地鐵出入口矩形頂管法沉降控制技術研究

陳 兵

（中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司，湖北 武漢 430074）

地鐵站主要修建在人員密集、交通量大的城市繁華區(qū)域，地鐵出入口多數下穿城市主干道，道路兩側城市管線布置較多，周邊環(huán)境復雜。明挖法施工對地下管線、周邊建筑物及交通出行帶來一定的影響。頂管法施工同明挖法施工對比避免了對原地面的大量開挖及地下各類管線的遷改，減少了對地表構筑物和周圍環(huán)境的破壞，在地鐵施工中得到廣泛的應用，但頂管施工也不可避免地造成地下土地的沉降。房營光等[1]對Peck的地表沉降理論計算式進行了修正；王曉睿等[2]揭示了矩形頂管掘進過程中地表變化規(guī)律；陳聰等[3]分析得出了地表沉降位移影響范圍為3倍的洞徑；林強強[4]揭示了地層損失是引起地層移動與地表變形的根本原因；王斌等[5]揭示了頂管軸線以上土體擾動后強度降低，土體發(fā)生擾動后固結是地表引起沉降的內因；許有俊等[6]系統(tǒng)地研究了矩形頂管施工擾動引起的地表沉降變形特征。

目前，針對矩形頂管施工擾動地層變形沉降的研究較多，但對矩形頂管引起的地表沉降的控制技術研究較少。文章結合翱翔路站1號出入口頂管施工工程實例對矩形頂管頂進引起的地表沉降進行分析，并在此基礎上提出控制地表沉降的技術，為矩形頂管的安全施工提供控制措施。

1 工程概況

翱翔路站是鄭州機場至許昌市域鐵路工程的第五座車站，位于航空港區(qū)華夏大道與翱翔路交叉口處，1號出入口位于車站西側。華夏大道西側有南北走向的DN800混凝土雨水管、軍用光纜、DN250材質為PE管的低壓燃氣管、DN273材質為鋼管的次高壓燃氣管等管線。雨水管、軍纜、燃氣管等管道橫向穿過車站主體與1號出入口之間的區(qū)域，為了減少明挖對管道，特別是燃氣管的擾動，下穿低壓、次高壓燃氣管的施工區(qū)域采用地層擾動小的組合式多刀盤土壓平衡式矩形頂管法施工。

1號出入口的地層從上到下主要包括回填土、雜土層、粉砂層、黏質粉土層。頂管時主要穿越粉砂層、黏質粉土層，覆土厚度約4.6m。頂管上部有雨水管、低壓燃氣管、次高壓燃氣管，雨水管距頂管垂直距離為3.16m，低壓燃氣管、次高壓燃氣管距頂管垂直距離均為2.28m，如圖1所示。

圖1 燃氣管位置圖

2 矩形頂管施工工藝

矩形頂管施工主要是借助于工作井安裝的主頂裝置的頂推力將頂管機及管節(jié)頂推至接收井，頂進過程中將改良后的泥土從工作井吊出的非開挖式敷設地下管道的施工方法。矩形頂管工作系統(tǒng)主要包括工作井頂進裝置、注漿減阻系統(tǒng)、管片姿態(tài)控制系統(tǒng)等。頂管工作井的布置主要包括定位安裝基礎及導軌、安裝后靠背、安裝主頂裝置、吊裝頂鐵以及固定洞門橡膠簾布等；注漿減阻系統(tǒng)主要包括注漿泵及其配套管路、注漿材料；管片姿態(tài)控制系統(tǒng)主要包括激光經緯儀、糾偏油缸系統(tǒng)等。

3 頂管段監(jiān)測點布置

頂管頂進施工前在頂進隧道中心線上及兩側范圍內布設變形監(jiān)測點，在洞口位置設置主測斷面，隧道中心位置設置一個斷面，每個斷面布設8個監(jiān)測點，如圖2所示。在隧道掘進區(qū)布設三道變形監(jiān)測點，同時在低壓燃氣管、次高壓燃氣管上方加密布設兩道變形監(jiān)測點，監(jiān)測燃氣管區(qū)域地表沉降。

4 地表沉降機理分析及控制技術

4.1 機理分析

頂管機的外徑比頂入的鋼筋混凝土管節(jié)的外徑大20mm，頂管時在頂入管節(jié)與土體之間存在一定的空隙。頂管機掘進時對上方的土體產生剪切作用，管節(jié)頂進時沿著軸線方向往復移動，使管節(jié)四周的土體多次受到擾動。管節(jié)與地層間的空隙造成地層損失以及管節(jié)四周受到多次擾動的土體在固結沉降的綜合作用下最終造成地表沉降。

圖2 頂管區(qū)域監(jiān)測點布設

4.2 控制技術

（1）頂管施工時為減少地面沉降及頂管機、管節(jié)與土體之間的摩擦阻力，將具有一定黏度和良好流動性的觸變泥漿充填至管節(jié)土體間的空隙，使機體及管節(jié)外殼形成完整的泥漿套，頂進過程中將管節(jié)與土體間的干摩擦變成濕摩擦，有效地減少了頂進阻力。（2）利用優(yōu)質黏性土拌制不易失水的濃泥，將濃泥泵送至管節(jié)與土體間的空隙充填，防止觸變泥漿失水引起的地層損失。在管節(jié)的頂進過程中及時動態(tài)跟蹤補注漿，補充泥漿套保壓不足造成的地層損失。（3）頂管施工結束后用水泥漿將管節(jié)與土體間的空隙內的濃泥及減阻泥漿置換，充填管節(jié)與土體間的空隙。同時對管節(jié)四周受多次擾動作用的土體進行注漿加固，提高土體的密實度，減少管節(jié)覆土的沉降。

5 監(jiān)測數據分析

第1階段地表沉降是由于頂管機頂進過程中刀盤進行姿態(tài)調整，開挖面超挖，開挖面土體流失引起地表沉降，最大沉降值達45mm，同時由于頂進過程中頂管機機殼對土體的頂推力，導致局部隆起；第2階段由于頂管機掘進過程中糾偏機殼與周圍土體的摩擦，觸變泥漿注入量不足，導致地層沉降，最大沉降值達80mm；第3階段頂進過程中注入的濃泥及減阻泥漿將管節(jié)與地層間的空隙充填，將地表沉降控制在10mm以內，有效地控制了地表沉降，如圖3所示。

圖3 頂管頂進過程中地層變形圖

6 結論

（1）根據監(jiān)測數據分析，發(fā)現地表沉降主要發(fā)生在頂進過程中及頂進結束后一段時間，最大沉降值可達80mm。（2）對頂管頂進過程中地表沉降的原因進行深入分析，得出頂管機及管節(jié)與土體間的多次擾動時造成的地層損失是造成地表沉降的根本原因。（3）頂管過程中采取注觸變泥漿及濃泥減少地層間隙，頂進結束后采用水泥漿置換觸變泥漿及濃泥，同時對受多次擾動的土體進行注漿加固，可將地表沉降值控制在10mm以下，有效地控制了地表沉降。