砂性土地層中土壓平衡矩形頂管施工對管線影響的研究

許有俊，文中坤，白雪光，劉曉喻，張癑

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010;2.包頭城建集團(tuán)股份有限公司，內(nèi)蒙古包頭014030; 3.北京恒祥基業(yè)投資有限公司，北京100026)

砂性土地層中土壓平衡矩形頂管施工對管線影響的研究

許有俊1，文中坤1，白雪光2，劉曉喻3，張癑1

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010;2.包頭城建集團(tuán)股份有限公司，內(nèi)蒙古包頭014030; 3.北京恒祥基業(yè)投資有限公司，北京100026)

以內(nèi)蒙古包頭市阿爾丁大街行人過街地下通道為背景，制定了頂管下穿影響區(qū)域內(nèi)的管線變形控制標(biāo)準(zhǔn)，在管線上方布設(shè)間接沉降觀測點，按照一定的監(jiān)測頻率對既有管線的沉降變形進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明:在砂性土地層條件下，頂管頂進(jìn)施工過程中，煤氣管最大沉降變形為2.5 mm，給水管的最大沉降變形為4.5 mm，均未超過控制標(biāo)準(zhǔn)。雨水管的最大隆起變形為26.2 mm，已超過控制標(biāo)準(zhǔn)，主要是由于過大的注漿壓力使地層抬升引起。給水管、煤氣管上中間3個測點發(fā)生沉降變形，兩邊的測點發(fā)生隆起變形;管線橫向沉降槽基本符合正態(tài)分布曲線。

土壓平衡 矩形頂管 管線 砂性土地層

1 土壓平衡矩形頂管法

整個控制系統(tǒng)以土壓平衡為基礎(chǔ)(見圖1)，通過大刀盤及仿形刀對正面土體作全斷面切削，以改變螺旋機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度及頂進(jìn)速度來控制排土量，使土壓倉內(nèi)的土壓力值穩(wěn)定并控制在所設(shè)定的壓力值范圍內(nèi)，從而達(dá)到開挖切削面的土體穩(wěn)定［2-3］。在同等截面積下，矩形隧道比圓形隧道可更有效地利用空間，其有效使用面積可增加20%以上，可減少地下掘進(jìn)土方。頂管施工不受氣候與環(huán)境的影響，而且對周邊環(huán)境的影響也較小［4-5］。

圖1 土壓平衡頂管機(jī)工作原理

2 工程概述

2.1 工程概況

內(nèi)蒙古包頭市阿爾丁大街地下過街通道采用了土壓平衡矩形頂管機(jī)施工。該通道長64.8 m，斷面尺寸為5.5 m×2.5 m，通道平面呈“工”字形布置，在道路東西兩側(cè)各設(shè)置2個出入口。始發(fā)井位于阿爾丁大街東側(cè)，接收井位于阿爾丁大街西側(cè)，頂管自東向西推進(jìn)，覆土厚度5.255～5.450 m，設(shè)計坡度+3‰，如圖2所示。

圖2 地下過街通道總體平面示意(單位:mm)

采用4.3 m×6.5 m多刀盤土壓平衡矩形頂管機(jī)完成主通道的施工。刀盤三大三小，三個小刀盤在前，三個大刀盤在后，實現(xiàn)全斷面土體的切削，見圖3。

圖3 頂管機(jī)刀盤布置示意

2.2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)巖土勘察報告，地層分布可劃分為6層，場地表層被廣泛的人工填土層所覆蓋，然后是第四系全新統(tǒng)(Q4)現(xiàn)代沖洪積沉積物。上部主要是由粉砂、礫砂、圓礫層所組成，在其下部為第四系上更新統(tǒng)(Q3)河湖相沉積的黃綠色～黑灰色的粉質(zhì)黏土及粉土互層所組成。鉆探深度內(nèi)可見地下水出現(xiàn)，且埋藏相對較淺。主通道主要處于圓礫地層中，如圖4所示。在頂進(jìn)區(qū)間內(nèi)還存在鈣結(jié)層，對鈣結(jié)層鉆芯取樣，試驗測得鈣結(jié)層的抗壓強(qiáng)度最高能夠達(dá)到20 MPa，類似安山巖，且密實度高，切削困難，增大了頂管施工風(fēng)險。

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2.3 地下管線情況

經(jīng)調(diào)查，頂進(jìn)軸線上主要存在3條地下管線:煤氣管、給水管和雨水管，為頂管施工過程中的重大風(fēng)險源，見表1和圖5。其中，給水管及煤氣管管線所有權(quán)單位改移管線時，直接將管線安放在原狀土上，未對管線基礎(chǔ)進(jìn)行夯實處理，將導(dǎo)致管線在頂管之前不可避免地發(fā)生沉降變形，增大了管線變形及控制的風(fēng)險。

圖4 頂管隧道所處的地層情況

表1 管線情況

圖5 管線與通道縱剖面位置關(guān)系

3 管線監(jiān)測

3.1 測點埋設(shè)方式

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用汽車鉆鉆孔至管線上方0.5 m左右，換成洛陽鏟繼續(xù)挖至管頂。成孔后，先放置直徑為30 mm的PVC管，用素填土填滿PVC管外空隙，填土過程中需注意確保PVC管不彎曲。將已備好的光圓鋼筋放入管內(nèi)，光圓鋼筋長度預(yù)留高出PVC管口約5 cm，并低于鋼套筒，以確保鋼套筒保護(hù)蓋蓋好后不接觸鋼筋。然后將已插入鋼筋的PVC管內(nèi)填充約1/3的細(xì)砂，用來固定鋼筋，同時確保鋼筋隨著管線的沉降而產(chǎn)生豎向位移。測點埋設(shè)如圖6。

3.2 管線測點埋設(shè)

為研究大斷面矩形頂管施工對管線變形的影響，在頂管軸線兩側(cè)每隔5 m對稱布置沉降監(jiān)測點。設(shè)煤氣管線沉降測點5個(MS1～MS5)，給水管線沉降測點5個(YGS1～YGS5)，雨水管線沉降測點5個(YS1～YS5)，如圖7所示。

圖6 間接沉降監(jiān)測點

圖7 管線監(jiān)測點布置(單位:mm)

3.3 變形控制值

根據(jù)北京、上海、廣州等城市地鐵施工對管線的監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過專家多次討論，并針對本工程特點，確定管線變形控制標(biāo)準(zhǔn)［6-7］，詳見表2。

表2 地下管線變形控制值

監(jiān)測的警戒值為控制值的70%，超過警戒值時，應(yīng)加大監(jiān)測力度。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到或超過控制值時，應(yīng)立即停止施工，只有在調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)后才能復(fù)工。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

采用精密水準(zhǔn)儀，按照一定的監(jiān)測頻率，對頂管施工過程中既有地下管線監(jiān)測點的高程進(jìn)行觀測，及時處理監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)沉降累計值和沉降速率兩個指標(biāo)與變形控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較分析后，決定是否報警。

矩形頂管機(jī)從2012年12月4日開始頂進(jìn)，12月8日冬季停工，2013年4月6日繼續(xù)頂進(jìn)。

4.1 煤氣管監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

煤氣管距離始發(fā)井出洞口9.75 m。根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，煤氣管各測點豎向位移變化如圖8和圖9所示。

圖8 煤氣管監(jiān)測點豎向位移隨頂進(jìn)距離變化曲線

圖9 煤氣管沉降分布曲線

由圖8可知，當(dāng)機(jī)頭頂進(jìn)至距離煤氣管線約5 m時，煤氣管各監(jiān)測點豎向位移開始發(fā)生改變，測點MS2，MS3，MS4發(fā)生局部沉降，MS1，MS5發(fā)生局部隆起。隨著機(jī)頭的繼續(xù)頂進(jìn)及到達(dá)管線下方時，MS2，MS3，MS4沉降變形逐漸增大，MS1，MS5繼續(xù)隆起，頂管軸線正上方的測點MS3的變化量最大。MS1，MS5在機(jī)頭頂至煤氣管正下方時隆起值基本達(dá)到最大且豎向位移變化開始逐漸趨于平緩。當(dāng)機(jī)頭頂過煤氣管7 m左右時，測點MS2，MS3，MS4沉降值均達(dá)到最大，其中MS3的沉降值為2.5 mm。由圖9可知，在頂進(jìn)過程中，煤氣管沉降槽基本符合正態(tài)分布曲線。

2013年4月6日開工復(fù)頂后，煤氣管上各監(jiān)測點的變形沒有繼續(xù)增加，變形已基本趨于穩(wěn)定。在頂管施工期間，管線各個測點豎向位移均未超過控制值。

4.2 給水管線數(shù)據(jù)分析

給水管距離始發(fā)井出洞口11.625 m。根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，給水管各測點豎向位移變化如圖10和圖11所示。

由圖10可知，當(dāng)機(jī)頭位置距給水管線約7 m時，給水管各監(jiān)測點豎向位移開始發(fā)生改變，測點YGS2，YGS3，YGS4產(chǎn)生沉降變形，YGS1，YGS5隆起變形。隨著機(jī)頭的繼續(xù)頂進(jìn)，各測點豎向位移值逐漸增大，但方向不變，且中間點YGS3的變化量最大。YGS1，YGS5在機(jī)頭頂至給水管正下方時隆起值達(dá)到最大且豎向位移變化開始逐漸趨于平緩。當(dāng)機(jī)頭頂過給水管7 m左右，YGS2，YGS3，YGS4沉降值均達(dá)到最大，其中YGS3的沉降值為4.5 mm，未超過控制標(biāo)準(zhǔn)。由圖11可知，在頂進(jìn)過程中給水管沉降槽基本符合正態(tài)分布曲線。

2013年4月6日開工復(fù)頂后，給水管上各監(jiān)測點的變形緩慢增加，變形基本趨于穩(wěn)定。在頂管施工期間，管線各測點豎向位移均未超過控制值。

4.3 雨水管線數(shù)據(jù)分析

雨水管距離始發(fā)井出洞口32.625 m。根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，雨水管各測點豎向位移變化見圖12。

圖10 給水管監(jiān)測點累計沉降量隨頂進(jìn)距離變化曲線

圖11 給水管沉降分布曲線

圖12 雨水管監(jiān)測點累計沉降量隨頂進(jìn)距離變化曲線

由圖12可知，當(dāng)機(jī)頭頂進(jìn)至距離雨水管線約7.5 m左右時，雨水管各監(jiān)測點豎向位移開始發(fā)生改變，測點YS1，YS4，YS5發(fā)生局部沉降，且各測點隨機(jī)頭頂進(jìn)豎向位移變化較平緩，未超過控制標(biāo)準(zhǔn)。隨著機(jī)頭的繼續(xù)頂進(jìn)，YS3先發(fā)生局部沉降后又局部隆起，在機(jī)頭通過雨水管17.5 m左右時，該測點隆起達(dá)到最大值26.2 mm，已經(jīng)超過控制標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)調(diào)查該測點隆起過大主要由于注漿壓力過大引起，施工單位派人進(jìn)入雨水管線內(nèi)部進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)管線變形破壞現(xiàn)象。其它測點位移變化不明顯。

5 結(jié)語

1)在頂管頂進(jìn)施工過程中，煤氣管最大沉降變形為2.5 mm，給水管的最大沉降變形為4.5 mm，均未超過控制標(biāo)準(zhǔn)。雨水管的最大隆起變形為26.2 mm，已超過控制標(biāo)準(zhǔn)，主要的原因為過大的注漿壓力抬升地層引起。

2)給水管、煤氣管上中間3個測點發(fā)生沉降變形，兩邊的測點發(fā)生隆起變形;管線橫向沉降槽基本符合正態(tài)分布曲線。

3)頂管軸線正上方監(jiān)測點豎向位移最大，當(dāng)機(jī)頭距煤氣管約5 m時，煤氣管上各監(jiān)測點豎向位移開始變化，當(dāng)機(jī)頭通過煤氣管5 m左右時，沉降達(dá)到最大值。當(dāng)機(jī)頭距給水管約7.0 m時，給水管上各監(jiān)測點豎向位移開始改變，當(dāng)機(jī)頭通過煤氣管7.0 m左右時，沉降達(dá)到最大值。當(dāng)機(jī)頭距雨水管約7.5 m時，雨水管上各監(jiān)測點豎向位移開始改變，當(dāng)機(jī)頭通過雨水管17.5 m左右時，隆起達(dá)到最大值。

4)2013年4月6日開工復(fù)頂后，給水管上各監(jiān)測點的變形緩慢增加，煤氣管上各監(jiān)測點的變形基本保持不變，變形基本趨于穩(wěn)定。

［1］林曉慶.矩形頂管施工對鄰近地下管線的影響分析［D］.廣州:廣州大學(xué)，2012.

［2］葛金科，沈水龍，許燁霜.現(xiàn)代頂管施工技術(shù)及工程實例［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［3］余彬泉，陳傳燦.頂管施工技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，1998.

［4］劉平，戴燕超.矩形頂管機(jī)的研究和設(shè)計［J］.市政技術(shù)，2005，23(2):92-97.

［5］宋杰，侯艷春.矩形頂管法在城市軌道交通中的應(yīng)用與設(shè)計方法［J］.城市軌道交通研究，2010(10):67-70.

［6］張志勇.復(fù)雜環(huán)境下大截面矩形頂管施工管線保護(hù)技術(shù)［J］.施工技術(shù)，2011，40(341):80-83.

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Research on influence of EPB(Earth Pressure Balance)mode rectangular cross section pipe-jacking in sand stratum on pipeline of utility service

XU Youjun1，WEN Zhongkun1，BAI Xueguang2，LIU Xiaoyu3，ZHANG yue1
(1.The School of Architecture＆Civil Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou Inner Mongolia 014010，China;2.Baotou Urban Construction Group Co.，Ltd.，Baotou Inner Mongolia 014030，China; 3.Beijing Hengxiang Foundation Investment Co.，Ltd.，Beijing 100026，China)

T aking the pedestrian underpass project of the Baotou Arden Street in Inner M ongolia as background，the pipeline deformation control standards of the pipe-jacking down-traversing the inference region was formulated，some indirect settlement observation points were set over the pipeline tomonitor the existing pipeline settlement deformation according to a certain monitoring frequency.T he monitoring results showed that the maximum settlement deformation of the gas pipe was 2.5 mm and the water supply pipe was 4.5 mm in the pipe-jacking construction under the condition of the sandy stratum，which didn't exceed the control standard，the maximum upward deformation of the rain pipe was 26.2 mm which exceeds the control standard and the main reason is the strata uplifting caused by the oversize grouting pressure，settlement deformation happened on the middle three monitoring points of the water supply pipe and the gas pipe and upward deformation happened on both sides of the measuring points，and the pipeline lateral settlement trough basically fitted the normal distribution curve.

Earth pressure balance(EPB);Rectangular cross section pipe-jacking;Pipeline;Sandy stratum

U455.47

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.19

1003-1995(2015)02-0069-05

(責(zé)任審編趙其文)

2014-04-25;

2014-12-10

內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金(2012MS0713);內(nèi)蒙古科技大學(xué)創(chuàng)新基金(2011NCL006);內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項目(NJZY14167);內(nèi)蒙古科技大學(xué)產(chǎn)學(xué)研合作培育基金(PY-201206)

許有俊(1979—)，男，內(nèi)蒙古包頭人，副教授，博士。