富水軟弱地層中超大斷面矩形頂管施工地表沉降控制技術(shù)研究

殷湘艦，蔚寧哲，周意紅

（1.天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司，天津 300051；2.中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司，廣東 深圳 518052；3.中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，天津 300308）

1 引言

近些年，隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，大氣污染形勢(shì)日益嚴(yán)峻，環(huán)境友好型的施工方法凸突顯優(yōu)勢(shì)。頂管施工技術(shù)作為綜合管廊發(fā)展的一個(gè)分支，因其對(duì)環(huán)境、交通、管線影響小、在城市地下人行通道、車(chē)行通道及出地鐵出入口的建設(shè)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。日本的久保國(guó)敏和、川和一成等在矩形頂管（盾構(gòu)）的施工報(bào)告中表明，與圓形頂管相比，矩形頂管具有空間利率高、覆土相對(duì)較淺、節(jié)約建設(shè)成本等特點(diǎn)[1-4]。天津市新八大里地區(qū)過(guò)城市快速路地下人行通道頂管工程，為天津首例在富水軟弱地層中應(yīng)用大斷面異矩形頂管的隧道工程，無(wú)可借鑒的施工經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)分析得出，引起地面變形的誘因主要是地層損失和切削擾動(dòng)，在施工中探索，總結(jié)出了減摩注漿、管片外腔注（紅）泥、合理確定頂管機(jī)各項(xiàng)參數(shù)等技術(shù)措施，為以后類(lèi)似地區(qū)頂管施工的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)控制提供借鑒和參考。

2 引用工程實(shí)例簡(jiǎn)介

2.1 工程概況

本工程屬天津市新八大里地區(qū)配套地下工程項(xiàng)目，位于天津市河西區(qū)；過(guò)某快速路地下人行通道長(zhǎng)92.6 m，線型為直線，無(wú)縱坡，覆土厚度8.17 m，通道上方為城市快速路，道路寬度66.5 m，車(chē)流量大、交通繁忙。通道上方管線眾多，一共有22 條管線，距離頂管隧道最近的無(wú)壓管道為φ1 650 mm 的雨水管。該通道使用土壓平衡式頂管機(jī)施工，管節(jié)采用C50P12鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，斷面寬度10.4 m、高度7.55 m，管節(jié)寬度1.5 m，厚度700 mm，矩形管節(jié)之間的縱向連接采用承插式F形接頭。每環(huán)管節(jié)分別埋設(shè)減摩注漿孔、打泥孔、二次注漿孔、吊裝孔。管節(jié)預(yù)埋件布置如圖1 所示。

圖1 管節(jié)預(yù)埋件布置圖

2.2 水文地質(zhì)情況介紹

地下通道自上而下分布的土質(zhì)分別為：①1雜填土、②2素填土、③1黏土、④1黏土、⑥2淤泥質(zhì)黏土、⑥3粉土、⑥4粉質(zhì)黏土、⑦粉質(zhì)黏土、⑧1粉質(zhì)黏土、⑧2粉土、⑨1粉質(zhì)黏土和⑨2粉砂。

隧道主要穿越⑥3粉土、⑥4粉質(zhì)黏土。地表主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1 所示。

表1 地層土的物理力學(xué)指標(biāo)表

3 地表變形原因分析

美國(guó)著名學(xué)者Peck[5]認(rèn)為地層變形是由地層損失造成的。預(yù)測(cè)公式為：

式中，Smax為隧道軸線地表最大沉降量，m；S(x)為距軸線x 處的地層沉降量，m；Vi為單位長(zhǎng)度地層損失量，m3/m；x 為距軸線距離，m；i 為沉降槽寬度系數(shù)，m。

查詢相關(guān)文獻(xiàn)[6-10]，并結(jié)合天津地區(qū)富水軟弱地層特性，初步分析，超大斷面頂管工程地表沉降的主要原因?yàn)椋海?）頂管中管道外周形成空隙所引起的地層損失是產(chǎn)生地表和管線沉降的主要因素；（2）由于頂管機(jī)及管節(jié)姿態(tài)偏差較大，管節(jié)因偏心受壓存在縱向曲折，從而引起作用于管節(jié)外壁上的地層抗力，隨著頂進(jìn)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，管節(jié)的撓曲曲率越大，這部分土體受到的剪切擾動(dòng)就越大，相應(yīng)的地層損失就越大；（3）由于機(jī)頭的切削作用，對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)作用，在原有應(yīng)力和附加應(yīng)力的共同作用下，引起土體變形；（4）頂管隧道洞口止水裝置的失效導(dǎo)致的土體塌陷或是管節(jié)接口處質(zhì)量不合格導(dǎo)致的周?chē)馏w流入隧道等不正常的地層損失引起的地面沉降。

4 地面變形控制技術(shù)措施

4.1 頂管機(jī)機(jī)頭增加帽檐設(shè)計(jì)

結(jié)合以往的頂管設(shè)計(jì)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，頂管機(jī)頭刀盤(pán)上方在長(zhǎng)距離頂進(jìn)過(guò)程中容易產(chǎn)生“背土”現(xiàn)象，這種“背土”現(xiàn)象會(huì)引起地面隆起或沉降。本工程頂管機(jī)在制造時(shí)通過(guò)在頂管機(jī)前上殼體，臨近刀盤(pán)90 cm 范圍內(nèi)設(shè)置帽檐，帽檐厚度1 cm。在設(shè)備上增加帽檐，可以杜絕背土現(xiàn)象。

4.2 觸變泥漿注入

施工中可以持續(xù)不斷均勻地注入觸變泥漿，起到潤(rùn)滑減阻和支撐地層的作用，同時(shí)，可以向地層損失較大的地方注入紅泥以抵抗地面及管線的沉降。頂管機(jī)和管節(jié)均設(shè)DN25 mm注漿孔，通過(guò)高壓軟管將所有注漿孔進(jìn)行串聯(lián)，頂管頂進(jìn)時(shí)在頂管機(jī)部位持續(xù)壓注觸變泥漿填充管道的外周空隙，以支撐地層、減少地層損失、控制地面沉降和減少頂進(jìn)阻力。必須遵循“隨頂隨壓、逐孔壓漿、漿量均勻、漿壓適宜”的原則。

4.3 土砂泵打泥（土）控沉

根據(jù)軟土地層較難控制沉降的特性，以及頂管工程正態(tài)分布沉降槽特性(Peck 曲線）[11]，在1～5 環(huán)每環(huán)的0 點(diǎn)、3 點(diǎn)、6 點(diǎn)、9 點(diǎn)鐘方向預(yù)埋DN100 mm 管，第5 環(huán)以后每環(huán)0 點(diǎn)方向預(yù)埋DN100 mm 管。隨著頂管機(jī)繼續(xù)頂進(jìn)，后續(xù)管節(jié)經(jīng)過(guò)地層仍在繼續(xù)發(fā)生地層損失，從而帶來(lái)地表變形。通過(guò)持續(xù)的地表監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，注入觸變泥漿不能有效地控制地層沉降，在此情況下，向變形超過(guò)一定范圍（沉降超過(guò)控制沉降值的70%）的區(qū)域所代表的管節(jié)注入紅泥，以減少地層損失，用土砂泵將提前拌制好的紅泥通過(guò)頂部DN100 mm 孔注入，以填充損失的地層減少地面變形。

4.4 頂管及管節(jié)姿態(tài)控制

1）在始發(fā)處設(shè)置激光經(jīng)緯儀，同時(shí)在矩形盾構(gòu)頂管內(nèi)設(shè)置導(dǎo)向靶。通過(guò)激光在導(dǎo)向靶上的投射斑點(diǎn)的位置來(lái)判斷矩形頂管的當(dāng)前姿態(tài)。

2）由于始發(fā)導(dǎo)軌距離破除地連墻后加固體2.5 m，為確保頂管機(jī)始發(fā)前進(jìn)過(guò)程中不出現(xiàn)栽頭現(xiàn)象，需在洞門(mén)地連墻破除完成后，于結(jié)構(gòu)側(cè)墻靠近地連墻的一側(cè)安裝延長(zhǎng)導(dǎo)軌，延長(zhǎng)導(dǎo)軌標(biāo)高同始發(fā)導(dǎo)軌，并與側(cè)墻內(nèi)側(cè)預(yù)埋鋼圈焊接牢固。

3）頂管機(jī)機(jī)頭與首節(jié)管節(jié)一圈，采用鋼板滿焊的方式進(jìn)行剛性連接，使頂管機(jī)與管節(jié)形成一個(gè)整體，運(yùn)動(dòng)軌跡保持一致，減少對(duì)土體的擾動(dòng)。每環(huán)管節(jié)在拼裝完成后，該環(huán)管節(jié)與前一環(huán)管節(jié)之間采用4 根大螺桿拉緊連接，避免出現(xiàn)因管節(jié)自重和地下水浮力導(dǎo)致管節(jié)出現(xiàn)下沉或上浮，對(duì)地層產(chǎn)生二次擾動(dòng)，增加地表的變形量。

4）推進(jìn)過(guò)程中實(shí)時(shí)關(guān)注導(dǎo)向測(cè)量系統(tǒng)，適時(shí)啟動(dòng)糾偏系統(tǒng)油缸。糾偏油缸共16 臺(tái)，每臺(tái)200 t 頂力，行程220 mm，可用于水平、垂直糾偏，糾偏原則為：勤糾、微糾，參照趨勢(shì)進(jìn)行糾偏，先上下、后左右。

4.5 渣土改良

針對(duì)不同地層采用1 種或多種復(fù)合改良劑進(jìn)行渣土改良，使改良后的渣土具有塑性、流動(dòng)性、止水性，并填滿整個(gè)土倉(cāng)，避免土倉(cāng)出現(xiàn)虛壓，且保證2 個(gè)螺旋機(jī)均衡、連續(xù)出土，確保頂管機(jī)順利頂進(jìn)，地表變形可控。

主要使用膨潤(rùn)土進(jìn)行改良，膨潤(rùn)土改良采用一級(jí)鈉基膨潤(rùn)土，該膨潤(rùn)土具有起漿快、造漿率高、濾失低、潤(rùn)滑好等特點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得出渣土改良漿液配比（質(zhì)量比）為，膨潤(rùn)∶水=1∶4，注漿量為改良土體的30%～50%，注漿壓力0.2～0.4 MPa。

渣土改良漿液在頂進(jìn)過(guò)程中“隨頂隨注、不頂不注”，確保其在頂進(jìn)過(guò)程中充滿整個(gè)土倉(cāng)。注入過(guò)程中隨時(shí)觀察螺旋機(jī)出土狀況，及時(shí)調(diào)整漿液注入量。渣土改良較好土體呈牙膏狀，具有很好的塑性、流動(dòng)性和止水性。

4.6 洞門(mén)增設(shè)外延鋼箱

為了防止始發(fā)推進(jìn)時(shí)，泥土、地下水從土壓平衡矩形頂管殼體與洞門(mén)的間隙處流失，在始發(fā)時(shí)需安裝洞門(mén)臨時(shí)密封裝置。洞口采用2 道折葉式密封壓板和2 道簾布橡膠板組成的外延鋼箱進(jìn)行密封，將中間止水鋼環(huán)預(yù)留的注漿管進(jìn)行管路并聯(lián)，每個(gè)管口設(shè)置閥門(mén)，管路末端設(shè)置總閥門(mén)，配置壓力泵，鋼箱上預(yù)埋注漿球閥，采用壓力泵向2 道簾布橡膠與頂管機(jī)形成的空腔內(nèi)注入惰性漿液，起到防水密封的作用。

5 工程實(shí)例應(yīng)用效果

本工程頂管順利貫通，頂進(jìn)過(guò)程及完工，地面變形最大為-25.3 mm，滿足控制值+10～-30 mm 的要求，如圖3 所示，軸線偏差小于10 mm，標(biāo)志超大斷面矩形頂管在天津富水軟弱地層中首次運(yùn)用成功，具有劃時(shí)代的意義，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

圖3 貫通后隧道縱向（Y）地表沉降曲線

1）經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)上述地表沉降控制技術(shù)，可以降低地層土體損失，減小地表變形，保證交通的正常運(yùn)行，避免因地表沉降出現(xiàn)交通癱瘓的狀況。

2）社會(huì)效益。在天津地區(qū)富水軟弱地層首次應(yīng)用超大斷面矩形頂管的施工工程中，地表變形控制到位，快速、安全、高效，開(kāi)創(chuàng)了富水軟弱地區(qū)應(yīng)用大斷面頂管施工的先河，為后續(xù)類(lèi)似工程施工積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，該工程入圍ITA（世界隧道及地下空間協(xié)會(huì))2018 年度地下空間開(kāi)發(fā)應(yīng)用創(chuàng)新獎(jiǎng)。

6 結(jié)論

1）經(jīng)本工程實(shí)踐證明，在加注觸變泥漿還不能有效地控制地層沉降的情況下，有針對(duì)性地對(duì)向變形超過(guò)一定范圍（沉降超過(guò)控制沉降值的70%）的區(qū)域所代表的管節(jié)注入紅泥，對(duì)控制地面沉降有明顯的作用。

2）在設(shè)備上增加帽檐后，能有效地杜絕背土現(xiàn)象，可以使觸變泥漿完全填充空隙，減少管機(jī)與土體之間的不均勻摩擦，減少對(duì)土體的擾動(dòng)，從而降低地層損失。

3）由于大直徑頂管機(jī)機(jī)頭重達(dá)幾百噸，為了使頂管機(jī)與管節(jié)形成一個(gè)整體，運(yùn)動(dòng)軌跡保持一致，減少對(duì)土體的擾動(dòng)。采用頂管機(jī)與首節(jié)管節(jié)一圈采用鋼板滿焊的方式進(jìn)行剛性連接，并采取大螺桿拉緊連接管節(jié)的措施，對(duì)控制頂管機(jī)、管節(jié)姿態(tài)及地面沉降十分重要。

4）頂管隧道洞門(mén)一直處于持續(xù)始發(fā)狀態(tài)，滲漏水風(fēng)險(xiǎn)極高，一旦發(fā)生滲漏水將引起地面沉降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)煌òc瘓，造成重大的社會(huì)影響。在始發(fā)洞門(mén)處采用增加外延鋼箱+2 道簾布橡膠板，并在空腔內(nèi)注入持續(xù)惰性漿液可達(dá)到洞門(mén)動(dòng)態(tài)防水的目的。