泥水平衡頂管下穿高速公路的沉降控制研究

龔迎春

（上海隧道工程有限公司，上海 200232）

1 工程概況

蘇州城區(qū)第二水源-陽(yáng)澄湖引水工程為市政輸水工程，規(guī)模50萬(wàn)m3/d，采用頂管法施工。其中，14#～13#頂管段位于中環(huán)北線與陽(yáng)澄湖環(huán)路交口，頂管區(qū)間從常臺(tái)高速公路（跨度約65m）下方正向穿過(guò)，雙線管道凈距4m，長(zhǎng)度330m。常臺(tái)高速作為重要交通要道，保護(hù)等級(jí)高，頂管作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，工程安全風(fēng)險(xiǎn)控制難度較大。本區(qū)間主要穿越5層粉質(zhì)粘土夾粉土層與6層粉土夾粉砂層，故采用泥水平衡鋼頂管施工，工作井距離高速約63m，接收井距離高速約203m，管頂覆土深度平均約8m，其中，穿越常臺(tái)高速段覆土11.4m。頂管穿越蘇嘉杭高速位置關(guān)系圖如圖1。

圖1 頂管穿越蘇嘉杭高速位置關(guān)系圖

眾所周知，若頂管頂進(jìn)速度不穩(wěn)定、頂管軸線偏差控制不到位且糾偏不及時(shí)，施工過(guò)程中將存在明顯的超欠挖工況。當(dāng)超挖量較大時(shí)，套管外周與土體產(chǎn)生較大空隙，在車輛荷載作用及上層土體重新固結(jié)作用下，路面將會(huì)產(chǎn)生過(guò)多沉降。另外，頂管工程結(jié)束后，管節(jié)若存在因銹蝕和承壓能力不足等原因產(chǎn)生的破損情況，將導(dǎo)致路面的進(jìn)一步沉降。

2 管節(jié)設(shè)計(jì)及頂進(jìn)方案

2.1 管節(jié)設(shè)計(jì)

原設(shè)計(jì)穿越常臺(tái)高速段頂管采用DN2200鋼筋混凝土頂管，管節(jié)外徑2640mm，長(zhǎng)度2000mm?？紤]到鋼筋混凝土管節(jié)外徑較大，接縫較多且接縫容易滲漏，易造成地層損失，導(dǎo)致地面沉降，因此，將DN2200鋼筋混凝土頂管調(diào)整為DN2200鋼頂管，管節(jié)外徑2220mm，管節(jié)長(zhǎng)度6m。雙管凈距由3.56m調(diào)整至4m，有助于減小雙管頂進(jìn)對(duì)地層的擾動(dòng)。采用鋼管節(jié)后，由于管節(jié)外徑減小，每延米土體開(kāi)挖量由鋼筋混凝土頂管的5.64m3降低至4m3，土方開(kāi)外量降低將有助于控制地面沉降。同時(shí)，鋼管節(jié)采用焊接接頭，可靠性高，由于管節(jié)接縫滲漏造成地層損失的可能性大大降低，地面沉降的風(fēng)險(xiǎn)顯著降低。

2.2 施工組織

為盡量減少頂管頂進(jìn)對(duì)地層的擾動(dòng)以及產(chǎn)生的地面沉降，本段頂管施工采用單線依次頂進(jìn)的施工方案，減少單位時(shí)間土體的開(kāi)挖方量。先實(shí)施北線頂管，北線頂管貫通后，完成泥漿置換，再實(shí)施南線頂管。

3 頂管施工沉降控制措施

3.1 前期準(zhǔn)備

頂管穿越施工之前，通過(guò)查閱常臺(tái)高速竣工資料以確定頂管區(qū)間和常臺(tái)高速的位置關(guān)系及管節(jié)對(duì)應(yīng)里程等關(guān)鍵信息。在頂管穿越施工前，再次復(fù)核測(cè)量頂管里程以確認(rèn)頂管與常臺(tái)高速的相對(duì)位置，做好現(xiàn)場(chǎng)踏勘與交底工作，并對(duì)于道路先天裂縫等可能對(duì)施工有影響的隱患先予以排除。

3.2 施工過(guò)程控制

（1）試驗(yàn)段頂進(jìn)及數(shù)據(jù)反饋。頂管穿越施工前50m作為頂進(jìn)試驗(yàn)段，每隔10m設(shè)置一個(gè)沉降監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面埋設(shè)8個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，初步掌握頂進(jìn)作業(yè)產(chǎn)生的地表沉降規(guī)律和量值范圍。并對(duì)頂管頂進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、正面泥水倉(cāng)壓力等關(guān)鍵施工參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，摸索頂管在該地層中掘進(jìn)時(shí)施工參數(shù)與地表沉降之間的關(guān)聯(lián)性特征，為后續(xù)穿越高速公路過(guò)程中調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。最終試驗(yàn)段和常規(guī)段對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵施工參數(shù)對(duì)比如表1所示。

從表1中可以看出，試驗(yàn)段頂進(jìn)速度比常規(guī)段頂進(jìn)略慢，進(jìn)排泥壓力比常規(guī)段略高，試驗(yàn)段頂進(jìn)完成后，地面沉降未超過(guò)3mm。根據(jù)試驗(yàn)段情況，擬在穿越階段進(jìn)一步降低頂進(jìn)速度，減小高速公路地面沉降。

表1 試驗(yàn)段和穿越段主要頂進(jìn)參數(shù)對(duì)比

（2）嚴(yán)格控制管道接縫質(zhì)量。在頂進(jìn)過(guò)程中對(duì)每條焊縫長(zhǎng)度的100%超聲波探傷檢測(cè)，檢測(cè)合格方可繼續(xù)頂進(jìn)。

（3）頂進(jìn)參數(shù)控制。開(kāi)挖面泥水壓力設(shè)定的合理與否對(duì)控制地表沉降較為關(guān)鍵。理論上講，若泥水壓力與前方土體靜止土壓力相當(dāng)，則周圍土體受到的擾動(dòng)微小，地表沉降不易發(fā)生。在初始頂進(jìn)階段，泥水壓力的設(shè)定值介于上限值與下限值之間，為有效地控制軸線，初出洞時(shí)宜將壓力值適當(dāng)提高，同時(shí)加強(qiáng)動(dòng)態(tài)管理，及時(shí)調(diào)整。頂進(jìn)速度方面，在穿越高速階段，頂進(jìn)速度控制在1～2cm/min，進(jìn)排泥壓力控制在0.13MPa；而在正常頂進(jìn)階段，結(jié)合實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際泥水壓力的設(shè)定結(jié)合地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等及時(shí)做調(diào)整。嚴(yán)格控制出泥量，防止超欠挖，正常情況下出泥量控制在理論出泥量的98%。

（4）注漿壓力和注漿量控制。在頂管頂進(jìn)過(guò)程中，以適當(dāng)?shù)膲毫?、必要的注漿量和基于合理配比的壓漿工藝在管道周圍環(huán)形空隙中進(jìn)行同步注漿，管外壁形成完整的泥漿潤(rùn)滑套，既能減小摩擦阻力，又能起到控制或減小地面沉降的作用。再者，定時(shí)對(duì)管道沿線依次補(bǔ)漿，避免管外壁出現(xiàn)背土現(xiàn)象。相關(guān)參數(shù)設(shè)定如下。

①注漿壓力。注漿壓入口的壓力應(yīng)稍大于該處的靜止水土壓力。注漿壓力不宜過(guò)大，防止管節(jié)背后土層受到劈裂擾動(dòng)進(jìn)而造成過(guò)大的后期沉降與跑漿；然而注漿壓力過(guò)小，則漿液充填緩慢，初期沉降較大。實(shí)際施工過(guò)程中，注漿壓力多取為1.1～1.2倍的靜止水土壓力。

②注漿量。理論每米注漿量為0.14m3，但鑒于頂管糾偏、跑漿和漿料失水收縮等因素，實(shí)際注漿量一般取理論用量的3～5倍。

③漿液配比。為減少頂進(jìn)過(guò)程中觸變泥漿流失造成的地表沉降，觸變泥漿采用“厚漿”，使用優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土進(jìn)行泥漿配比，膨潤(rùn)土:水=1:5，比重約為1.6，采用專用高壓注漿機(jī)。

（5）施工監(jiān)測(cè)。在頂管穿越之前委托專業(yè)第三方監(jiān)測(cè)單位對(duì)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定，穿越施工期間根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)優(yōu)化調(diào)整頂進(jìn)施工參數(shù)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)在頂管上方及頂管兩側(cè)10米范圍內(nèi)布設(shè)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求及本工程的環(huán)境特點(diǎn)，在高速路肩及中央分隔帶布置16個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。具體布置情況如圖2所示。

圖2 地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

監(jiān)測(cè)周期自頂管施工開(kāi)始持續(xù)到頂進(jìn)施工后3個(gè)月沉降數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定為止。頂管施工前，完成監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)及初始數(shù)據(jù)的采集。頂管穿越高速過(guò)程中，監(jiān)測(cè)頻率為1次/2小時(shí)；頂管穿越高速后至貫通，檢測(cè)頻率1次/2天；施工完成后3個(gè)月內(nèi)，檢測(cè)頻率1次/7天。

（6）軸線控制。為確保頂進(jìn)軸線與設(shè)計(jì)軸線盡可能一致，減小糾偏量，進(jìn)而減少因糾偏引起的對(duì)周圍土層的剪切擠壓擾動(dòng)以及建筑間隙和地層損失。需要注意的是一次糾偏量不宜過(guò)大，否則可能造成超挖，影響周圍土體的穩(wěn)定，所以需要做到“勤測(cè)勤糾”。

（7）泥漿置換及水泥漿填充。

①泥漿置換。頂進(jìn)完成后，穿越段及時(shí)用緩凝泥漿置換原有的觸變漿液，置換用水泥漿采用PO52.5R水泥，以保證水泥漿早期強(qiáng)度的上升，避免地面沉降。

②水泥漿填充。頂管內(nèi)穿φ1800鋼管完成后，立即實(shí)施管道間空隙水泥漿填充，防止管道變形引起的地面沉降。

4 沉降控制分析

依據(jù)設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范要求，監(jiān)測(cè)控制值日變化量不超過(guò)3mm；單根頂管穿越高速完成后最大沉降值未超過(guò)4mm；雙線頂管穿越蘇嘉杭高速全程各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大沉降值均未超過(guò)6mm；監(jiān)測(cè)周期內(nèi)累計(jì)變化量不超過(guò)10mm。上述均未達(dá)到報(bào)警值，證明頂進(jìn)作業(yè)地表沉降控制良好。

5 結(jié)語(yǔ)

頂管穿越對(duì)高速公路的影響主要是施工過(guò)程中及施工完成后產(chǎn)生的路面沉降，若沉降過(guò)大，將對(duì)高速公路行車安全造成極大影響。針對(duì)該問(wèn)題，本文結(jié)合陽(yáng)澄湖引水頂管工程穿越常臺(tái)高速公路為例，在施工過(guò)程中考慮采取優(yōu)化管節(jié)設(shè)計(jì)和施工組織方案、控制頂管頂進(jìn)參數(shù)、合理設(shè)定注漿參數(shù)、實(shí)現(xiàn)全過(guò)程沉降監(jiān)測(cè)等技術(shù)措施，有效地控制了頂管施工沉降，達(dá)到了保護(hù)高速公路行車安全的目的。