頂管頂凈距約40 cm；沿頂管上方縱向有1根φ30 cm中壓燃?xì)怃摴埽c頂管頂凈距約190 cm。

2 建模計(jì)算與結(jié)果分析

（1）計(jì)算模型和參數(shù)

通過(guò)數(shù)值假定和力學(xué)模擬建立計(jì)算模型，如圖2所示。其中，1為頂管隧道，2、3分別為污水管和燃?xì)夤艿?。模型物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 土體管節(jié)模型（單位：m）

表2 模型力學(xué)參數(shù)

（2）地層變形計(jì)算

頂管施作完成后地表沉降云圖見(jiàn)圖3，各特征斷面地表沉降見(jiàn)圖4。沉降最大值出現(xiàn)在距離始發(fā)井0 m的斷面，沉降峰值－9.61 mm；在頂管施工前10 m、后15 m范圍內(nèi)，地表沉隆值變化較大，且頂管經(jīng)過(guò)時(shí)不同斷面隆起峰值基本穩(wěn)定在3 mm以內(nèi)，小于規(guī)范值10 mm。

圖3 豎向變形云圖

圖4 特征斷面地表沉降曲線

（3）管線位移分析

管線豎向位移和地表變形規(guī)律基本一致。在頂進(jìn)至管道斷面前污水管道產(chǎn)生隆起，最大值1.98 mm，通過(guò)后管道緩慢沉降，最大值－3.92 mm。燃?xì)夤艿缆∑饦O值2.19 mm，沉降極值－5.93 mm。變形最大值均小于設(shè)計(jì)值10 mm；差異沉降量分別為0.002 9%與0.008 5%，亦小于規(guī)范設(shè)計(jì)值0.25%。

（4）結(jié)果分析

基于各種邊界條件和數(shù)值假定建模分析得出的結(jié)果偏于安全。實(shí)際上，開(kāi)挖面完全的壓力平衡很難達(dá)到，同時(shí)背土效應(yīng)的存在，帶來(lái)更多不確定性。施工中，更需要總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、貼合實(shí)際，分析可導(dǎo)致沉降的各種原因，借助監(jiān)測(cè)手段，針對(duì)性采取各種綜合措施，有效控制地表沉降和管線變形。

3 地表沉降機(jī)理分析

3.1 背土效應(yīng)

矩形頂管機(jī)頭、管節(jié)上表面為水平面，上部土體的卸載拱作用不明顯，部分土體坍塌覆于頂管機(jī)或管節(jié)上表面，在摩阻力作用下向頂進(jìn)方向發(fā)生壓縮變形或移動(dòng)，為矩形頂管特有的“背土效應(yīng)”［1］。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，背土最容易在機(jī)頭前端產(chǎn)生，若處理不及時(shí)，或泥漿套失效，可延伸至管節(jié)，導(dǎo)致連續(xù)、繼發(fā)性背土產(chǎn)生。背土前方隆起，后方沉降，并有逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)。

3.2 地層損失

按照Peck公式的假定，在不考慮排水固結(jié)和地層時(shí)間效應(yīng)的前提下，地表沉降槽體積等于地層損失的體積。地層損失主要體現(xiàn)在開(kāi)挖面、機(jī)頭后方、始發(fā)與接收端。

（1）開(kāi)挖面破壞了地層原有平衡狀態(tài)，引起地層損失和擾動(dòng)周邊土體、地下水位變化，土體剪切破壞、重塑、再固結(jié)。地層損失與土艙壓力、頂進(jìn)速度、出土量等有關(guān)。

（2）機(jī)頭后方開(kāi)挖土體與管節(jié)之間存在2 cm間隙，通過(guò)注入觸變泥漿填充。若泥漿注入不及時(shí)，或膠體性能、觸變性能差，水分快速散失而發(fā)生聚沉和離析，無(wú)法起到支撐地層的作用，則機(jī)頭后方發(fā)生急劇沉降。

（3）始發(fā)與接收端，一方面易因洞口密封不嚴(yán)發(fā)生滲漏，導(dǎo)致水土流失；另一方面始發(fā)或接收狀態(tài)未及時(shí)建立土壓平衡或土壓平衡失效。二者均可導(dǎo)致地層損失。

3.3 其他

本工程穿越的飽和粉土、粉砂層，液化等級(jí)中等，頂管導(dǎo)致周邊土體不可避免地經(jīng)歷液化－再固結(jié)循環(huán)。液化后重固結(jié)的體積變化也會(huì)直觀反映到地面的沉降；每段管節(jié)頂進(jìn)到位，需安裝新的管節(jié)，退回主油缸，若已頂進(jìn)機(jī)頭、管節(jié)與土體摩阻力不足以平衡開(kāi)挖面土壓力，則會(huì)導(dǎo)致機(jī)頭和管節(jié)后退，前方土體變形下沉；現(xiàn)場(chǎng)施工中，頂進(jìn)是否連貫、工序銜接是否緊密，甚至作業(yè)人員技術(shù)水平，均影響沉降控制效果。

4 沉降控制措施

4.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化

（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)及端頭加固

為降低始發(fā)、接收風(fēng)險(xiǎn)，降低水土流失，將始發(fā)、接收端基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)鉆孔灌注樁加止水帷幕的設(shè)計(jì)優(yōu)化成φ850＠600SMW工法樁，并采用縱、橫向搭接的滿堂三軸攪拌樁進(jìn)行端頭加固，見(jiàn)圖5。

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及端頭加固（單位：mm）

始發(fā)階段，無(wú)需破除洞門(mén)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，刀盤(pán)頂?shù)絊MW工法樁，拔除H型鋼，啟動(dòng)掘進(jìn)，可快速建立土壓平衡；接收階段，刀盤(pán)頂?shù)浇邮斩薙MW工法樁，拔除H型鋼，前殼體快速到達(dá)接收洞門(mén)橡膠簾布，達(dá)到保壓的目的，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

（2）管底加密注漿孔

根據(jù)本工程易液化地層特點(diǎn)，在每段管節(jié)底部增設(shè)2排，共16個(gè)半透注漿孔，見(jiàn)圖6。

圖6 管節(jié)底部注漿（單位：mm）

在頂進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋，可及時(shí)打穿半透孔，加密壓注濃稠的膨潤(rùn)土漿液，提高土體黏粒含量，降低可液化性能。若液化、管節(jié)整體下沉趨勢(shì)較為嚴(yán)重，則將半透孔作為洞內(nèi)地基加固的孔道，往土體內(nèi)注入半惰性漿液，提高地基承載力，消除液化。

頂進(jìn)完成后，通過(guò)半透孔向下打入花管，壓注水泥漿液，整體加固地層，控制工后沉降。

4.2 設(shè)備適應(yīng)性設(shè)計(jì)

投入到本工程的頂管主機(jī)及主推進(jìn)系統(tǒng)，制造費(fèi)用約1 400萬(wàn)元。兼顧對(duì)本工程的適應(yīng)性和類(lèi)似工程的通用性，采用模塊化、信息化設(shè)計(jì)。

（1）刀盤(pán)和攪拌棒

采用國(guó)內(nèi)相對(duì)成熟的圓形刀盤(pán)，6刀盤(pán)組合，開(kāi)挖面積34.81 m2，切削面積31.85 m2，切削率91.5%。殼體前端均布斗齒110個(gè)，起輔助切削作用。刀盤(pán)結(jié)構(gòu)采用輻條式，對(duì)刀具、刀盤(pán)進(jìn)行加強(qiáng)，應(yīng)對(duì)可能存在的建筑垃圾、漂石等異常地質(zhì)，見(jiàn)圖7。

圖7 刀盤(pán)配置

在刀盤(pán)背面、隔倉(cāng)面板設(shè)置主動(dòng)和被動(dòng)攪拌棒共48支，總攪拌面積29.07 m2，攪拌率83.5%，可起到較好渣土攪拌和土體改良效果。

每個(gè)刀盤(pán)均采用3臺(tái)30 kW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)帶載啟動(dòng)，無(wú)級(jí)調(diào)速。通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)每個(gè)刀盤(pán)轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速單獨(dú)、靈活控制。通過(guò)不同的刀盤(pán)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速組合，能輔助實(shí)現(xiàn)機(jī)頭姿態(tài)微調(diào)功能。

（2）螺旋出土器

整機(jī)設(shè)置2個(gè)直徑550 mm螺旋出土器，理論出土量可達(dá)80 m3／h。出土器尾端設(shè)置液壓平板閘，中部設(shè)泥漿注入管路，防止噴涌。

（3）PLC 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是頂管設(shè)備的中樞，由人機(jī)界面、控制單元、執(zhí)行部件、傳感器等部分組成。PLC系統(tǒng)采用分布式IO控制網(wǎng)絡(luò)，主控室設(shè)置于地面。土艙壓力、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和方向、機(jī)頭姿態(tài)等參數(shù)及主頂推系統(tǒng)油缸行程及頂力，均實(shí)時(shí)反饋至主控室。操作司機(jī)根據(jù)各種數(shù)據(jù)和姿態(tài)的反饋，可快速響應(yīng)、及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。

（4）防背土設(shè)計(jì)

前殼體頂部，增設(shè)橫向通長(zhǎng)注入槽，保證觸變泥漿連續(xù)、均勻分布于殼體頂部。

4.3 沉降監(jiān)測(cè)

沉降監(jiān)測(cè)是判斷頂進(jìn)技術(shù)措施是否合理、優(yōu)化施工參數(shù)、采取各項(xiàng)控制措施的科學(xué)依據(jù)。因本工程埋深淺、地層自穩(wěn)性差，監(jiān)測(cè)斷面沿頂進(jìn)軸線5 m間距加密布置，燃?xì)?、污水管線加密設(shè)置深層監(jiān)測(cè)點(diǎn)；加大監(jiān)測(cè)頻率，及時(shí)將監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋給操作人員動(dòng)態(tài)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，并指導(dǎo)各部位注漿。

4.4 觸變泥漿

觸變泥漿在頂管施工中起到潤(rùn)滑減阻、填補(bǔ)和支撐地層的作用。根據(jù)高毅等［2］“整體背土效應(yīng)”概念和預(yù)判理論，在工程條件不變的情況下，減摩措施的實(shí)際性能是影響整體背土效應(yīng)的關(guān)鍵因素。

在不同的地層、部位、工況下，靈活調(diào)整觸變泥漿水、膨潤(rùn)土、CMC、純堿、PHP等材料配比，以達(dá)到理想性能，并掌控好注入量和注入時(shí)機(jī)［3－5］。

（1）前殼體頂部防背土泥漿，殼體與地層間無(wú)空隙，小流量、持續(xù)注入，主要保證較好的流動(dòng)、分散、減阻性能。

（2）后殼體與第一管節(jié)連接處，隨著管節(jié)頂進(jìn)，管節(jié)與土體間形成約2 cm間隙，需持續(xù)注入泥漿填充。注入速率在理論注入速率的2.1～2.8倍為宜，泥漿性能以滿足快速填充、支撐地層為主，粘度大于25 s，比重大于1.2。

Across the Atlantic,Dr.Donald Ross,who trained under Lord Russell Brock,performed the first heart transplant in the United Kingdom.The patient,a 45-year-old man,survived for 46 days before succumbing to infection.He performed 2 more unsuccessful transplants before a moratorium was declared[53].

（3）頂進(jìn)過(guò)程中管節(jié)壁后注漿采取壓力與注入量雙控，確保觸變泥漿保持一定壓力降低地表沉降，同時(shí)避免引起背土效應(yīng)。

4.5 掘進(jìn)參數(shù)分析

4.5.1 設(shè)定原則

掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定原則主要包括三個(gè)方面：一是掘進(jìn)過(guò)程中地層豎向位移滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求；二是保證既有管線安全；三是提升掘進(jìn)效率［6－8］。

4.5.2 參數(shù)設(shè)定

（1）土艙壓力值設(shè)定

土艙控制壓力包括土壓力、水壓力、預(yù)備壓力。

①土壓力：采用朗金理論計(jì)算土壓力，根據(jù)地表監(jiān)測(cè)情況在限值內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

靜止土壓力：σx＝k0×σz＝k0×γh

被動(dòng)土壓力：σp＝σz×tan2（45°＋φ／2）＋2ctan（45°＋φ／2）

式中：σz為深度z處的地層自重應(yīng)力；c為土粘著力；φ為地層內(nèi)摩擦角。

②水壓力：σw＝qγh

式中：q為經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，砂土 q取0.8～1.0，黏性土 q取0.3 ～0.5；γ 為水容重；h為地下水位距離刀盤(pán)頂部高度。

③預(yù)備壓力：按施工經(jīng)驗(yàn)，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上再考慮0.1～0.2 kPa預(yù)備壓力。

（2）推進(jìn)系統(tǒng)與出土系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

地層敏感，原則上采用滿艙建壓掘進(jìn)模式維持開(kāi)挖面壓力平衡，主要掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定：推進(jìn)速度20～25 mm／min，出土量38 m3／m，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速0～1.5 r／min，刀盤(pán)最大扭矩570 kN·m。推進(jìn)速度、推力值聯(lián)合控制。

（3）姿態(tài)控制與糾偏

矩形斷面糾偏困難，過(guò)程中頂進(jìn)姿態(tài)控制尤為重要。主要注意三方面：一是頂管機(jī)前重后輕，有栽頭的趨勢(shì)，需根據(jù)地層抬頭始發(fā)；二是勤糾偏、緩糾偏，以免造成管節(jié)破壞和過(guò)度的地層擾動(dòng)；三是定期校核激光導(dǎo)向精度。

頂管機(jī)主要控制前后殼體之間的糾偏油缸進(jìn)行糾偏。前殼體重量遠(yuǎn)超后殼體，糾偏時(shí)容易出現(xiàn)前殼體未動(dòng)而后殼體向相反方向位移的情況。為解決該問(wèn)題，將后殼體和相鄰幾節(jié)管節(jié)用型鋼縱向連接成整體，增加后殼體配重，保證糾偏精準(zhǔn)控制［9－11］。

4.5.3 參數(shù)修正

掘進(jìn)參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整，根據(jù)推進(jìn)速度、出土情況、頂進(jìn)姿態(tài)、監(jiān)測(cè)成果及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，確保成形通道質(zhì)量、地表沉降及管線安全［12］。

4.6 地層補(bǔ)償

由于各種因素，局部沉降超限無(wú)法完全避免。對(duì)應(yīng)超限地層損失，提出“地層補(bǔ)償”概念，其原理是結(jié)合監(jiān)測(cè)值，利用土砂泵將流塑狀濃泥通過(guò)管節(jié)預(yù)留孔強(qiáng)制注入沉降土體，補(bǔ)償?shù)貙訐p失，將沉降部位抬起。

4.7 其他措施

（1）機(jī)頭及管節(jié)止退

在始發(fā)托架上安裝止退架，防止管節(jié)安裝過(guò)程中機(jī)頭在掌子面水土壓力作用下回縮，進(jìn)而造成地表沉降。

（2）管節(jié)承口鋼套環(huán)防滲

管節(jié)制作完成后在鋼套環(huán)與砼接口處涂刷環(huán)氧樹(shù)脂，對(duì)可能存在的滲水通道進(jìn)行封堵。

（3）始發(fā)接收措施

頂管始發(fā)、接收階段洞門(mén)土體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)大。施工中加強(qiáng)端頭加固質(zhì)量，提前降水，始發(fā)時(shí)土艙及早保壓，接收前3環(huán)在機(jī)頭周邊注入濃泥、聚氨酯等材料，接收時(shí)利用鋼絲繩拉緊壓板，現(xiàn)場(chǎng)備足應(yīng)急物資以確保施工安全。

5 結(jié)束語(yǔ)

大斷面矩形頂管越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于敏感環(huán)境、軟弱地層、超淺覆土、下穿高風(fēng)險(xiǎn)管線等復(fù)雜條件下地下管廊、過(guò)街通道、地鐵出入口等方面建設(shè)。通過(guò)建模分析、設(shè)備選型優(yōu)化、高頻率量測(cè)反饋、頂進(jìn)參數(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化、控制措施協(xié)同聯(lián)動(dòng)等手段，較好控制了地表沉降和管線變形，安全、優(yōu)質(zhì)、高效完成施工任務(wù)，對(duì)類(lèi)似工程有較強(qiáng)的借鑒和指導(dǎo)意義。