李小龍 趙 睿

（1.中鐵北京工程局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，安徽 合肥 230088;2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

近年來(lái)，城市地下管網(wǎng)建設(shè)受所處的環(huán)境影響，通常采用非開(kāi)挖技術(shù)進(jìn)行施工，其中頂管技術(shù)應(yīng)用尤為突出。頂管作為近年來(lái)使用較多的一種施工方法，有著其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。頂管施工可以將作業(yè)面移至地下，減少對(duì)地上建（構(gòu)）筑物的影響，其環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益都十分可觀。但是當(dāng)頂管在地下施工，就不可避免地對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)。如果處理不當(dāng)，會(huì)使地面產(chǎn)生較大沉降或隆起，甚至影響上部建筑物安全，所以控制好頂管施工過(guò)程中的沉降是頂管工程成敗的關(guān)鍵[1-6]。

廣州地鐵7號(hào)線(xiàn)二期某車(chē)站D2000污水管遷改工程采用泥水平衡頂管大直徑污水管進(jìn)行施工，工程具有埋深淺、管道直徑大、地質(zhì)條件差等特點(diǎn)，并且下穿復(fù)雜敏感區(qū)域。若施工過(guò)程中地面沉降得不到有效控制，將帶來(lái)巨大的不良社會(huì)影響。鑒于此，本文從多方面提出沉降的控制措施，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析沉降變化特點(diǎn)，以確保施工安全。

1 工程案例

1.1 工程概況

廣州地鐵7號(hào)線(xiàn)二期某車(chē)站現(xiàn)狀D2000污水管橫穿車(chē)站，埋深7.5m，車(chē)站施工前需要將該管道永久遷改至基坑范圍外。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，最終確定的遷改方案路由總長(zhǎng)度約888m，全部采用頂管施工，工作井6座，接收井7座，管道采用單向坡度，坡度為0.5‰，管節(jié)外徑2400mm，內(nèi)徑2000mm，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)度2.5m。由于部分居民小區(qū)及學(xué)校不具備工作井及檢查井施工條件，設(shè)計(jì)采用279m直線(xiàn)+曲線(xiàn)頂管穿越，其余管段長(zhǎng)度為60~135m不等。曲線(xiàn)段參數(shù)如表1所示。

表1 曲線(xiàn)段參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

1.2 工程地質(zhì)條件

以頂管工程曲線(xiàn)段為例，施工區(qū)地層從上至下分別為雜填土層、黏性素填土層、淤泥質(zhì)土層、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層、淤泥質(zhì)中粗砂層、粉質(zhì)黏土層、中粗砂層，地下水埋深1.7～2.8m。

1.3 工程難點(diǎn)

由于新建車(chē)站周邊緊鄰居民小區(qū)、市政道路、既有地鐵運(yùn)營(yíng)線(xiàn)及河道，導(dǎo)致該管道遷改路由選擇十分困難，最終選定的遷改路由下穿民房2處（條形基礎(chǔ)，埋深1.5m），下穿市政道路1次（進(jìn)港重型車(chē)道，管頂覆土5.2m），下穿既有河堤約120m（局部存在偏壓及冒頂風(fēng)險(xiǎn)），下穿學(xué)校運(yùn)動(dòng)場(chǎng)80m（學(xué)校處于教學(xué)時(shí)段），周邊環(huán)境復(fù)雜。同時(shí)地質(zhì)縱斷面顯示，頂管上部平均覆土厚度為5.2m，最小3.8m，最大5.7m，主要穿越淤泥質(zhì)土層、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層、淤泥質(zhì)中粗砂層，頂管上部覆土淺且穿越軟弱地層，沉降控制難度大。頂管具體路由及周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 D2000污水管遷改路由平面圖

1.4 頂管機(jī)刀盤(pán)選擇

前期5-9#井頂管施工采用了Ф2460mm刀盤(pán)泥水平衡頂管機(jī)（見(jiàn)圖2），主要是針對(duì)河堤下部存在的樹(shù)根、回填塊石等障礙物，該機(jī)型帶有二次破碎功能，不易堵管，但從整個(gè)頂管過(guò)程來(lái)看，施工沉降控制難度較大，周邊地表沉降到達(dá)11~20cm，房屋下沉最高達(dá)15cm。

圖2 5-9#井頂管機(jī)刀盤(pán)

為避免9-13#井頂管施工期間出現(xiàn)類(lèi)似情況，減小了刀盤(pán)直徑，選用了Ф2420mm刀盤(pán)泥水平衡頂管機(jī)（見(jiàn)圖3），該機(jī)與前期施工使用的頂管機(jī)相比，具有刀盤(pán)開(kāi)口率小、功率大、具備局部破巖功能（配備滾刀6把）等特點(diǎn)。施工過(guò)程中主要通過(guò)控制排泥管的泥漿排量以平衡開(kāi)挖面的地下水壓力，泥水倉(cāng)壓力一般比掘進(jìn)地層的地下水壓力高20kPa。

圖3 9-13#井頂管機(jī)刀盤(pán)

2 沉降控制措施

2.1 地層預(yù)加固處理

9-13#井曲線(xiàn)頂管區(qū)間始發(fā)后22.5m處開(kāi)始下穿進(jìn)港重型車(chē)道（道路寬14m，雙向四道），穿越處管道頂部覆土厚度約5.6m，管底為淤泥、淤泥質(zhì)土和淤泥質(zhì)砂土，地質(zhì)條件差。頂管施工期間如果出現(xiàn)地面下沉或開(kāi)裂等情況，將導(dǎo)致中斷交通，為降低施工風(fēng)險(xiǎn)，可提前對(duì)道路下方采取注漿的方式進(jìn)行加固處理，同時(shí)在路面鋪設(shè)厚鋼板。

2.2 頂進(jìn)參數(shù)控制

頂進(jìn)過(guò)程中泥水壓力的設(shè)置主要是考慮地下水的影響，泥水倉(cāng)的泥水壓力需要高出地下水壓力20~30kPa。9-13#井頂管區(qū)間平均埋深5.7m，得到的泥水壓力控制值為0.06~0.08MPa。頂管頂進(jìn)施工中需要嚴(yán)格控制相關(guān)技術(shù)參數(shù)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。頂進(jìn)施工過(guò)程中做好機(jī)手之間的對(duì)接，堅(jiān)持“多調(diào)、微調(diào)”原則。本段曲線(xiàn)頂管區(qū)間的頂進(jìn)參數(shù)控制如表2所示。

表2 頂進(jìn)控制參數(shù)

2.3 觸變泥漿技術(shù)

9-13#井頂管區(qū)間選用的頂管機(jī)刀盤(pán)直徑為2.42m，頂進(jìn)過(guò)程中后續(xù)管節(jié)直徑比頂管機(jī)刀盤(pán)直徑小20mm，造成管道與周邊土體存在空隙。在曲線(xiàn)頂管過(guò)程中糾偏會(huì)對(duì)土體一側(cè)產(chǎn)生擠壓作用，而另一側(cè)由于應(yīng)力釋放也會(huì)形成空隙。因此，在頂進(jìn)的軌跡中會(huì)形成許多空隙。頂進(jìn)過(guò)程中泥漿的作用為：（1）減阻作用，將頂進(jìn)管道與土體之間的干摩擦轉(zhuǎn)換為液體摩擦，減小頂進(jìn)的摩阻力；（2）填補(bǔ)作用，填充管道與土體之間存在的空隙；（3）支撐作用，在注漿壓力下，減少土體變形，使管道周邊土體變得更穩(wěn)定。

頂管施工過(guò)程中，由于機(jī)頭向前移動(dòng)，泥漿套容積不斷增大。若不及時(shí)注漿，泥漿套壓力降低，產(chǎn)生抽吸作用，易導(dǎo)致管外壁間隙的坍塌，土體坍入泥漿套，使?jié){套殘缺不全。因此同步注漿必須先注后頂。

結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件，本段頂管選用鈉基膨潤(rùn)土，注漿壓力為0.06MPa，注漿量按照頂管施工后形成空隙的1.5倍計(jì)算，每節(jié)管頂進(jìn)后注漿量不少于0.3m3。注漿管按照間隔3個(gè)管節(jié)進(jìn)行預(yù)留，分機(jī)尾同步壓漿、沿線(xiàn)補(bǔ)漿、洞口注漿3條線(xiàn)進(jìn)行，主要目的是在管外壁形成完整的觸變泥漿潤(rùn)滑套。頂進(jìn)過(guò)程中機(jī)尾同步注漿及時(shí)填充機(jī)頭與管節(jié)之間的空隙以及糾偏產(chǎn)生的空隙，沿線(xiàn)補(bǔ)漿是對(duì)管外壁泥漿滲透至土層造成的泥漿套缺損進(jìn)行修補(bǔ)，洞口注漿是防止管節(jié)泥漿套在剛進(jìn)洞時(shí)被塌落土體破壞。本段泥漿控制參數(shù)如表3所示。

表3 膨潤(rùn)土泥漿性能控制表

2.4 糾偏技術(shù)

工具管糾偏直接影響到地面的沉降。操作中要求“勤頂、勤測(cè)、勤糾”，及時(shí)進(jìn)行微調(diào)，原則上每頂進(jìn)一節(jié)就測(cè)量一次。糾偏應(yīng)盡量選擇在管道頂進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行，避免在靜止?fàn)顟B(tài)下糾偏（靜態(tài)糾偏所需的力大于動(dòng)態(tài)糾偏所需的力，且會(huì)對(duì)第一段管節(jié)產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力）。糾偏時(shí)要小角度糾偏，因糾偏角越大，空隙越大，會(huì)造成管壁周邊土體坍塌，從而引起地面沉降。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

9-13#頂管全長(zhǎng)279m，8月11日頂管機(jī)始發(fā)頂進(jìn)施工，8月20日完成接收出洞，共計(jì)用時(shí)10d。本段直線(xiàn)段頂管135m，曲線(xiàn)段頂管長(zhǎng)145m，按照設(shè)計(jì)要求的布點(diǎn)間距，沿線(xiàn)路共設(shè)置52個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，地表監(jiān)測(cè)范圍為軸線(xiàn)兩側(cè)6m，建構(gòu)筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在轉(zhuǎn)角處。結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件及特殊工況，設(shè)計(jì)規(guī)定的地表沉降控制值為60mm，預(yù)警值48mm，變形速率控制值為4.2mm/d，建構(gòu)筑物沉降控制值為40mm，預(yù)警值為32mm，變形速率控制值為3.2mm/d。

由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位較多，沉降數(shù)據(jù)分析按照四段劃分，第一段監(jiān)測(cè)點(diǎn)（DBC09-第9節(jié)管地表點(diǎn)至DBC24-第24節(jié)管地表點(diǎn)）主要布置在豐樂(lè)南路及金逸雅居小區(qū)大門(mén)，第二段監(jiān)測(cè)點(diǎn)（DBC30至DBC54-3）主要布置在金逸雅居內(nèi)人行道上，第三段監(jiān)測(cè)點(diǎn)（DBC59-1至DBC82-3）主要布置在外國(guó)語(yǔ)學(xué)院體育器材室前后，第四段監(jiān)測(cè)點(diǎn)（DBC88-1至DBC109-3）主要布置在外國(guó)語(yǔ)學(xué)院籃球場(chǎng)區(qū)域。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 9-13#井頂管監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

第一段數(shù)據(jù)分析（見(jiàn)圖5）：從開(kāi)始頂進(jìn)施工到機(jī)頭出洞完成3d，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降最大值為56.1mm（DBC09-1），監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降最小值為6.4mm（DBC19-2）。本段主要下穿既有道路，從沉降數(shù)據(jù)來(lái)看，在道路下方提前注漿加固后的沉降較小，不具備加固條件位置沉降值較大，但未超過(guò)控制值，同時(shí)下穿小區(qū)大門(mén)期間變形數(shù)據(jù)穩(wěn)定，頂管接收后的固結(jié)沉降值約15mm。

圖5 第一段地表沉降量變化

第二段數(shù)據(jù)分析（見(jiàn)圖6）：從開(kāi)始頂進(jìn)施工到機(jī)頭出洞完成后3d，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降最大值為97.94mm（DBC45-1），監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降最小值為10.09mm（DBC40-3）。本段主要下穿河堤，由于管頂覆土較淺且存在偏壓等不利條件，同時(shí)頂進(jìn)過(guò)程中有松木樁等障礙物導(dǎo)致推進(jìn)速度緩慢，排渣量上升后沉降速率加大；且在含水量較大的黏土中頂進(jìn)時(shí)，實(shí)際注漿量應(yīng)大于預(yù)計(jì)注漿量的1.5倍，因此地表沉降超限較多，頂管接收后的固結(jié)沉降值與第一段一致。

圖6 第二段地表沉降量變化

第三段數(shù)據(jù)分析（見(jiàn)圖7）：從開(kāi)始頂進(jìn)施工到機(jī)頭出洞完成后3d，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降最大值為148.36mm（DBC64-1），監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降最小值為8.44mm（DBC82-3）。造成該現(xiàn)象的原因可能是管壁與周邊土體的空隙填充不及時(shí)，造成地層應(yīng)力釋放，土體發(fā)生彈塑性變形而引起地層沉降；并且本段主要下穿河堤及學(xué)校器材室，在學(xué)校器材室位置頂管由直線(xiàn)向曲線(xiàn)過(guò)渡，曲線(xiàn)段管外側(cè)土發(fā)生擾動(dòng)，導(dǎo)致曲線(xiàn)管外壁建筑間隙不斷增大；由于機(jī)頭糾偏次數(shù)過(guò)多，對(duì)管道周邊土體擾動(dòng)較大，導(dǎo)致地表沉降值急劇加大，遠(yuǎn)超控制值，同時(shí)學(xué)校器材室僅為一層小樓，基礎(chǔ)埋深淺，頂進(jìn)期間由于不均勻沉降出現(xiàn)了較大的裂縫，頂管接收后的固結(jié)沉降值與第一段一致。

圖7 第三段地表沉降量變化

第四段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析（見(jiàn)圖8）：從開(kāi)始頂進(jìn)施工到機(jī)頭出洞完成后3d，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降最大值為51.11mm（DBC109-1），監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降最小值為0.58mm（DBC109-3）。本段主要下穿學(xué)校籃球場(chǎng)且地勢(shì)平坦，頂進(jìn)期間由于曲線(xiàn)頂管臨近接收端位置，糾偏次數(shù)較多，導(dǎo)致沉降數(shù)值較大，但未超過(guò)控制值，其余點(diǎn)位沉降數(shù)值穩(wěn)定，頂管接收后的固結(jié)沉降值與第一段一致。

圖8 第四段地表沉降量變化

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，頂管期間地面變形分為三個(gè)階段，即頂管機(jī)頭前部變形階段、頂進(jìn)施工沉降階段、土體固結(jié)沉降階段。在本段頂管過(guò)程中第一階段變形最大值為32mm，第二階段變形最大值為88mm，第三階段變形最大值為15mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合廣州地鐵7號(hào)線(xiàn)二期某車(chē)站D2000污水管遷改工程頂管施工經(jīng)驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：

（1）淺覆土大直徑泥水平衡頂管在軟弱地層中頂進(jìn)時(shí)，刀盤(pán)直徑及開(kāi)口率不宜過(guò)大，頂進(jìn)速度及出土量是重要控制指標(biāo)，宜選用少出渣、快頂進(jìn)的方式進(jìn)行；

（2）對(duì)于重要的道路及構(gòu)筑物，應(yīng)提前進(jìn)行注漿加固，這是控制施工沉降的有效手段，加固宜選用雙液漿；

（3）直曲線(xiàn)交界附近頂管機(jī)糾偏次數(shù)較多，對(duì)地層擾動(dòng)較大，頂進(jìn)過(guò)程中沉降控制難度較大，在具備條件時(shí)可采取提前加固措施，減少擾動(dòng)范圍，避免出現(xiàn)較大沉降；

（4）淺覆土且地質(zhì)條件差的情況下進(jìn)行頂管施工時(shí)，對(duì)地層造成擾動(dòng)而引起的施工沉降與管徑大小有直接關(guān)系，淺覆土適合小直徑頂管施工。