過街地道矩形頂管施工變形監(jiān)測分析及預(yù)防措施探究

池玉宇，楊益平，許自立，陳麗麗

（寧波市建設(shè)工程安全質(zhì)量管理服務(wù)總站，浙江 寧波 315012）

0 引言

隨著城市建設(shè)飛速發(fā)展，地下空間利用在廣度和深度上需求不斷提升，相比傳統(tǒng)的大開挖施工工藝，綜合效益更好的非開挖技術(shù)被越來越多應(yīng)用，其中就包括矩形頂管技術(shù)。矩形頂管技術(shù)開始于 20 世紀(jì) 70 年代的日本，發(fā)展相對較晚，2 000 年左右引入我國，因其具有埋深淺、不中斷路面交通、避免地下管線遷建、噪音小、環(huán)境污染少等優(yōu)點，且相比傳統(tǒng)圓形頂管技術(shù)斷面利用率提升 20 %，被逐步推廣［1］。

隨著矩形頂管技術(shù)在我國推廣運用，國內(nèi)學(xué)者結(jié)合實際情況在開挖面土體穩(wěn)定性能、施工技術(shù)、防地表變形等方面積極開展了一系列研究。榮亮等［2］對超大截面頂管隧道頂管姿態(tài)控制技術(shù)進(jìn)行了研究總結(jié)，王曉睿等［3］、董?。?］基于工程實例對矩形頂管施工期間的周邊地表變形規(guī)律進(jìn)行了研究探索，劉招偉等［5］對矩形頂管隧道施工中觸變泥漿套形成規(guī)律及減阻效果試驗進(jìn)行了試驗研究，許有俊等［6］對大斷面矩形頂管隧道開挖面主動和被動破壞規(guī)律進(jìn)行了研究。迄今為止，相比較為成熟的盾構(gòu)技術(shù)與圓形頂管技術(shù)，矩形頂管技術(shù)的研究相對薄弱，我國針對矩形頂管技術(shù)的設(shè)計、施工、監(jiān)測等方面的規(guī)范體系也尚不夠完善。本文以寧波大學(xué)西校區(qū)人行過街地道施工為實例，對其頂管施工過程中地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，研究其地表變化規(guī)律，驗證預(yù)防變形措施的有效性。

1 工程概況

寧波大學(xué)西校區(qū)人行過街地道位于寧波市鎮(zhèn)海區(qū)寧鎮(zhèn)公路與思源路交叉口東側(cè)，下穿城市主干道寧鎮(zhèn)公路，為滿足施工期間道路保通，采用矩形頂管技術(shù)，平面布置圖如圖 1 所示。始發(fā)井和接收井分別位于寧鎮(zhèn)公路北側(cè)和南側(cè)，頂管進(jìn)出洞口處采φ600 mm 雙重管高壓旋噴樁土體加固。頂進(jìn)期間穿過軌道 2 號線 SN24 號墩、SN25 號墩，矩形頂管結(jié)構(gòu)邊線距 SN24 號墩橋樁 2.5 m，施工前對 SN24 墩周邊 1.5 m 范圍內(nèi)采用雙液劈裂注漿加固，注漿有效深度為 9 m。地道下穿管線包括自來水管道、煤氣管道、電力管道等，施工環(huán)境復(fù)雜。管線情況詳如表 1 所示。

圖1 平面布置圖

表1 管線情況

矩形頂管段通道總長 69 m，共 46 節(jié)。管節(jié)采用混凝土預(yù)制管節(jié)，強度等級 C 35，抗?jié)B等級 P 10，外徑尺寸為 6.9 m×4.2 m（寬×高），壁厚 0.45 m，管節(jié)長 1.5 m，管片接口采用“F”型承插式，接縫防水裝置采用鋸齒型止水圈和雙組分聚氨酯密封膏嵌縫。

施工采用土壓平衡式頂管機，斷面尺寸6.94 m×4.24 m（寬×高），機頭長 4.6 m。刀盤切削面積占矩形頂管機斷面 90 % 以上，對于各種性質(zhì)土層均可有效地鏟碎。

2 工程地質(zhì)情況

擬建工程場地屬第四系濱海沖湖積平原，地形平坦，頂管施工范圍內(nèi)地質(zhì)分層特性情況如表 2 所示。地下水主要為第四系松散淺層孔隙潛水類型和深部松散巖類孔隙承壓水，潛水埋深 0.5～4.3 m，標(biāo)高介于 -1.60～2.62 m，水位季節(jié)性變化幅度為 1.0～1.5 m。

現(xiàn)狀道路標(biāo)高一般為 3.10～3.80 m，兩側(cè)新建地面標(biāo)高一般為 2.20～4.20 m，地道埋深約 9 m，覆土厚度≥4.7 m。頂管穿越土層位于地下水位以下，土性主要為 ②-1層淤泥質(zhì)黏土及 ②-2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，對應(yīng)土層情況如圖 2 所示。

圖2 頂管作業(yè)土層分布

3 施工變形監(jiān)測分析

3.1 變形監(jiān)測方案

本工程監(jiān)測主要關(guān)注頂管過程中地面沉降、周圍建筑物（即軌道 2 號線橋墩）及綜合管線的沉降變化，參照 GB 50911－2013《城市軌道交通工程檢測技術(shù)規(guī)范》要求，測點布置方案如圖 3 所示。具體如下：①沿頂管頂進(jìn)方向布置 3 個監(jiān)測斷面，斷面縱向間距 10～15 m；②每個橫斷面布置 5 個橫向監(jiān)測點，測點間距 5～10 m；③每個軌道 2 號線橋墩沿頂進(jìn)垂直方向在橋墩兩端布置監(jiān)測點；④沿每條綜合管線埋設(shè)方向布置監(jiān)測點，測點間距5～15 m。地表沉降監(jiān)測點布設(shè)于硬化地表水泥路面，軌道 2 號線 SN24、SN25 號橋墩沉降監(jiān)測點采用鉆具成孔方式在橋墩上埋設(shè)，地下管線因埋深較淺沉降監(jiān)測點采用間接點布設(shè)于管線上方地表。

表2 地質(zhì)分層特性

圖3 測點布置方案

3.2 地表變形與頂進(jìn)位置動態(tài)關(guān)系分析

選取沿頂管頂進(jìn)方向始發(fā)、正常頂進(jìn)、接收三個階段矩形頂管上方測點 MQ03、D19、D08、DL03 為研究對象，分析地表沉降隨頂管機頂進(jìn)位置動態(tài)變化關(guān)系，測點分別距離始發(fā)洞口 9.2、20.6、47.1、62.9 m，分布于頂進(jìn)過程各個階段，各測點沉降變化情況如圖 4 所示。

圖4 地表沉降變化與頂進(jìn)位置動態(tài)關(guān)系

測點 MQ03 位于矩形頂管上方靠近始發(fā)井，從圖表中頂管機里程數(shù)與該測點沉降量變化情況可看出，頂管機出洞至到達(dá)該測點下方前，測點有一定沉降趨勢，臨近測點時沉降趨勢有反向波動，頂管機通過測點后沉降量明顯增大。主要原因分析如下：①頂進(jìn)作業(yè)始發(fā)段同時作為試驗段，此階段各項參數(shù)未穩(wěn)定，不斷根據(jù)地面沉降數(shù)據(jù)的反饋進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，取得客觀準(zhǔn)確的正面土壓力、出土量、頂進(jìn)速度、注漿量和壓力等各種施工參數(shù)最佳值，實際施工過程中從 2018 年 6 月 23 日頂進(jìn)作業(yè)開始至 6 月 25 日頂進(jìn) 3.53 m 后，施工單位進(jìn)行了約兩天的設(shè)備調(diào)試和數(shù)據(jù)采集分析，6 月 27 日繼續(xù)正常頂進(jìn)，從里程 3.5～5.7 m 段出現(xiàn)了輕微沉降趨勢；②臨近測點時，頂管機正面頂力對地表產(chǎn)生了隆起作用，在沉降曲線中出現(xiàn)了反向的波動；③頂管機本身全斷面外徑尺寸為 6.94 m×4.24 m，而標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)尺寸為 6.9 m×4.2 m，之間存在每邊 20 cm 空隙，施工時采用觸變泥漿進(jìn)行填充平衡，存在土壓力突變，因此當(dāng)頂管通過測點下方后，沉降量突變增大。

測點 D 19、D 08 位于頂管作業(yè)中間里程區(qū)域，從圖表中頂管機里程數(shù)與該測點沉降量變化情況可看出，兩個測點的變化趨勢基本類似，頂管機達(dá)該測點下方前，測點幾乎未受到頂管作業(yè)的影響，無明顯地表位移變化，頂管機臨近測點時，地表出現(xiàn)了輕微隆起現(xiàn)象，頂管機通過測點后沉降數(shù)率明顯突變增大，隨著頂管機繼續(xù)頂進(jìn)，沉降數(shù)率減緩。主要原因分析如下：①正常頂進(jìn)階段，嚴(yán)格按照施工專項方案頂進(jìn)作業(yè)，合理控制頂管機正面土壓力、出土量、頂進(jìn)速度，并保證觸變泥漿性能，起到良好頂進(jìn)潤滑和平衡管周土壓力作用，減少了對周圍環(huán)境的影響，因而兩個測點在頂管機到達(dá)前均無明顯位移變化；②臨近測點時，頂管機正面頂力對地表產(chǎn)生了輕微隆起作用；③頂管機通過測點后沉降數(shù)率有一定增加，隨著頂管機繼續(xù)頂進(jìn)，管節(jié)與土層間的空隙被觸變泥漿有效填充，起到了良好的土壓平衡作用，后續(xù)沉降得到有效控制。

測點 DL03 位于矩形頂管上方靠近接收井，從圖表中頂管機里程數(shù)與該測點沉降量變化情況可看出，頂管機達(dá)該測點下方前，測點幾乎未受到頂管作業(yè)的影響，無明顯地表位移變化，頂管機臨近測點時，地表出現(xiàn)了隆起現(xiàn)象，頂管機通過測點后直到頂管機進(jìn)洞，該測點一直處于隆起增加狀態(tài)，隨著頂管作業(yè)結(jié)束，測點后續(xù)隆起消失基本恢復(fù)原狀。主要原因分析如下：①頂管機臨近測點前地表變化趨勢與中間里程測點一致，頂管機從測點下方經(jīng)過后，測點位移變化趨勢發(fā)生改變，因為頂管作業(yè)靠近接收井，地層變化邊界條件發(fā)生變化，土體位移被接收井限制受擠壓后地面隆起增加；②頂管機進(jìn)洞后被擾動的土體重新固結(jié)，頂管結(jié)束后，及時選用 1∶1 的水泥漿液，通過管節(jié)預(yù)留注漿孔置換管道外壁漿液，根據(jù)不同的水土壓力確定注漿壓力，加固通道外土體，消除對通道今后使用過程中產(chǎn)生不均勻沉降的影響，后續(xù)隆起消失基本恢復(fù)原狀。

3.3 縱斷面變形分析

如圖 5 所示，分析對比始發(fā)、正常頂進(jìn)、接收三個階段矩形頂管上方地表測點沉降量差異，可以發(fā)現(xiàn)在頂進(jìn)縱斷面中呈現(xiàn)較大的不均勻沉降分布。

圖5 縱斷面監(jiān)測分析

測點 WS02、MQ03 靠近始發(fā)井，分別距離始發(fā)井7.2 m、10.3 m，相比中間區(qū)域測點 D08、D13、D19 及靠近頂管接受井測點 DL03，累計沉降量明顯較大，累計沉降量達(dá) 53.9 mm、45.8 mm，超出監(jiān)測報警值 30 mm范圍。主要原因分析：①頂進(jìn)作業(yè)始發(fā)段同時作為試驗段，頂管設(shè)備調(diào)試及各項參數(shù)設(shè)置過程造成頂管機停滯產(chǎn)生一定量的沉降；②頂進(jìn)作業(yè)始發(fā)段頂管機從工作井掘進(jìn)穿過端頭加固區(qū)進(jìn)入原狀土層，對地層擾動較大，產(chǎn)生較大沉降量；③工作井的施工也會對周邊地層產(chǎn)生擾動，加大了沉降效應(yīng)。

測點 D08、D13、D19 位于頂管作業(yè)中間區(qū)域，分別距離始發(fā)井 47.1、34.5、20.6 m，累計沉降量分別為 18.4、9.8、24.5 mm，均在監(jiān)測報警值 30 mm 范圍內(nèi)，說明正常頂進(jìn)階段頂管機運行良好，各項參數(shù)設(shè)置合理，不受工作井進(jìn)出洞干擾，沉降控制較為理想。

測點 DL03 靠近頂管作業(yè)接收井，距離接收井 6.1 m，測點在頂管機到達(dá)前地表微隆起后輕微下沉，幾乎不受干擾，主要原因為頂管作業(yè)靠近接收井時，地層變化邊界條件發(fā)生變化，土體位移被接受井限制后受擠壓產(chǎn)生隆起，施工結(jié)束后及時采用水泥漿加固通道外土體，消除后續(xù)不均勻沉降的影響。

3.4 橫斷面沉降分析

選取頂管作業(yè)中間區(qū)域、軌道 2 號線墩附近及綜合管線 3 個橫斷面測點為研究對象，分析對比地表沉降變化與矩形頂管水平距離關(guān)系。

頂管作業(yè)中間區(qū)域橫斷面 D17、D18、D19、D20、D21，各測點累計沉降量分別為 1.7、9.2、24.5、7.2、0.6 mm，如圖 6 所示，矩形頂管正上方測點 D 19 沉降值相比最大，隨測點離矩形頂管中心距離越遠(yuǎn)，沉降明顯減小，兩側(cè)測點 D17、D21 距離超出矩形頂管埋深，沉降量數(shù)據(jù)無明顯變化。

圖6 中間區(qū)域橫斷面

軌道 2 號線墩測點沉降量如圖 7 所示，矩形頂管結(jié)構(gòu)邊線距 SN 24 號墩橋樁 2.5 m，測點 D11、D12 未發(fā)生明顯數(shù)據(jù)變化，且兩個測點微量變形趨勢基本一致，整體性良好。主要原因分析如下：①橋墩樁基自身具備很強的抗沉降能力；②本工程在頂管作業(yè)施工前對SN 24 號墩周邊 1.5 m 范圍內(nèi)采用雙液劈裂注漿保護(hù)起到了良好的保護(hù)作用。SN 25 號墩測點 D15、D16 與矩形頂管距離超出矩形頂管埋深，未發(fā)生明顯數(shù)據(jù)變化。

圖7 軌道墩橫斷面

綜合管線橫斷面測點沉降量如圖 8 所示，煤氣管道橫斷面測點 MQ01、MQ02、MQ03、MQ04、MQ05 沉降數(shù)據(jù)顯示規(guī)律與頂管作業(yè)中間區(qū)域橫斷面 D17、D18、D19、D20、D21 基本一致，矩形頂管上方測點 MQ03 沉降值相對較大，隨測點離矩形頂管中心距離越遠(yuǎn)，沉降越不明顯，兩側(cè)測點 MQ01、MQ05 距離超出矩形頂管埋深，數(shù)據(jù)變化不明顯。

圖8 煤氣管道橫斷面

4 預(yù)防變形措施有效性分析

4.1 準(zhǔn)備階段

1）始發(fā)、接收區(qū)域土體加固。頂管作業(yè)始發(fā)接收區(qū)域采取φ600 mm 雙重管高壓旋噴樁土體加固，始發(fā)區(qū)域高壓旋噴樁 5 排，接受區(qū)域 2 排。從上文監(jiān)測分析可知，始發(fā)接收區(qū)域為頂管作業(yè)控制難度較大階段。頂管作業(yè)始發(fā)階段，頂管機從工作井掘進(jìn)入土層，對地層產(chǎn)生較大擾動，頂管機設(shè)備性能及各項參數(shù)的設(shè)置尚在不斷調(diào)試中，頂管作業(yè)不可避免出現(xiàn)頂進(jìn)較緩慢甚至停滯現(xiàn)象，加之前期工作井施工影響，極易出現(xiàn)地層沉降變形，出洞口始發(fā)區(qū)域土體加固十分必要。頂管作業(yè)接受階段，需考慮頂管機順利進(jìn)洞，頂進(jìn)姿態(tài)、頂進(jìn)速度需進(jìn)一步調(diào)整，接收區(qū)域因邊界條件發(fā)生變化，地層易產(chǎn)生隆起破壞，接收區(qū)域土體加固十分必要。

2）對于主要建構(gòu)筑的保護(hù)。由于頂管段距離軌道2 號線 SN24 號橋墩樁距離為 2.5 m，頂進(jìn)過程會引起 SN24 號橋墩樁變形，為消除頂管頂進(jìn)對樁基變形影響，對 SN24 號橋墩樁基周邊土體進(jìn)行加固，在頂管施工前對軌道 SN24 橋墩周邊 1.5 m 范圍內(nèi)采用雙液劈裂注漿加固，注漿有效深度為 9 m，監(jiān)測結(jié)果顯示，劈裂注漿保護(hù)后，軌道橋墩樁未受頂管作業(yè)影響。

4.2 施工階段

1）頂管參數(shù)合理設(shè)置。頂管機從始發(fā)井出洞后，盡量減少水土流失，前 5 節(jié)標(biāo)準(zhǔn)管作為試驗段，通過全面的地面沉降數(shù)據(jù)反饋分析進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，設(shè)置合理正面土壓力、出土量、頂進(jìn)速度、注漿量和壓力等各種施工參數(shù)最佳值，指導(dǎo)施工。

2）優(yōu)質(zhì)泥漿配置。采用膨潤土配置黏度和流動性俱佳的觸變泥漿填充頂管作業(yè)期間管道周圍空隙，根據(jù)土質(zhì)的情況、頂進(jìn)狀況、地面沉降的要求等作及時適當(dāng)調(diào)整，起到有效地減少摩阻力及控制地面沉降作用。

3）勤測勤量勤糾偏。通過勤測勤量注意機體姿態(tài)的變化，及時糾偏。矩形頂管作業(yè)相比圓形頂管作業(yè)對于橫向水平要求較高，機頭的轉(zhuǎn)角要密切注意。

4.3 工后防治階段

及時泥漿置換。頂管結(jié)束后，及時采用水泥漿液置換管道外壁泥漿，加固通道外土體，消除對通道今后使用過程中產(chǎn)生不均勻沉降的影響。

5 結(jié)論

1）矩形頂管施工過程中隨著頂管機的前進(jìn)會對地表變形產(chǎn)生不同程度的影響，在正常頂進(jìn)過程中，頂管機臨近前地表會出現(xiàn)隆起，經(jīng)過后會出現(xiàn)沉降，始發(fā)階段設(shè)備調(diào)試等原因造成的頂進(jìn)緩慢甚至停滯會造成地表沉降，接收階段，土層受接收井限制擠壓地表易產(chǎn)生隆起。

2）始發(fā)階段和正常頂進(jìn)階段，地表主要為沉降破壞，始發(fā)階段沉降量明顯大于正常頂進(jìn)階段，接收階段以隆起破壞為主。

3）沿矩形頂管頂進(jìn)正上方地表變形最明顯，隨著橫向距離越遠(yuǎn)變形也不明顯，超出矩形頂管埋深距離外幾乎不受影響。

4）始發(fā)區(qū)域地表沉降量較大，接收區(qū)域易產(chǎn)生隆起破壞，重要建筑物受到破壞后影響損失較大，對于這些部位應(yīng)采取土體加固措施。

5）頂管施工階段應(yīng)通過試驗段準(zhǔn)確、合理設(shè)置等各項頂管參數(shù)，采用黏度和流動性俱佳的優(yōu)質(zhì)泥漿減少頂管摩阻力及控制地面沉降，勤測勤量避免大幅度糾偏。

6）頂管作業(yè)結(jié)束后應(yīng)及時采用水泥漿液置換管道外壁泥漿，加固通道外土體，可以有效消除對通道今后使用過程中產(chǎn)生不均勻沉降的影響。