復(fù)合地層中頂管引發(fā)路面沉陷的分析及修復(fù)措施

高程鵬 顧詩意 謝欣

上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司 200092

引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展與城市化的推進，市政管道經(jīng)常會面臨需要穿越大量現(xiàn)狀管線、房屋、道路等現(xiàn)狀建（構(gòu)）筑物的問題，暗挖工法成為解決這一問題的有力途徑。在諸多暗挖工法中，頂管法以其管徑適用范圍廣、地質(zhì)條件適應(yīng)性強、技術(shù)成熟等優(yōu)點，成為城市管道建設(shè)和改造的主要手段［1-3］。

然而在工程實踐中，遇到復(fù)雜地質(zhì)條件或施工參數(shù)控制不合理時，頂管施工可能會引起較大的地表沉降，從而引發(fā)工程安全風險事故。例如，王義等［4］分析了大直徑頂管在高含水松散粉細砂層中頂進時引發(fā)地層塌陷的工程實例。馬清杰等［5］采用數(shù)值方法模擬分析了淺埋頂管在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層中穿越城市主干道產(chǎn)生的地面沉降變形，提出控制側(cè)摩阻力是控制沉降的有效方法。魏綱等［6］通過合并已有的Peck 公式、Sagaseta公式和Loganathan 公式，提出可以計算頂管施工導(dǎo)致土中任一點沉降的通用經(jīng)驗公式。賀雷等［7］基于理論計算和對監(jiān)測數(shù)據(jù)的擬合，修正了砂礫地層中頂管施工產(chǎn)生的地面沉降預(yù)測Peck公式，提出了針對砂礫地層的沉降槽寬度系數(shù)。

以往學(xué)者的分析對象多是在均勻地層中頂管施工的工程案例，而針對在上軟下硬的復(fù)合地層中頂管施工的案例分析及處置措施較少。工程設(shè)計人員會盡量避免使頂管在兩種或多種地層交界面上穿越，但當?shù)貙悠鸱^大時，復(fù)合地層中的頂管掘進往往也是不可避免的。

本文基于某頂管工程在上軟下硬復(fù)合地層中，穿越現(xiàn)狀高速公路時引起路面大幅沉陷和嚴重開裂的工程事故案例，對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與地質(zhì)鉆探成果進行分析，并結(jié)合有限元數(shù)值模擬手段，研究高速公路的沉降特征、沉降原因，并有針對性地提出高速公路的應(yīng)急處置措施與永久修復(fù)措施，為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

擬建某原水管道工程，管道直徑為2×DN1800鋼管，在穿越高速公路段采用先頂鋼筋混凝土套管后內(nèi)穿鋼管的形式對原水管道進行保護。鋼筋混凝土套管內(nèi)徑2400mm，外徑2860mm，雙管管中心間距5.8m。頂管段長度約100m，其中穿越高速公路路基段長度約38m。圖1 所示為本工程頂管段的地質(zhì)剖面圖，從中可以看出，本工程中地質(zhì)分布較復(fù)雜，土層及巖層分界面以豎向界面居多。其中，上層粉質(zhì)黏土中含有角礫、碎石等，母巖成分為強風化泥灰?guī)r。下層泥灰?guī)r巖面起伏較大，且強風化與弱分化分布不均，強風化巖風化裂隙發(fā)育，巖體極破碎，遇水極易軟化。

圖1 頂管穿越高速段地質(zhì)剖面Fig.1 Geological profile of the pipe jacking through the highway section

頂管從東往西頂進，從始發(fā)井中頂出后，管道在③4-2強風化硅質(zhì)頁巖及②5-1含角礫粉質(zhì)黏土中頂進；在進入高速公路西側(cè)路基下方時，管頂局部進入巖土分界面，上層為②4-2可塑粉質(zhì)黏土，下層為③1-3中風化泥灰?guī)r。在路面沉陷發(fā)生位置處，管頂?shù)闹酗L化巖層厚度為0.8m～1.6m。在高速公路下方，路基到頂管管頂距離約13.66m（約4.6 倍頂管外徑）。由此可知，頂管基本上是在上土下巖的復(fù)合地層中頂進，且?guī)r土層基本上都有遇水易軟化特性。

本工程采用兩臺泥水平衡頂管機，一前一后同步頂進，北側(cè)頂管先行。高速公路路基段寬度38m，為避免雙管頂管同時穿越高速公路，前后頂管之間的距離約40m，以減小雙管間相互影響。

在北側(cè)頂管頂進過程中，高速路面未發(fā)現(xiàn)異常沉降。而在北側(cè)頂管已頂入接收井、南側(cè)頂管機頭位于高速公路東側(cè)道路排水溝下方時，施工單位發(fā)現(xiàn)高速公路由北向南的行車道上，在頂管管道上方發(fā)生明顯沉降，一日后最大沉降量達到約30cm，沉陷平面面積約160m2，沉降區(qū)域覆蓋至應(yīng)急車道、行車道及超車道。同時，在沉降區(qū)域中，行車道至超車道路面出現(xiàn)兩條明顯裂縫，裂縫垂直于頂管頂進方向，最大裂縫寬度約6mm，路面上已出現(xiàn)明顯沉降槽。圖2 所示為高速公路路面沉陷平面范圍。

圖2 頂管過程中高速公路沉陷范圍平面圖Fig.2 Plan of ground subsidence area during pipe jacking

根據(jù)高速路面高程的實測數(shù)據(jù)得到沉降三維曲線如圖3 所示。從圖中可以看出，路面出現(xiàn)明顯的U型沉降槽，最大沉降發(fā)生在南側(cè)頂管中心上方，最大沉降量約30cm，地面沉陷總體積約18m3。同時，南側(cè)的沉降量大于北側(cè)，行車道及超車道上的沉降量大于路肩護欄處的沉降量。

圖3 路面沉降三維曲線Fig.3 Three-dimensional curve of ground subsidence

2 路面沉陷原因分析

高速公路沉陷發(fā)生后，勘察單位在沉陷區(qū)域補設(shè)了三個地質(zhì)鉆孔進行補充勘察，補勘鉆孔的平面位置見圖2，補勘鉆孔的地質(zhì)剖面如圖4 所示。對比圖1 及圖4 可以看出，原地勘剖面中，管道上方為中風化～強風化泥灰?guī)r。在補勘斷面中，北側(cè)管道仍位于中風化巖中，故北側(cè)管道在通過高速公路時路面未發(fā)生異常沉降。而南側(cè)上方原強風化泥灰?guī)r已經(jīng)被軟化為軟塑～流塑狀的全風化泥灰?guī)r，全風化泥灰?guī)r上方為可塑粉質(zhì)黏土。鉆孔時取出的土樣表明，粉質(zhì)黏土層中含有較厚的流塑狀泥漿成分，經(jīng)地勘單位取樣分析判斷是頂管施工過程中使用的減阻觸變泥漿，由此可知，大量減阻觸變泥漿被壓入了粉質(zhì)黏土層中。

圖4 補充勘察鉆孔地質(zhì)剖面Fig.4 Geological profile of the supplementary survey

本工程頂管機頭采用泥水平衡機頭，當機頭進入高速公路西側(cè)路基下方時，頂管泥漿池液面曾降低約0.8m，泥漿流失量約20m3，與地面沉陷總體積18m3基本一致。事故發(fā)生前，機頭內(nèi)曾有過多次糾偏動作。事故發(fā)生時，頂管機頭偏離軸線且有向上抬頭的趨勢，進排漿系統(tǒng)工作正常，但刀盤下方接觸到泥灰?guī)r后電機功率提高，導(dǎo)致下部迎面阻力提高，實際迎面阻力大于泥水艙壓力。泥水艙壓力低于正常值，導(dǎo)致機頭上部的軟弱土層過量進入泥水艙，形成局部超挖，進一步加劇了機頭抬頭的趨勢。

綜上所述，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查與分析的結(jié)果，可以推測得到路面沉陷的原因如下：（1）在上土下巖段復(fù)合地層中，頂管機頭上方土體內(nèi)存在一定范圍的土洞，機頭泥漿大量流失進入空洞，造成泥水艙壓力降低，并進一步填充、軟化并擴大了土體空洞，形成了土體軟弱區(qū)；（2）頂管在經(jīng)過上述軟弱區(qū)時，上部軟弱土較易進入泥水艙內(nèi)，而下部密實的巖體不易破碎，導(dǎo)致上部土層過量切削，使機頭有向上抬頭的趨勢；（3）機頭糾偏動作進一步擴大了頂管周邊的土體軟弱區(qū)；（4）機頭通過后，機頭與管壁之間的空隙采用減阻觸變泥漿填充形成泥漿套。在注漿壓力作用下觸變泥漿侵入粉質(zhì)黏土層，降低了土體的物理力學(xué)性質(zhì)，使地表沉降加劇。現(xiàn)場鉆探結(jié)果表明，頂管施工中確實存在觸變泥漿入侵周邊地層的現(xiàn)象。

3 數(shù)值模擬分析

通過巖土分析軟件Midas GTS NX 對本工程中頂管掘進引起道路沉陷的過程進行了二維數(shù)值模擬，數(shù)值模型如圖5 所示。模型寬度及高度均取40m，模型中土層分布參考了圖4 所示的補勘剖面。模型包含節(jié)點2095 個，單元2091 個。模型上邊界為自由邊界，側(cè)向邊界采用水平位移約束，底邊界采用豎向位移約束。為減小邊界效應(yīng)產(chǎn)生的不利影響，模型邊界距離頂管邊緣約16m，遠大于4D（D 為頂管外徑）。數(shù)值模型中，土體材料選用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，土體主要計算參數(shù)根據(jù)原地勘報告及補勘資料中的巖土力學(xué)參數(shù)確定，見表1 所示。

表1 土體參數(shù)Tab.1 Soil parameters

圖5 數(shù)值計算模型Fig.5 Numerical calculation model

根據(jù)地勘報告，左側(cè)頂管全部位于中風化泥灰?guī)r中，壓縮模量為20MPa。為了模擬頂管機頭正常超挖、注漿等施工行為帶來的地層損失影響，左側(cè)頂管周圍設(shè)置有0.5m 厚的等代層（壓縮模量取2MPa）。等代層法在頂管及隧道開挖模擬分析中已有較為成熟的應(yīng)用，其可以通過調(diào)整彈性模量來模擬頂管掘進過程中土體應(yīng)力釋放的過程［8，9］。本工程中使用的頂管機頭外徑為3.010m，比頂管外徑大0.15m；同時考慮到超挖會額外擴大開挖斷面，減阻泥漿在注漿壓力下徑向擴散會軟化頂管周邊土體，故等代層厚度適當放大至0.5m。結(jié)合圖5 所示補勘鉆孔，右側(cè)頂管管頂6m范圍內(nèi)為全風化泥灰?guī)r層，故右側(cè)頂管頂部設(shè)置半徑R ＝1m～6m 厚的土體軟弱層，用來模擬頂管頂部土體空腔被填充、置換為土體軟弱層的影響范圍。土體軟弱層的壓縮模量取值范圍為Es＝0.01MPa～1MPa。頂管施工過程計算工況如表2 所示。

表2 頂管施工過程計算工況Tab.1 Calculating conditions

本文通過對R 和Es進行不同的取值，共進行了30 組數(shù)值模擬試驗，分析得到了軟化層厚度及壓縮模量對地表最大沉降的影響，其結(jié)果匯總?cè)鐖D6 所示。

圖6 R 和Es 對最大沉降量的影響Fig.6 The influence of R and Es on the maximum settlement

由圖6 可以看出，當Es＝0.01MPa～0.1MPa，R ＝5.5m～6.0m 時，地表最大沉降量與現(xiàn)場最大沉降實測值較為相符。圖7 所示為當R ＝6m，Es＝0.05MPa時的位移變形云圖，此時最大地表沉降為31.67cm，與實測最大地面沉陷30cm 較為接近。此時土體軟弱層中的最大位移達到了51.87cm，達到了地表位移的1.6 倍。

圖7 位移變形云圖（單位：cm）Fig.7 Cloud map of soil deformation（unit：cm）

因此，實際被泥漿填充、軟化后變?yōu)榱魉軤畹耐馏w軟弱層厚度約6m，是最大地面沉陷量的20倍，相當于圖4 中的全風化泥灰?guī)r的絕大部分均被軟化為流塑狀軟土；且軟弱層內(nèi)的土體位移是地表位移的1.6 倍左右，給高速公路今后的正常運營埋下了巨大安全隱患。在后續(xù)的高速公路修復(fù)方案中，需要對全風化泥灰?guī)r進行整體加固，避免后續(xù)公路運營期間繼續(xù)發(fā)生沉降。

4 路面沉陷修復(fù)方案

根據(jù)實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬，高速公路最大沉降差30cm，且路基下方土體位移更大，已經(jīng)嚴重影響高速公路行車安全，故需要對路面沉陷處采取加固修復(fù)措施，包括應(yīng)急處理措施和永久修復(fù)措施。

4.1 應(yīng)急處理措施

包括：（1）對西側(cè)行車道、應(yīng)急車道進行封閉交通管制；（2）對沉陷路段的路基土進行注漿加固，采用水泥水玻璃雙液漿（雙液配比采用1∶0.5），加固深度為5m。施工時控制注漿深度，避免雙液漿包裹住管道，導(dǎo)致漿液凝固后抱死管道；（3）頂管機頭及時復(fù)頂。在機頭達到正常頂進速率后，采用微欠挖工藝，控制排土量體積不超過理論排土量體積的98%，避免超挖再次導(dǎo)致后續(xù)沉降的發(fā)生；（4）在頂管頂入接收井后，立刻從管內(nèi)采用水泥漿對觸變泥漿進行置換。

4.2 永久修復(fù)措施

目前工程上通用的措施包括注漿加固、微型樁加固、樁基托換加固等。根據(jù)圖4 所示補勘資料并結(jié)合數(shù)值模擬計算結(jié)果，管頂全風化泥灰?guī)r的絕大部分已被軟化為流塑狀，僅采用注漿加固措施難以保證加固土體的強度，擬在此基礎(chǔ)上增設(shè)微型樁地基處理措施，同時考慮到微型樁需要避開頂管管道，故在微型樁頂設(shè)40cm 厚鋼筋混凝土托換板，并在板底設(shè)柔性褥墊層。

具體施工方案如下：

（1）鑿除沉陷范圍內(nèi)的原高速路面結(jié)構(gòu)層，施工φ200mm樹根樁，間距1m ×1m，樹根樁進入中風化泥灰?guī)r以下1m。每根樹根樁設(shè)4 ×φ16mm主筋，采用水泥漿滿灌，水灰比取1∶0.9～1∶1.1。

（2）待樹根樁施工完成后，對于管道頂?shù)能浰堋魉軤钊L化巖，采用高壓旋噴注漿加固，采用雙管法施工，加固體直徑不小于0.6m，樁長5m～8m，間距1m ×1m，與樹根樁在平面上呈梅花狀錯開，其平面及剖面布置見圖8、圖9。

圖9 旋噴注漿加固+微型樁的組合修復(fù)措施剖面Fig.9 Sectional view of combined restoration measures：high pressure jet pile+micro pile

（3）待注漿加固施工完成后，在樹根樁頂設(shè)鋼筋混凝土托換板，板頂恢復(fù)高速公路瀝青路面。樁頂結(jié)構(gòu)做法見圖10。

圖10 樁頂結(jié)構(gòu)做法（單位：cm）Fig.10 Structural practice of pile top（unit：cm）

按照上述的道路沉陷處治方案，歷時23d 完成了道路修復(fù)。在對修復(fù)完成后的道路進行持續(xù)沉降監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，一周內(nèi)的道路沉降值在1mm左右，已經(jīng)在儀器讀數(shù)的誤差范圍內(nèi)，說明道路沉降已經(jīng)基本穩(wěn)定。

5 結(jié)語

此次頂管事故中，盡管管頂覆土厚度達到了4.6 倍頂管機外徑，滿足《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS 246：2008）中管頂覆蓋層厚度不小于1.5倍管道外徑的要求［2］，但仍發(fā)生了30cm的路面沉陷。因此，單從增加覆蓋層厚度這一技術(shù)措施并不能確保頂管工程的施工安全，需要根據(jù)現(xiàn)場施工的實際情況制定更有針對性的施工措施，總結(jié)如下：

1.頂管頂進路徑盡量避免在上土下巖地質(zhì)中穿越。施工過程中一旦出現(xiàn)機頭壓力失衡的情況，不應(yīng)盲目頂進，應(yīng)適時停機保壓，在明確失壓原因后及時采取應(yīng)對措施，再進一步頂進。在遇水易軟化巖土層中選用泥水平衡機頭時，應(yīng)慎重考慮泥漿軟化侵蝕頂管周邊巖土層的問題。

2.本次事故中，由于頂管上部土層內(nèi)存在一定范圍的土體空洞，機頭泥漿流失后填充空洞并在機頭上方形成土體軟弱區(qū)。在局部超挖、機頭糾偏、觸變泥漿等因素的共同作用下，土體軟弱區(qū)不斷擴大并最終引發(fā)路面沉陷事故。

3.本次事故中的地面沉陷體積與泥漿流失量基本一致。通過結(jié)合補勘及數(shù)值分析，可知頂管上方土體軟弱層厚度是地表沉陷量的20 倍，軟弱層內(nèi)的土體位移是地表沉陷量的1.6 倍。

4.應(yīng)急處理措施中，通過針對性的淺注漿措施加固表層的變形土體并避免抱死管道；在機頭復(fù)頂后，采取微欠挖工藝可防止后續(xù)沉降的發(fā)生；永久修復(fù)措施中，注漿加固+微型樁托換加固的組合措施能夠有效修復(fù)路基下的軟弱土體。對本工程而言，是有效的道路沉陷修復(fù)措施。