泥水平衡頂管下穿既有干道地表沉降因素分析與控制措施

盛洪峰

（中交水利水電建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315200）

0 引言

開挖工程中，道路下方的淤泥地層無形中加大了施工難度，而非開挖泥水平衡頂管頂進(jìn)施工就具有較大的技術(shù)優(yōu)勢，但是頂管下穿部分河道、交通干道會(huì)引起線路沉降。泥水平衡頂管頂進(jìn)施工技術(shù)主要依托土壓力和水力學(xué)理論，采用的是“小盾構(gòu)”技術(shù)原理[1]。施工過程中的支護(hù)力主要由頂管機(jī)外殼提供，頂管機(jī)借助泥水壓力平衡土層及地下水壓力，進(jìn)而控制地面沉降，并通過泥水等介質(zhì)實(shí)現(xiàn)棄土輸送。本文依托桐鄉(xiāng)市西部飲用水源保護(hù)建設(shè)工程，對淤泥質(zhì)土地層中頂管下穿既有交通干道所致道路沉降的影響展開預(yù)測和分析，并在具體施工過程中對相關(guān)頂進(jìn)施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可為類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

桐鄉(xiāng)市西部飲用水源保護(hù)建設(shè)工程濕地區(qū)開挖土方271.7萬m3，回填土方292.1萬m3；原水管線區(qū)開挖土方35.9萬m3，回填土方27.2萬m3；土方工程工作量大，工期緊。設(shè)計(jì)回填土方斷面型式多樣、土方造型種類多，不利于大規(guī)模流水作業(yè)。工程區(qū)多為退養(yǎng)魚塘，淤泥質(zhì)土居多，開挖后無法用于后期回填，土體含水量大，回填質(zhì)量難以保證。原水管線工程頂管穿越河道，采用沉井構(gòu)造工作井、泥水平衡式頂管施工工藝。

該工程頂管頂進(jìn)施工機(jī)械主要使用TLM泥水平衡全封閉機(jī)械頂管掘進(jìn)機(jī)，外形尺寸為10420mm×7520mm×5700mm（長×寬×高），大小刀盤組合共6組，直徑為4160mm的3只大刀盤前置，直徑為3350mm的3只小刀盤后置；30 臺糾偏油缸的單缸推力最大可達(dá)200t，公稱壓力為31.5MPa；4 只脫管油缸的最大單缸推力也為200t，公稱壓力與糾偏油缸相同；配備2 臺功率2×37kW、直徑670mm、最大排土量120m3/h的螺旋式出土機(jī)。頂管則選用公稱直徑為1200mm、長度為2000mm、壁厚為120mm 的F 型鋼承口式鋼筋混凝土管材，并配合使用楔形橡膠圈，內(nèi)口密封則通過聚氨酯密封膏嵌縫處理，內(nèi)嵌密封后確保頂進(jìn)鋼套管公稱直徑達(dá)到1000mm。

2 地層沉降的模擬分析

為構(gòu)建模型，假設(shè)開挖面土體所承受的推力屬于圓形均布荷載[2]，并根據(jù)頂管機(jī)頭泥水艙實(shí)測壓力取值；結(jié)合實(shí)際監(jiān)測資料，頂管機(jī)頭位于模型范圍內(nèi)時(shí)，泥水艙實(shí)際壓力取0.18MPa，且頂管推進(jìn)期間僅考慮頂進(jìn)空間距離的影響，而忽略土體的時(shí)間效應(yīng)，所以頂管壁和周圍土體間的摩阻力便主要沿管道長度方向均布。結(jié)合頂力-頂程曲線，頂管機(jī)頭穿過模型范圍時(shí)，實(shí)際摩阻力可達(dá)到2.0kPa。結(jié)合工程實(shí)際，構(gòu)建分析模型，沿頂管軸線方向及橫向的長度分別為70m和66m，以天然地表為上表面，上下表面相距40m，管線水平方向、豎直方向曲率半徑分別取500m 和700m，有限元模型具體如圖1所示。

圖1 有限元模型

針對所構(gòu)建的有限元模型，其各邊界均采用位移邊界條件，上表面為自由邊界，下表面施加豎向位移約束，剩余表面施加法向位移約束[3]。

2.1 地層沉降受摩阻力的影響

在頂管施工的過程中，黏性土對頂管外壁所產(chǎn)生的摩阻力通常為20～30kPa，如果將膨潤土泥漿填充在管道外壁與土體之間，則可大大降低頂管頂進(jìn)阻力，并能有效控制施工對土體的擾動(dòng)及施工引起的地表沉降。當(dāng)所填充的膨潤土量恰好能分隔開頂管外壁和土體，便能形成一種“泥漿套”，將頂管所承受的摩阻力降至最低，此時(shí)頂管中心地面所對應(yīng)的沉降量最大，2mm的地面最大隆起量位于掌子面前10m 處，該結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)基本一致。此外，注漿點(diǎn)位、實(shí)際注漿量及注漿壓力等均對“泥漿套”的厚度和質(zhì)量存在一定程度影響[4]。頂管外壁摩阻力與地表橫向變形的關(guān)系具體見圖2。

圖2 不同頂管外壁摩阻力下地表橫向變形曲線

2.2 地層沉降受土體抗力的影響

頂管頂進(jìn)過程中管道橫向變形受到土體抗力的影響較大，但縱向變形幾乎與土體抗力無關(guān)。在土體抗力的作用下，地表橫向變形并不是沿頂管軸線對稱分布，外側(cè)地表土體變形量明顯比內(nèi)側(cè)地表土體變形量小，且這種差距隨抗力的增大而增大。此外，最大地表沉降量也并非位于頂管軸線正上方，而是分布在頂管曲線圓心側(cè)。

2.3 機(jī)頭壓力的影響

地表隆起值與機(jī)頭壓力呈正相關(guān)關(guān)系，且最高隆起點(diǎn)一般位于機(jī)頭附近。從縱向看，隨著機(jī)頭壓力的增加，其前方土體隆起量增大，而機(jī)頭后方土體沉降量也隨之增大，但是沉降值遠(yuǎn)比隆起值小，兩者的變動(dòng)并未表現(xiàn)出規(guī)律性。從橫向看，最大沉降出現(xiàn)在頂管中心，機(jī)頭壓力并未對其正上方土體產(chǎn)生較大影響，且隨著機(jī)頭壓力的變化，其變形量基本不變，具體見圖3。

圖3 不同機(jī)頭壓力下地表橫向變形曲線

通過以上分析不難發(fā)現(xiàn)，頂管頂進(jìn)過程中地表沉降最大值并非出現(xiàn)在管道正上方，而是位于偏向頂管平面曲線圓心側(cè)，至于偏移的距離主要取決于頂管平面曲線半徑，一般情況下，頂管曲線半徑越小，則偏移距離越大。頂管管壁外側(cè)增設(shè)連續(xù)的“泥漿套”也能對頂進(jìn)過程中地表沉降起到一定程度的抑制作用，且“泥漿套”越完整，頂管頂進(jìn)施工所引起的地表沉降越小。隨著頂管機(jī)機(jī)頭壓力的增加，其前方土體會(huì)持續(xù)發(fā)生較大變形，機(jī)頭前方和正上方土體的變形量基本不會(huì)隨機(jī)頭壓力的變化而變化，而機(jī)頭后方土體沉降量和隆起值隨機(jī)頭壓力的增加而增大，沉降量降速也更快[5]。此外，注漿壓力也是影響頂管頂進(jìn)施工過程中既有干道沉降的一個(gè)因素，在其他條件不變的情況下，隨著注漿壓力的增大，地表沉降呈不斷減小趨勢，但是當(dāng)注漿壓力超出0.2 MPa后，地表還會(huì)同時(shí)出現(xiàn)隆起。

根據(jù)有限元分析，并結(jié)合該工程頂管頂進(jìn)過程中既有干道沉降控制要求，應(yīng)當(dāng)在頂進(jìn)施工時(shí)將頂管四周摩阻力控制在10kPa；機(jī)頭壓力不超出0.18MPa時(shí)，掌子面前方地面隆起量僅為1.0mm。

3 既有干道沉降估算

在有限元分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用佩克半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行頂管頂進(jìn)施工過程中既有干道沉降槽深度和寬度等的估算[6]。頂管頂進(jìn)施工過程與盾構(gòu)隧道工作狀態(tài)較為接近，埋深越淺則對既有干道的影響也越大。測算過程中結(jié)合干線安全等級，取其最不利位置，此處頂管中心處設(shè)計(jì)埋深為9.7m。

式中：Smax——頂管中心線處既有干道沉降量最大值，mm；

Vs——沉降槽在單位長度段的體積，m3/m；

i——沉降槽寬度，也就是既有干道沉降槽曲線上反彎點(diǎn)至頂管中心軸線之間的水平距離，m；

Z——頂管中心到路床頂面之間的距離，m，取9.7m；

K——頂管頂進(jìn)影響系數(shù)，取0.282。

地層損失率為超出頂管開挖量理論值的體積VL與頂管開挖量理論值Vt之比，Vt取1.63m3/m。對于式（1）而言，在不考慮壓縮的情況下，Vs=VL。結(jié)合類似工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及該工程所在區(qū)域淤泥質(zhì)土力學(xué)特性，分別按照地層最不利和最有利的損失量情況進(jìn)行既有干道沉降量上下限確定，兩種情況下地層損失率分別取2.5%和0.5%。

將該工程相關(guān)參數(shù)代入式（1）和式（2），得到沉降槽寬度i=1.615m，Smax,有利=2.02mm，Smax,不利=10.09mm。根據(jù)工程所在區(qū)域地方交通管理部門相關(guān)文件，路基沉降位移日變化量和累計(jì)變化量應(yīng)分別不超出2mm/d 和10mm。結(jié)合以上分析及測算結(jié)果，頂管頂進(jìn)施工期間，既有干道日沉降量的控制值基本接近上限，如果將地層損失率嚴(yán)格控制在2%以內(nèi)，則沉降量累計(jì)值可基本滿足不大于10mm的要求。

4 沉降控制及結(jié)果監(jiān)測

4.1 既有干道沉降控制

對于頂管施工而言，通常通過人工方式啟閉注漿閥門以控制外部注漿過程，這種操作無法保證控制精度和施工時(shí)效，該工程施工過程中既有干道屬于正常運(yùn)行道路，對地面變形量的要求較高，因傳統(tǒng)的施工工藝無法保證頂進(jìn)穿越過程中水土壓力的動(dòng)態(tài)平衡[7]，而無法滿足施工控制要求。為此，該工程段采用自動(dòng)注漿頂管施工系統(tǒng)，通過加強(qiáng)注漿量的精確控制，避免既有干道出現(xiàn)沉降或隆起過大。再通過優(yōu)化試驗(yàn)段注漿施工參數(shù)，確保注漿過程的相對穩(wěn)定，每節(jié)管節(jié)設(shè)置有12 個(gè)注漿孔，對應(yīng)設(shè)置12個(gè)自動(dòng)注漿控制閥。在頂管頂進(jìn)施工期間，各閥門依次開啟10s，并循環(huán)一圈，總注漿時(shí)間為2min，一次注漿量達(dá)到0.14m3。考慮到施工區(qū)域淤泥質(zhì)土滲透系數(shù)小，故將注漿壓力增大至0.30～0.35MPa。這種全自動(dòng)注漿系統(tǒng)的應(yīng)用即有效避免了人工操作可能產(chǎn)生的誤差，又使頂管外壁和周圍土體的摩阻力大大降低，有效控制施工過程中的地表變形。

在頂進(jìn)結(jié)束后，立即通過水灰比為0.45的純水泥漿置換膨潤土泥漿，置換后的注漿壓力控制在0.2～0.5 MPa，純水泥漿注漿量按照0.3m3/m確定。

4.2 控制結(jié)果監(jiān)測

為進(jìn)行頂管頂進(jìn)施工期間以上應(yīng)對措施實(shí)施后既有干道沉降監(jiān)測，在頂管施工范圍外3.0m、頂管中心軸線上方、頂管頂進(jìn)范圍外緣等處分別設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，根據(jù)頂進(jìn)距離進(jìn)行頂進(jìn)施工前后沉降情況的分析。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，在頂管頂進(jìn)至各沉降監(jiān)測點(diǎn)前10m 的位置時(shí)，各監(jiān)測點(diǎn)均受到一定程度的影響，監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生較大波動(dòng)；而當(dāng)頂管穿越相應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)后，沉降監(jiān)測結(jié)果表現(xiàn)出逐漸穩(wěn)定趨勢。通過分析頂管中心軸線監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，其沉降量結(jié)果明顯比其他位置大，沉降量為7.1mm，隆起量為7.4mm，待頂管穿越后沉降量和隆起量監(jiān)測值均回落，待頂管中心軸線監(jiān)測點(diǎn)處監(jiān)測結(jié)果趨于穩(wěn)定后，其沉降量和隆起量分別為6.2mm和5.8mm。頂管頂進(jìn)施工邊緣位置沉降量和隆起量最大值分別為4.1mm 和7.0mm。頂管頂進(jìn)范圍以外3.0m 處的監(jiān)測點(diǎn)所測得的結(jié)果顯示，沉降量和隆起量最大值分別為6.0mm 和7.2mm，且均在頂管穿越后趨于回落。在泥水平衡頂管頂進(jìn)施工過程中土壓力波動(dòng)始終控制在±20kPa范圍內(nèi)，根據(jù)沉降量的監(jiān)測結(jié)果，沉降控制措施實(shí)施后對既有干道沉降有較好的控制效果。

5 結(jié)束語

綜上所述，在淤泥質(zhì)地層中采用泥水平衡頂管頂進(jìn)下穿既有干道時(shí)，必須加強(qiáng)地層損失控制，通過優(yōu)化頂進(jìn)施工參數(shù)，加強(qiáng)施工過程控制，確保累計(jì)沉降量不超出控制值。根據(jù)有限元分析結(jié)果以及沉降監(jiān)測結(jié)果，在控制頂管施工所致既有干道沉降方面，隨頂管頂進(jìn)施工，同步注膨潤土泥漿對于減少和控制路床沉降有較好效果，待頂進(jìn)結(jié)束后，通過純水泥漿置換膨潤土泥漿，可使既有干道沉降趨于收斂穩(wěn)定。