下穿地鐵軌道頂管工程風險控制以及對周邊環(huán)境沉降影響分析

蔣海青

摘要 文章依托上海市梅隴基地雨、污水排水管網(wǎng)改造頂管工程，針對DN800鋼頂管穿越地鐵軌道及高架的復雜施工情況，對該項目進行“施工前分析—施工中控制—施工后總結(jié)”的項目管理方針。從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出：在上海軟土地層中，對于小口徑鋼頂管工程，當覆土深度達到5D以上時，頂管施工對上方地鐵軌道交通的影響可以忽略;施工前應采用一定的措施，在施工過程中時刻關注既有管線的運營情況，定時排摸、檢查，以免發(fā)生事故。

關鍵詞 頂管工程;下穿輕軌;沉降監(jiān)測;針對性措施

中圖分類號 U231.3 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）01-0177-05

0 引言

頂管施工作為一種成熟的非開挖手段，已被廣泛應用于地下管網(wǎng)及城市交通通道的建設中[1]。近幾年來，上海申通地鐵集團有限公司參與的多個地下工程中均涉及頂管工藝，如上海地鐵14號線靜安寺站、18號線一期工程周浦站3號出入口通道等。這些頂管工程往往在城區(qū)中心，周邊存在多個既有構(gòu)、建筑物，施工難度大、風險高，一旦發(fā)生事故，將會造成極大的經(jīng)濟損失和負面的社會影響。因此，針對頂管施工對周邊既有構(gòu)、建筑物的影響已經(jīng)成為業(yè)界討論的焦點。而作為建設管理單位，更應該需要對城市區(qū)域的頂管工程進行科學嚴謹?shù)墓芾砗涂刂?，一方面能夠保證質(zhì)量地完成工程建設目標，另一方面能夠盡可能地減小施工對周圍環(huán)境的負面影響。

向安田等[2]較早地對現(xiàn)場長距離大口徑頂管兩節(jié)頂進過程中頂力進行了現(xiàn)場實測，分析了頂力和頂程之間的相互關系。李耀良[3]對長距離曲線大直徑混凝土頂管頂力控制中的后靠背制作技術(shù)、中繼環(huán)施工和注漿減阻等進行了研究和探討。張鵬等[4]考慮管土接觸特性，采用協(xié)調(diào)表面Persson接觸模型分析了管土接觸角度和接觸壓力分布規(guī)律，推導出了相應定力計算公式。史培新等[5]以近期開通的港珠澳大橋拱北隧道管幕工程為例，研究了長距離大直徑曲線管幕的施工頂力，總結(jié)了曲線頂管頂力的主要組成及影響因素。邵光輝等[6]在考慮軸線偏差的情況下，推導出了鋼頂管允許頂力的計算方法。紀新博等[7]基于Staheli的圓形頂管拱頂豎向土壓力計算方法，推導出了含翼緣異形鋼頂管的拱頂豎向土壓力計算方法。

注漿減阻作為減小頂力、降低施工難度的一項措施，已被成功應用于頂管施工中，相關學者對其展開了研究。魏綱等[8]研究了注漿材料性能，對注漿過程中漿液-管道-土體相互作用機理進行了分析，探討了漿液滲流規(guī)律及土層移動響應。王雙等[9]進一步將泥漿套不同形態(tài)的影響引入到了頂管管壁摩阻力計算中，推導出了3種摩阻力計算公式，并與工程實測數(shù)據(jù)進行了對比驗證。葉藝超等[10]研究了減阻泥漿的觸變特性對于頂管頂力計算的影響，推導了頂力理論計算公式。針對越來越復雜的工況，王樂等[11]介紹了在復合地層條件下，大落差、大坡度、高水壓條件下的頂管注漿減阻工藝的成功應用。

頂管施工會產(chǎn)生擠土效應[12]，其對環(huán)境影響是目前學界和工程界的關注重點。施成華和黃林沖[13]基于隨機介質(zhì)理論，將頂管施工引起的地層變形視為一隨機過程，推導了土層變形計算公式。劉波等[14]對頂管穿越下覆既有地鐵隧道進行了數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗，重點模擬和檢測了隧道位移和地表隆沉情況。王譚和安關峰[15]采用有限元方法模擬頂管近距離側(cè)穿高架橋樁引起的樁體側(cè)移和地表沉降。

該頂管工程總長度僅為110 m，但同時穿越軌交1號線軌道、滬閔路高架兩座重要市政設施，一旦因頂管施工不當而引發(fā)事故，將會帶來巨大的經(jīng)濟損失。因此必須嚴謹科學地對該頂管工程進行風險管理，消除施工安全隱患，降低事故發(fā)生風險，最大限度地減小頂管開挖對周圍環(huán)境的影響。

1 工程概況

梅隴基地雨、污水排水管網(wǎng)改造工程位于上海市徐匯區(qū)，如圖 1所示。新建DN200至DN400污水管將梅隴基地內(nèi)污水接入虹漕南路現(xiàn)狀污水管道，其中過1號線及滬閔路高架采用DN800鋼頂管穿越，為該項目監(jiān)測施工段。該項目所用DN800鋼頂管總長度110m，埋深6.80～7.17m，中心標高0.20m。其中，①2灰黑色浜填土僅在擬建場地局部地段分布，層厚不均，僅在張家塘港底部分布，含半腐植物根莖、螺殼、石子等雜物，以灰黑色淤泥為主，有臭味，土質(zhì)極松軟。③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為頂管穿越土層，飽和，流塑，含云母及少量有機質(zhì)，夾薄層粉砂。局部粉砂含量較多，無搖振反應，稍有光滑，干強度中，韌性中，土質(zhì)不勻，屬高等壓縮性土。

場地屬于第四季正常沉積地區(qū)，根據(jù)土的結(jié)構(gòu)特征以及土的物理力學性質(zhì)指標等綜合分析，共劃分4個工程地質(zhì)層。各土層特性與特征自上而下描述如表1場地土層分布所示。

2 施工前分析——識別風險源

該工程位于上海市徐匯區(qū)城市密集區(qū)域，存在較多施工難題。項目開工前，針對該項目的工程環(huán)境條件，項目部召開項目專題討論會，針對該項目進行事前分析，總結(jié)出以下幾個施工難點，并提出針對性的預防措施：

（1）頂管穿越軌交1號線軌道、滬閔路高架及各類市政管線。對管線保護要求及沉降控制要求高。

該工程擬建頂管井位及管位，位于滬閔路-虹漕南路路口，管道由軌交梅隴基地內(nèi)始發(fā)自南向北橫穿滬閔路到達位于路口西北側(cè)接收井，沿線穿越軌交1號線軌道、滬閔路高架，多處各類管線，對于沿線道路、建（構(gòu)）筑物及各類管線保護、沉降控制要求高。

針對性措施：

1）在頂管施工方面，對其自身的周圍土體將產(chǎn)生擾動，使土體本身的強度發(fā)生變化和土體產(chǎn)生位移，從而導致地面沉降，同時波及頂管管道上方的地下管線及地上建筑物。頂管引起地層移動的因素主要有：頂管掘進機開挖面引起的土體變化;掘進機糾偏引起的土體變化;掘進機后面管道外周因注漿填充引起的土體變化;管道在頂進中與地層摩擦而引起的地層變化;管道接縫及中繼間接縫中泥水流失而引起的地層變化。上述的各種因素所引起的地層變化導致土體向開挖面及管道外周移動，從而引起地面沉降。

因此在該次工程中，頂管施工中需選擇合理的頂管掘進機，因其開挖面的穩(wěn)定進度高，杜絕采用敞開式和氣壓法頂管;同時要嚴格控制頂管注漿工藝，使管外壁形成良好的膨潤土泥漿套，減少管外壁于土體之間的擾動。

2）在開槽埋管施工方面，在施工前，首先對施工區(qū)域內(nèi)進行物探，確定既有管線的確切位置，并設明顯標志;施工時，在有管線處采用先人工開探坑，確保管線安全后再采用機械開挖人工配合開基槽;并對既然有管線采用工字鋼托底、撐、吊結(jié)合的方法進行管線加固，確保管線安全。

（2）頂管機進出洞難度大。該工程頂管管徑為DN800，管道覆土5.17～4.80 m，進出洞是頂管施工的關鍵工序，針對該標段頂管進出洞必須充分認識到施工風險，在頂管施工中，隨著管道的不斷向前延伸，頂管出洞口土體會不斷的沉降。

針對性措施：在該標段的地質(zhì)條件下，頂管出洞口均采用止水橡膠板裝置，加固區(qū)采用雙排Φ 600旋噴樁;洞門預埋注漿孔便于機頭出洞瞬間注入膨潤土漿液，確保機頭出洞的安全。

（3）交通組織工作復雜、難度大。該標段在虹漕南路（滬閔路-江安路）擬建的頂管井、檢查井及附屬收集管道均位于路口，部分路口的管道鋪設復雜覆蓋半個路口，且該區(qū)域路段道路附近居民密集，企事業(yè)單位多，社會交通量大。部分開槽埋管施工階段將對路口采取半封閉施工，對交通帶來影響，因此虹漕南路（滬閔路～江安路）上的檢查井及附屬收集管道開槽埋管施工計劃采取分段施工，每段管段鋪設完畢后，在確保安全和質(zhì)量的前提下盡快恢復路面，施工遇到交通高峰時段，在溝槽上方鋪設路基箱板，減輕因施工對道路及路口產(chǎn)生的交通壓力。

（4）涉及管線搬遷、臨排、掘路等協(xié)調(diào)工作多。該工程頂管工作井、開槽埋管等工作范圍內(nèi)涉及燃氣、通信、電力、污水、雨水、上水眾多管線的搬遷、翻排以及道路的掘路施工，施工需得到各類管線運營單位和政府職能部門的大力支持和配合，協(xié)調(diào)工作量大，任務重，因此，該標段的各類管線、道路交通協(xié)調(diào)工作是工程能否順利推進的關鍵。

針對性措施：我方將科學合理地設計各類管線搬遷、臨排方案，做到最大限度地降低對管線運營和居民生活的影響，同時，積極主動與各類管線、政府部門尤其是徐匯區(qū)政府進行溝通協(xié)調(diào)，取得相關單位的大力支持和配合，確保工程順利推進。

（5）該工程涉及的工藝多，施工面狹窄，平面布置難度高。該工程涉及頂管、牽拉管、鉆孔灌注樁、高壓旋噴樁、開槽埋管等眾多工藝，且施工面位于現(xiàn)狀道路、路口，施工面路面狹窄，可利用的場地受限，給施工現(xiàn)場的平面布置提出很高要求。

針對性措施：我方將根據(jù)現(xiàn)場道路和附近居民出行的實際情況，針對不同工藝和施工階段，充分利用整個施工過程中時間和空間的關系，對現(xiàn)場的平面布置進行動態(tài)、科學的調(diào)整，達到既能滿足施工工藝對場地的要求也能確保居民和社會車輛的正常出行。

經(jīng)過項目部討論，該項目重點風險主要為下方頂管開挖地層損失引起周邊地層擾動，從而容易對周邊各個既有構(gòu)、建筑物產(chǎn)生影響。因此，在開工前，建設管理單位計劃對該項目進行全方位的環(huán)境監(jiān)測，實施關注頂管開挖的影響，一旦監(jiān)測數(shù)據(jù)超過規(guī)定的警戒值，立即停止施工，并進行針對處理。

3 施工中控制——全方位環(huán)境監(jiān)測

3.1 監(jiān)測內(nèi)容

為了控制頂管開挖對周邊環(huán)境的影響，該次監(jiān)測主要針對以下幾個方面進行：

3.1.1 周邊管線豎向位移監(jiān)測

周邊管線監(jiān)測點共計68個，監(jiān)測時間從頂管工作井開挖施工開始，至頂管管道全線貫通結(jié)束。累計沉降警戒值為±10 mm。

3.1.2 周邊防汛墻豎向位移監(jiān)測

周邊防汛墻監(jiān)測點共計18個，監(jiān)測時間從頂管工作井開挖施工開始，至頂管管道全線貫通結(jié)束。累計沉降警戒值為±20 mm。

3.1.3 周邊建筑物測點豎向位移監(jiān)測

周邊防汛墻監(jiān)測點共計25個，監(jiān)測時間從頂管工作井開挖施工開始，至頂管管道全線貫通結(jié)束。累計沉降警戒值為±20 mm。

3.1.4 頂管穿越上方地鐵1號線軌道豎向位移沉降監(jiān)測

對于上方地鐵運營軌道的沉降監(jiān)測，委托上海申通地鐵維保公司負責，每日監(jiān)測頂管施工上方的地鐵軌道沉降變化，一旦不均勻沉降超過警戒值（5 mm），則監(jiān)測單位將立即發(fā)出警報。

3.1.5 頂管穿越上方滬閔高架路路面豎向位移沉降監(jiān)測

對于上方滬閔高架路路面的豎向沉降監(jiān)測，由交通主管部門負責實施監(jiān)控，一旦變形超過警戒值，則主管部門會立刻通知施工現(xiàn)場并告知建設單位。在該次施工全過程中，未見路面沉降報警。該次僅對前四項監(jiān)測數(shù)據(jù)進行梳理。

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)施工過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，自施工日期從2018年8月9日至9月6日的沉降數(shù)據(jù)如圖2所示。負值為豎向沉降，正值為豎向抬升。通過圖2分析可以發(fā)現(xiàn)，該次施工全過程中對周圍管線和構(gòu)、建筑物的影響均未超過報警值，在安全可控的范圍之內(nèi)。

3.2.1 周邊管線豎向沉降

該文選取靠近頂管上方范圍內(nèi)的6個監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)分析，討論在頂管頂進過程中管線豎向沉降的變化情況。通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，頂管開挖對于上方管線的豎向沉降具有一定的影響，且沉降具有一定的規(guī)律性。在頂管開挖初期，管線呈現(xiàn)急速下降趨勢，平均沉降趨勢為﹣0.12 mm/d，即管線以每天平均0.12 mm的趨勢不斷下沉，在8月29日之后，沉降趨勢逐漸趨于平穩(wěn)，并穩(wěn)定在一個范圍內(nèi)呈現(xiàn)波動狀態(tài)。

通過沉降曲線可以發(fā)現(xiàn)，頂管施工初期由于土層損失，導致開挖面上方既有市政管線產(chǎn)生一定擾動，因此管線在初期沉呈現(xiàn)較大的沉降變化趨勢;而隨著頂管開挖面不斷移動，監(jiān)測點不斷遠離開挖面后，土體逐漸達到新的平衡后，管道沉降逐步趨于穩(wěn)定。在實際施工過程中，并未發(fā)現(xiàn)既有市政管線因頂管施工導致的豎向沉降而產(chǎn)生破壞，這可能是由于多數(shù)市政管線為柔性結(jié)構(gòu)材料，能夠承受一定的位移變化。

3.2.2 防汛墻豎向位移

圖3為頂管開挖過程中周邊防汛墻沉降曲線，選取該防汛墻等距的5個監(jiān)測點進行分析，具體沉降曲線如圖所示。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，防汛墻的沉降變化速率更為明顯，平均達到﹣0.26 mm/d，即管線以每天平均0.26 mm的趨勢不斷下沉。但能夠較早的達到穩(wěn)定，最終各個監(jiān)測沉降數(shù)值基本穩(wěn)定在﹣4.0～﹣4.5 mm之間。

3.2.3 周邊建筑物沉降

在該次監(jiān)測過程中，監(jiān)測了頂管頂進路徑過程中周邊的既有居民樓和部分圍墻結(jié)構(gòu)。監(jiān)測結(jié)果如圖4，從整體上看，在開挖初始階段，周圍建筑物均出現(xiàn)小幅隆起，隨后逐漸發(fā)生沉降。但最終沉降值均在0.3 mm以內(nèi)，因此基本可以忽略頂管開挖的影響。由于該次周圍建筑物距離頂管開挖線路較遠，因此頂管施工產(chǎn)生的影響也相對較小。

3.2.4 地鐵1號線軌道豎向沉降

通過圖5監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，頂管開挖過程中，軌道沉降曲線整體上呈現(xiàn)波動狀態(tài)，波動區(qū)間在±0.3 mm以內(nèi)。該次頂管開挖線路與既有軌道呈垂直關系，頂管開挖截面最高點埋深為軌道下方6.80～7.17 m，頂管截面直徑為0.8 m，因此該工程頂管上方覆土深度較充足，因此下方頂管開挖對上方軌道的豎向位移影響很小。監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)生的波動可能是由于地鐵車輛運行而產(chǎn)生的振動影響。

4 施工后總結(jié)——結(jié)論與分析

該文基于上海市梅隴基地雨、污水排水管網(wǎng)改造工程，針對DN800鋼頂管穿越地鐵軌道及高架的復雜施工情況，對該項目進行“施工前、中、后”三個方面的把控，嚴謹科學地對該項目的風險進行事前分析，并在施工過程中清除施工安全隱患，降低事故發(fā)生風險，最大限度地減小頂管開挖對周圍環(huán)境的影響。通過采取的各項針對性措施以及施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果，作者針對該項目進行回顧總結(jié)，在施工管理方面梳理以下幾點結(jié)論：

（1）該次DN800的鋼頂管管道位于上海軌道交通1號線下方6.80～7.17 m，根據(jù)地鐵監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，鋼頂管頂進過程中對上方軌道沉降變化影響較小。可見對于DN800的小口徑鋼頂管，在上海軟土地層中，當覆土深度達到5D以上時，對上方地鐵軌道交通的影響可以忽略。

（2）該工程頂管施工穿越軌交1號線、滬閔路高架及公共管線。因此對頂管施工過程中對上方地表的沉降控制要求高。在開工之前，需要針對工程的風險源進行分析，找出合理的解決方案和針對性措施，預防事故發(fā)生，并在施工過程中注意對周圍管線和既有構(gòu)筑物的實時監(jiān)測。

（3）從該工程監(jiān)測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，頂管開挖對既有的市政管線影響最大，因此應注重在施工過程中對既有市政管線的保護。在施工前應采用一定的保護、加固措施，在施工過程中時刻關注既有管線的運營情況，定時排摸、檢查，一旦發(fā)現(xiàn)異常應及時處理解決，以免發(fā)生事故。

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