某穿河頂管工程施工引發(fā)的地面沉降成因分析

王建龍 陳亮

摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展，越來越多的城區(qū)內(nèi)穿越工程采用了非開挖的技術(shù)，其中頂管穿越是最常見、最成熟的穿越方式之一。城市的高速發(fā)展，施工場地周邊的環(huán)境變得異常復(fù)雜，對頂管工程的勘察、設(shè)計(jì)、施工提出了更高的要求。如何既確保周邊建筑、構(gòu)筑物不受影響，又能在狹小的空間內(nèi)順利施工成為當(dāng)前研究的主要問題。本文以某大型輸水管道頂管穿越河流為例，分析其在施工時(shí)引發(fā)地面沉降的原因，為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：頂管穿越;周邊環(huán)境;地面沉降

中圖分類號：TV672.2;TV221.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1003-5168（2020）22-0064-03

Abstract： With the development of society， more and more urban crossing projects adopt trenchless technology， among which pipe jacking crossing is one of the most common and mature crossing ways. With the rapid development of the city， the environment around the construction site becomes extremely complex. The complex surrounding environment puts forward higher requirements for the survey， design and construction of pipe jacking engineering. How to ensure that the surrounding buildings and structures are not affected， and can be smoothly constructed in a narrow space has become the main problem of current research. In this paper， a large-scale water pipeline crossing the river by pipe jacking was taken as an example to analyze the causes of land subsidence during construction， so as to provide reference for similar projects.

Keywords： pipe jacking crossing;surrounding environment;land subsidence

1 工程背景

某穿越河流頂管工程，工作井布置在河流右岸，接收井布置在左岸，均采用沉井法施工。其中工作井內(nèi)徑為10.5 m、接收井內(nèi)徑為7 m。沉井澆筑時(shí)，在井壁處為頂管預(yù)留開門位置，預(yù)留孔孔徑為1.5 m，頂管內(nèi)徑為1.00 m，工作井預(yù)計(jì)下沉深度為21 m，有效井深為18 m。原計(jì)劃工作井井體分4次澆筑，3次下沉，施工完成工作井作為檢修井使用。工作井井壁壁厚為900～1 100 mm，底板厚度為1.3 m，井壁及底板采用C30鋼筋混凝土。場區(qū)周邊環(huán)境復(fù)雜，50 m范圍內(nèi)主要的建筑物、構(gòu)筑物為辦公樓（淺基礎(chǔ)）、跨河大橋（灌注樁基礎(chǔ)）、燃?xì)夤艿兰岸鄺l地埋電纜[1]。

2 地質(zhì)概況

場區(qū)地貌單元為沖積傾斜平原，微地貌為河谷地貌，河床及兩岸上部以重粉質(zhì)壤土為主，下部分布砂壤土、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土，地層分布較穩(wěn)定。頂管工程涉及地層主要為第①～③層重粉質(zhì)壤土、第④層砂壤土及第⑤層細(xì)砂。地下水主要為第四系松散土類孔隙潛水和承壓水。潛水主要含水層為壤土，承壓水含水層為細(xì)砂及砂壤土。潛水埋深5.4～5.8 m，地下水位高程為55.4～55.8 m;承壓水水位高程一般為51.8 m，承壓水頭約10 m;河水位高程一般為55.5 m。地下水和河水水力聯(lián)系密切，二者呈互補(bǔ)關(guān)系，地下水變幅受河水影響大。

3 施工過程

穿越河流頂管工程于2014年5月進(jìn)行工作井施工，2014年7月5日工作井周邊的5口管井啟動(dòng)降水，施工監(jiān)測人員未發(fā)現(xiàn)明顯的地面沉降，2014年8月12日至19日工作井井壁外5～7 m范圍內(nèi)出現(xiàn)地面沉降和沉降裂縫。2014年10月5日新增了4口管井，2014年10月6日至7日，工作井下沉至16 m處，工作井周圍構(gòu)筑物、混凝土路面出現(xiàn)輕微變動(dòng)，2014年10月9日監(jiān)測到周邊地面沉降量超出警戒值，現(xiàn)場停止工作井下沉作業(yè)，并進(jìn)行原因分析，2015年1月底復(fù)工，在工作井周邊進(jìn)行高壓旋噴帷幕施工，工作井下沉至設(shè)計(jì)高程后進(jìn)行帷幕封底。頂管頂進(jìn)至120 m時(shí)工作井中頂管洞口處有滲水現(xiàn)象，及時(shí)采取了封堵措施，隨后工作井周邊出現(xiàn)了大量裂縫，混凝土路面出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)。

4 地面沉降調(diào)查

4.1 地表裂縫調(diào)查

場區(qū)位于已建成的濱河公園附近，地表多已綠化，位于綠化帶上的裂縫不明顯，僅可對硬化路面、地面上的裂縫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，大致推算地面沉降的范圍。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，裂縫主要有3組，即平行管道走向、北東向及東西向三組。裂縫寬度一般為0.5～3 cm，沉降差一般不明顯，在工作井附近的裂縫有錯(cuò)臺(tái)。以工作井頂管洞口為中心，距離相近的裂縫連接可大致形成橢圓狀，各裂縫詳見表1。通過測量裂縫的分布范圍可得出大致的地面沉降范圍為以工作井為中心的長約100 m、寬約90 m的不對稱的橢圓形。

4.2 地面沉降范圍驗(yàn)證

為進(jìn)一步查明地面沉降范圍，先后采用高密度電法、探地雷達(dá)、鉆探、靜探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)及室內(nèi)物理力學(xué)性試驗(yàn)等綜合勘探方法（受周邊環(huán)境等不利因素的影響，高密度電法工作無法開展，探地雷達(dá)勘探時(shí)物性反應(yīng)不明顯），最終通過地層界限變化、現(xiàn)場原位測試變化及鉆探異常反應(yīng)、管道變形、室內(nèi)試驗(yàn)等多方面的對比分析，對通過裂縫調(diào)查得出的地面沉降范圍進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)論為：地面沉降范圍以工作井為中心，沿管道軸線方向（南北向）約95 m，垂直管道方向（東西向）最大約75 m。在綜合勘探時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)中，上述地面沉降區(qū)內(nèi)淺層土的標(biāo)貫擊數(shù)比原始地層降低20%左右，靠近工作井的沉降嚴(yán)重區(qū)降低25%～40%;靜力觸探試驗(yàn)中，上述地面沉降區(qū)內(nèi)淺層土錐尖阻力比原始地層降低23%～58%;室內(nèi)試驗(yàn)成果表明，第①層、第②層和第③層土擾動(dòng)后物理性指標(biāo)為天然含水量大于前期資料成果，天然干密度小于前期資料成果，天然孔隙比大于前期資料成果，力學(xué)性指標(biāo)抗剪強(qiáng)度小于前期資料成果，壓縮系數(shù)大于前期資料成果，壓縮模量小于前期資料成果。這說明地面沉降范圍內(nèi)地層相對于前期結(jié)構(gòu)遭到破壞。

5 沉降原因分析

場區(qū)地層結(jié)構(gòu)為黏砂雙層結(jié)構(gòu)，下部砂壤土和細(xì)砂層為承壓水含水層。施工期，承壓水水位高程為51.8 m，承壓水頭約為10 m。地下水和河水水位均高于建基面，且聯(lián)系緊密。在工作井下沉施工中，先期采用的挖土法下沉，下沉前對場區(qū)進(jìn)行管井降水。因管井的成井質(zhì)量差，工作井施工期間由于降水原因?qū)е铝说谝淮蔚孛娉两?，由于沉降量小，地面裂縫不明顯，沒有引起足夠的重視，為了能持續(xù)施工，在工作井周邊進(jìn)行了高壓旋噴帷幕施工，但由于前期地層已經(jīng)擾動(dòng)，高壓旋噴帷幕存在局部滲流現(xiàn)象，為了能使沉井繼續(xù)下沉和頂管工作順利進(jìn)行，增加了管井井點(diǎn)，加大了地下水降水工作，致使大量粉細(xì)砂顆粒被隨地下水抽出，造成工作井周邊局部孔洞，周邊土層發(fā)生擾動(dòng)，從而發(fā)生了地面沉降。

6 結(jié)論建議

由于土體結(jié)構(gòu)受到影響，物理力學(xué)指標(biāo)下降，工程性質(zhì)惡化，對頂管工程影響較大，建議對地面沉降區(qū)進(jìn)行加固處理。建筑物穿越工程采用頂管抬升方案，施工時(shí)管道主要位于場區(qū)第③層重粉質(zhì)壤土，部分位于第④層砂壤土中。砂壤土、細(xì)砂層密實(shí)程度不均，粉質(zhì)壤土局部含鈣質(zhì)結(jié)核，一般粒徑為1～3 cm，個(gè)別達(dá)到6 cm。根據(jù)附近鉆探資料，不排除局部鈣質(zhì)結(jié)核連接成塊的可能。由于頂管施工、降排水不可避免地會(huì)造成頂管周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，甚至可能使地面有一定的沉降，相關(guān)單位應(yīng)根據(jù)具體情況決定采取事前預(yù)防或事后處理措施。由于場區(qū)臨近建筑物，施工環(huán)境復(fù)雜，建議委托第三方加強(qiáng)頂管周邊建（構(gòu)）筑物的變形監(jiān)測，建立預(yù)警機(jī)制，加強(qiáng)防護(hù)工作。工作井北約20 m有東西向天然氣管道，頂管東約21 m處有南北向天然氣管道，頂管東約24 m和28 m處有南北向通信光纜，河堤景區(qū)路邊存在弱電、照明線路，綠地上存在照明線路及綠化用水管道。施工時(shí)，工作人員應(yīng)聯(lián)系產(chǎn)權(quán)單位明確具體位置后加以保護(hù)。頂管施工對周圍土體產(chǎn)生的擾動(dòng)會(huì)使管道及沿線地面產(chǎn)生沉降，對河道堤防產(chǎn)生一定影響，建議采取處理措施。基礎(chǔ)加固處理后，應(yīng)按相關(guān)規(guī)范和要求對加固效果進(jìn)行檢測。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫剛，韓桃明.穿越河流頂管工程勘察設(shè)計(jì)工作重點(diǎn)淺析[J].科技展望，2016（18）：25.