大斷面矩形頂管施工中的土體沉降規(guī)律分析

上海隧道工程股份有限公司 上海 200062

1 工程概況

鄭州市緯四路下穿中州大道隧道工程起點(diǎn)為緯四路金水河橋，沿緯四路向東，下穿中州大道，至CBD商務(wù)外環(huán)后，再沿CBD商務(wù)外環(huán)向南，至黑莊路（商務(wù)西五街）（圖1）。工程全長(zhǎng)909 m，其中隧道段全長(zhǎng)775 m，頂管段110 m。

圖1 緯四路下穿隧道平面

下穿隧道分為敞口段、明挖暗埋段和頂管段，敞口段和明挖暗埋段采用明挖順作法進(jìn)行施工，頂管段采用土壓平衡式矩形頂管法進(jìn)行施工，包括2 條大頂管隧道和2 條小頂管隧道，大頂管機(jī)斷面10.4 m×7.5 m，是目前國(guó)內(nèi)最大斷面的矩形頂管機(jī)，施工難度大，許多先進(jìn)技術(shù)在全國(guó)同類工程中首次采用。

下穿中州大道段為雙向四車道+兩側(cè)非機(jī)動(dòng)車道，隧道兩側(cè)均設(shè)置地面輔道和人行道，在中州大道兩側(cè)設(shè)非機(jī)動(dòng)車道出入口，與地面輔道相接。

2 工程建設(shè)環(huán)境

2.1 工程地質(zhì)

根據(jù)勘察資料，施工場(chǎng)地勘探深度為45 m范圍內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)及分層、時(shí)代劃分，范圍內(nèi)基本分2 套地層：第四系全新統(tǒng)（Q4）、第四系上更新統(tǒng)（Q3）地層。頂管施工過程中主要穿越土層為粉土和黏性土。

2.2 下穿隧道對(duì)周邊構(gòu)筑物的影響

擬建隧道兩側(cè)多為商鋪及居民住宅樓，周邊建筑物距隧道基坑邊線和結(jié)構(gòu)距離最近在6 m左右，且隧道要穿越車流量接近飽和的中州大道，對(duì)地面沉降的控制要求極高。現(xiàn)有中州大道下方，地下雨污水管道、軍纜、燃?xì)夤艿兰白詠硭艿赖仁姓O(shè)施眾多，分布復(fù)雜，除雨污水管道埋深較大外，其他管線埋深一般不大于1.5 m，頂管機(jī)頂進(jìn)過程中須制定管線保護(hù)措施。

3 大斷面矩形頂管機(jī)頂進(jìn)施工進(jìn)況

南側(cè)矩形頂管施工，于2014年1月16日正式始發(fā)。隧道總長(zhǎng)為110 m，采用預(yù)制鋼筋混凝土管節(jié)，外形尺寸為7.5 m×10.4 m，管壁厚0.7 m，長(zhǎng)度為1.5 m，管節(jié)總計(jì)73節(jié)。覆土厚度為5.1～5.4 m，坡度5‰，自東向西頂進(jìn)。根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖，頂管頂進(jìn)通過的土層為②號(hào)粉質(zhì)土、③號(hào)粉質(zhì)土及④號(hào)粉質(zhì)土。

截至2014年3月25日，頂進(jìn)里程109.8 m。

4 大斷面矩形頂管機(jī)施工監(jiān)測(cè)

頂管頂進(jìn)過程的監(jiān)測(cè)范圍，斷面寬度為頂管底埋深的2 倍，在此范圍內(nèi)的周邊道路地面沉降、路面變形、地下管線變形均需要布設(shè)測(cè)點(diǎn)。每隔20 m 布1 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面布置5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距5 m。

由于本工程的特殊性，頂進(jìn)過程中州大道不中斷交通，因此在不同區(qū)域采用不同的監(jiān)測(cè)方法。在圍場(chǎng)內(nèi)和非機(jī)動(dòng)車道采用人工監(jiān)測(cè)為主，在機(jī)動(dòng)車主干道采用全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

5 土體影響規(guī)律分析[1-6]

南側(cè)矩形頂管施工始發(fā)后要先后穿越加固區(qū)、施工圍擋、人行道、非機(jī)動(dòng)車道、機(jī)動(dòng)車輔道、綠化帶到達(dá)中州大道主干道，穿過中州大道后，再依次穿越西側(cè)綠化帶、機(jī)動(dòng)車輔道、非機(jī)動(dòng)車道、人行道最后進(jìn)入施工圍場(chǎng)內(nèi)。

根據(jù)鄭州地區(qū)小頂管的施工經(jīng)驗(yàn)，頂管機(jī)在進(jìn)出洞過程中沉降量最大，因此在頂管進(jìn)出洞段均進(jìn)行了土體加固，并增加降水井點(diǎn)，防止水土流失。

圖2 緯四路隧道土體沉降趨勢(shì)

根據(jù)土體沉降趨勢(shì)圖（圖2）可以看出：

（a）由于出洞段采用雙排SMW加固，加固距離較短，且型鋼拔出后未進(jìn)行漿液填充，在頂管頂進(jìn)過程中不斷擾動(dòng)，造成出洞段的沉降較大，達(dá)到100 mm；

（b）頂管機(jī)進(jìn)入非機(jī)動(dòng)車道后，各項(xiàng)施工參數(shù)已經(jīng)根據(jù)鄭州地層情況進(jìn)行了調(diào)整，均已趨于穩(wěn)定，同時(shí)泥漿套保壓效果逐步體現(xiàn)，沉降得到了控制，但由于頂管機(jī)在出洞后進(jìn)行了2 次停機(jī)轉(zhuǎn)接，沉降值依然較大；

（c）到達(dá)機(jī)動(dòng)車道后，通過二次注漿填充土體間隙和泥漿套保壓，頂管沉降得到明顯控制，在里程64 m以后沉降值基本都在30 mm以內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求；

（d）在頂管機(jī)到達(dá)西側(cè)非機(jī)動(dòng)車道后，頂進(jìn)速度逐步放慢，在進(jìn)入施工圍場(chǎng)后，由于施工重載車輛的碾壓，沉降值又有所增大，最后到達(dá)加固區(qū)后，沉降迅速收斂。

圖3 緯四路隧道64 m斷面處土體沉降變化曲線

根據(jù)64 m斷面處5 個(gè)測(cè)點(diǎn)土體沉降變化（圖3）可以看出：

（a）在頂管機(jī)到達(dá)64 m測(cè)量斷面之前，由于頂管機(jī)對(duì)土體的擠壓作用，前方土體有5 mm的隆起；

（b）在頂管機(jī)切口到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面位置后，土體由隆起5 mm逐漸變?yōu)槌两? mm；

（c）頂管機(jī)通過監(jiān)測(cè)斷面過程中，沉降出現(xiàn)了突變，由沉降7 mm變?yōu)?5 mm。主因是頂管機(jī)高7.55 m，而管節(jié)高7.5 m，頂管機(jī)與管節(jié)之間的間隙為25 mm，泥漿套未及時(shí)填充縫隙并形成良好的保壓效果。

（d）當(dāng)盾尾離開監(jiān)測(cè)斷面之后，泥漿套已經(jīng)逐步填充管節(jié)與土體間的縫隙，沉降趨于穩(wěn)定，不過在頂管繼續(xù)頂進(jìn)過程中，由于管節(jié)移動(dòng)的原因仍然會(huì)有波動(dòng)。

另外，根據(jù)65.5 m斷面處5 個(gè)測(cè)點(diǎn)土體沉降槽曲線可以看出，土體沉降在頂管機(jī)上方10 m區(qū)域內(nèi)沉降最大，在兩側(cè)逐漸收斂，形成明顯的沉降槽。

6 結(jié)語

鄭州下穿中州大道大型頂管隧道工程是在傳統(tǒng)頂管施工基礎(chǔ)上的一次重大突破，通過對(duì)第一條大頂管施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，得出頂管施工對(duì)鄭州地區(qū)土體影響的相關(guān)規(guī)律，指導(dǎo)頂管機(jī)下一階段的頂進(jìn)施工：

（a）頂管機(jī)在進(jìn)出洞和停機(jī)轉(zhuǎn)接過程中土體沉降最大，在進(jìn)出洞區(qū)域根據(jù)環(huán)境要求須進(jìn)行必要的土體加固，并且盡量減少停機(jī)轉(zhuǎn)接時(shí)間，同時(shí)及時(shí)補(bǔ)漿，減少土體沉降。

（b）在沉降控制的敏感區(qū)域內(nèi)，可通過二次注漿彌補(bǔ)泥漿套保壓不足的問題，穩(wěn)定土體沉降。

（c）由于頂管施工的工法造成管節(jié)持續(xù)移動(dòng)，對(duì)土體造成連續(xù)擾動(dòng)，沉降不可避免。但應(yīng)減小管節(jié)與土體直接的間隙，規(guī)避頂管機(jī)與管節(jié)銜接處的沉降突變。