矩形頂管隧道施工引起地面變形的控制措施

姜洪建 朱 坤 蔡 松

(1.華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450046； 2.深圳市勘察測繪院有限公司，廣東 深圳 518028)

1 概述

伴隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，地下空間的開發(fā)和利用越來越受到建設(shè)者的青睞。頂管施工作為繼盾構(gòu)施工之后發(fā)展起來的一種非開挖施工工藝受到了廣泛的運用[1]。與圓形截面相比，矩形截面有效利用面積達20%以上[2]。但矩形頂管法存在一個重要的施工難題，就是如何有效控制施工引起的地面變形[3]。本文對頂管施工引起的地面變形破壞形式進行了簡要探討，進而著重研究了施工引起地面變形的控制措施。

2 頂管施工引起地面變形破壞形式

頂管施工引起地面變形的破壞形式，主要有以下幾個方面[4]。

2.1 地面沉降及隆起破壞

矩形頂管施工引起的地面沉降或者隆起可能會造成結(jié)構(gòu)物整體下沉或上升。如果這種變形比較小且均勻，對結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性和使用功能不會產(chǎn)生大的危害，但過大的變形會使砌體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生水平裂縫現(xiàn)象，影響其防水功能，發(fā)生地下水的滲漏。這對于高速鐵路、高速公路等敏感性工程，其施工要求更高，標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格。

2.2 地面傾斜破壞

由于地層的巖性存在差異，以及地層的起伏性，頂管施工引起土體的不均勻沉降。不均勻沉降延伸到地表會產(chǎn)生傾斜，造成結(jié)構(gòu)物的歪斜，從而引起附加應(yīng)力重分布，當(dāng)某些部位應(yīng)力過大造成基底土體塑性損壞，引起整個結(jié)構(gòu)物的破壞。此種破壞對建(構(gòu))筑物的危害最大。

2.3 地面曲率破壞

矩形頂管施工引起的地層不均勻變形造成水平地面形成曲率，地面曲率對建(構(gòu))筑物產(chǎn)生較大的影響。地面曲率根據(jù)沉降和隆起分為正曲率和負曲率兩種。在負曲率的情況下，結(jié)構(gòu)物中部隆起量大，兩端部分隆起量小，結(jié)構(gòu)物中央部分懸空，兩端受剪切，墻體產(chǎn)生的破壞為正“八”字形裂縫。反之，在正曲率情況下，結(jié)構(gòu)物墻體產(chǎn)生倒“八”字形裂縫破壞。

2.4 地面水平變形破壞

地面水平變形分為拉伸和壓縮變形。由于結(jié)構(gòu)物抗拉伸強度遠小于其抗壓縮強度，所以結(jié)構(gòu)物對地面的拉伸變形反應(yīng)十分敏感，所以地面水平變形破壞的主要因素是拉伸變形。當(dāng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)側(cè)面受到外向水平推力的作用下，很容易產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，嚴(yán)重者導(dǎo)致建筑物破壞影響其正常使用，降低了建筑物使用年限。

在實際的工程中，地面變形對建(構(gòu))筑物的破壞形式，是多種破壞形式共同作用的結(jié)果。例如，當(dāng)?shù)孛胬熳冃魏驼释瑫r存在時，壓縮變形和正曲率也同時發(fā)生。

3 頂管施工引起地面變形控制措施

頂管技術(shù)解決了在城市密集地區(qū)采用非明挖施工，減少對城市交通影響的問題，但其施工過程不可避免的對周圍環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)這種影響較大時會導(dǎo)致建筑物喪失使用功能，道路中斷、管線開裂、人身傷亡等。因此，在工程建設(shè)中，采取措施控制地面變形，將頂管施工引起的危害降到最低程度。

3.1 控制開挖面穩(wěn)定

控制開挖面穩(wěn)定可降低對地層的擾動，是控制地層損失、減小地面變形的有效措施。保持開挖面穩(wěn)定是通過土倉壓力來平衡開挖面前方壓力。

從理論上分析，在管節(jié)頂進的過程中，如果土倉壓力P小于所處地層主動土壓力PA，開挖面支護力不足，造成地面沉降。反之，如果土倉壓力P大于所處地層被動土壓力為PB，開挖面支護力過大，造成地面隆起。如果把土倉壓力控制在PA

3.2 控制推進速度

推進速度與出土量是影響地面變形的主要因素。當(dāng)推進速度過快時，土壓力增大，地面會產(chǎn)生隆起，此時需要增加螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速，提升出土速度，來保持切土量與出土量的均衡，同時適當(dāng)降低推進速度。如果推進速度過低，土壓力較小，地面會產(chǎn)生沉降，此時需要減小螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速，降低出土速度，到達切土量與出土量的平衡，同時適當(dāng)增加推進速度。由此可見，推進速度和出土量在控制地面變形是兩個相輔相成的影響因素，同時保持切土量與出土量相對平衡，才能控制對管節(jié)周圍土體的擾動程度和地面變形量的變化，尤其要防止出現(xiàn)出土量過大的現(xiàn)象。

在開始階段頂進速度不宜太大，頂進速度一般控制在5 mm/min～10 mm/min，正常推進階段速度可控制在10 mm/min～20 mm/min。通常情況下，出土量控制在理論值的98%左右。在工程實際操作中，將地表沉降的監(jiān)測結(jié)果及時反饋給頂管機中控室操作人員，從而調(diào)整出土量和推進速度，將地面變形控制在安全合理的范圍內(nèi)。

3.3 控制同步注漿

同步注漿可以有效的控制地面變形?？梢姡陧敼苁┕み^程中，泥漿有非常重要的作用。主要表現(xiàn)在三個方面：

1)減阻作用，由于頂管管節(jié)與周圍土體存在接觸面，頂進過程會相互之間產(chǎn)生摩擦阻力，注漿后起到潤滑作用，減少頂進阻力；

2)填充空隙作用，管節(jié)頂進后與周圍土層存在空隙，注漿能很好的充填到這些空隙中；

3)控制地面變形作用，在注漿壓力作用下穩(wěn)定了周圍土體，有利于減小地面沉降。在一段頂管施工結(jié)束后，需要進行泥漿置換，加注混凝土泥漿，起到更加穩(wěn)定周圍土體的作用。如今大斷面矩形頂管機配備有泥漿套壓力自動控制系統(tǒng)，可以有效控制注漿壓力和注漿量，根據(jù)后期地面變形的情況及時進行二次注漿。

3.4 控制頂進方向及糾偏

矩形頂管機按照隧道指定的設(shè)計軸線開挖是最理想的施工狀態(tài)。但是頂管機施工是一個復(fù)雜的多工序系統(tǒng)，頂進過程中，軸線偏差一旦增大，其糾偏難度將變大，因此軸線控制是矩形頂管施工的一大難題。推進軸線與設(shè)計軸線發(fā)生偏差，就要進行糾偏，糾偏過程中會使一側(cè)土體受到擠壓而隆起，另一側(cè)土體產(chǎn)生縫隙而沉降，從而造成地層損失的增加，地面變形量增大。為了減小糾偏造成的地層損失影響，應(yīng)避免產(chǎn)生大角度的糾偏，同時按照“多測量、多糾偏、緩糾偏”的原則合理操作，這樣才能確保頂管機準(zhǔn)確、順利、安全的施工。

3.5 其他控制措施

除以上控制措施外，還有其他控制措施。

施工前控制措施：

1)合理設(shè)計頂管管徑和埋深：兩者是影響地面變形的重要參數(shù)，兩者的選擇是考慮工程投資、功能以及施工環(huán)境綜合確定的；

2)選擇適當(dāng)?shù)捻敼軝C類型：頂管機主要包括土壓平衡式、泥水平衡式、氣壓平衡式頂管機，不同頂管機適合的地層不同，其在施工參數(shù)的控制精細度上也存在差異。應(yīng)根據(jù)不同工程地質(zhì)條件選擇適合的頂管機。

施工中控制措施：

1)進、出洞控制：由于工具管外徑小于洞口直徑，在工具管進、出洞口的過程會有空隙，地下水、泥砂進入工作井中，引起上部土體發(fā)生坍塌，影響結(jié)構(gòu)物的安全?？梢栽诙纯诟浇欢ǚ秶鷥?nèi)采取高壓旋噴、注漿、凍結(jié)、深井降水等加固措施；

2)管節(jié)防水、止水技術(shù)：管節(jié)防水采用兩道防水形式，第一道密封是在兩管節(jié)之間設(shè)置橡膠脹圈，第二道密封是在端面之間注入混凝土漿液，使管節(jié)之間形成整體，起到防水、止水效果。

4 結(jié)語

矩形頂管施工是一個復(fù)雜綜合的系統(tǒng)建設(shè)工程，控制地面變形的措施不是單一因素決定的，而是需要各控制措施相互之間協(xié)調(diào)，將工程的施工對環(huán)境的影響降到最低，從而取得良好的社會和經(jīng)濟效益。