矩形頂管變坡度下穿富水軟弱地層施工沉降控制探析

【摘 要】依托揚子江大道綜合管廊工程頂管法施工段，分析了頂管掘進機施工報表和地表最終沉降數(shù)據(jù)，提出控制地表沉降變形的有效措施，研究結(jié)果表明：施工前根據(jù)規(guī)范求出的頂力值因未考慮注漿影響較實測值偏大，但可根據(jù)計算值布置中繼間，頂進過程中根據(jù)實測頂力值決定中繼間啟用與否；頂進過程中一旦頂力過大則需要降低頂速或加注觸變泥漿，由上坡轉(zhuǎn)為下坡頂進時需要適當降低頂速；頂管機正面上下方土壓力受漿液流動影響較大，施工過程中需要設置合理的注漿量及注漿壓力；頂進過程中需要密切注意矩形頂管機掘進軸線的控制，做到隨偏隨糾，且單次糾偏量不宜過大。

【關鍵詞】矩形頂管； 變坡度； 沉降控制

【中圖分類號】U455.47【文獻標志碼】A

0 引言

21世紀以來，隨著我國城市化不斷推進，頂管法作為一種新型非開挖施工工藝在本世紀得到了快速發(fā)展，其中矩形頂管相比圓形頂管可以提高約20%的空間利用率［1］，而合理控制施工參數(shù)能夠減小頂管施工引起的土體擾動和地層沉降。許有俊等［2］以包頭市經(jīng)三路地下管廊頂管隧道為工程背景，對頂進過程中不同位置的刀盤實測扭矩變化規(guī)律及扭矩配置問題進行研究。李才波［3］依托哈爾濱軌道交通地鐵2號線某車站頂管工程，總結(jié)泥水平衡式頂管掘進機在高寒地區(qū)的施工經(jīng)驗。鮑永亮等［4］針對上海軌道交通六號線浦電路車站3號出入口矩形頂管施工實例進行分析研究，介紹了軟土地層頂管法頂管出洞、正常頂進、頂管進洞等階段施工技術(shù)。Peng Z等［5］依托拱北隧道項目，交代了曲線鋼頂管施工過程中遇到頂進軸線偏差、頂力過大、管節(jié)接頭不良等問題時的處理辦法。Piriyakul K等［6］介紹了頂管法過河隧道的施工技術(shù)和過程，重點介紹了下沉頂進的施工重點。然而，目前缺乏下穿富水軟弱地層變坡度頂進的矩形頂管施工控制的研究。針對這一較為缺乏的領域，本文以揚子江大道綜合管廊工程為例，開展現(xiàn)場試驗。根據(jù)頂管掘進機施工報表和地表最終沉降數(shù)據(jù)，優(yōu)化各類施工參數(shù)。最終，提出下穿富水軟弱地層變坡度頂進的矩形頂管施工的變形工程控制方案，旨在為類似工程的建設提供參考。

1 工程概況

1.1 工程概述

本文依托揚子江大道綜合管廊工程開展現(xiàn)場試驗。該工程位于江蘇省南京市河西地區(qū)揚子江大道東側(cè)下方，采用頂管法掘進施工。其中頂管機采用大刀盤土壓平衡式矩形頂管，總長度為211 m，從126 m至144 m以3.5%的坡度上坡頂進，144 m后以1.3%的坡度下坡頂進，頂管軸線絕對標高圖如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)概況

本文采用矩形頂管施工，其中頂管掘進的土層分布如圖2所示，其相關土層的物理力學性質(zhì)參數(shù)如表1所示。在頂管頂進過程中，從始發(fā)井至65 m以內(nèi)穿越粉質(zhì)黏土夾粉砂層，剩余頂進過程主要穿越淤泥質(zhì)黏土層。

1.3 監(jiān)測點布置

本文的監(jiān)測點布置如圖3所示，垂直于軸線方向的監(jiān)測點每排布設6個，同一排各監(jiān)測點間隔2.5 m，各排監(jiān)測點間隔5 m，共布設46排276個監(jiān)測點。在施工過程中，使用NA2水準儀進行測量。測量位置從始發(fā)井到機頭開挖面后10 m。頂管機每掘進1節(jié)管節(jié)使用水準儀測量3次。值得注意的是，為了保證工程安全及數(shù)據(jù)的連續(xù)性，在沉降發(fā)生較大變化時，通常會加大測量頻率。

2 變坡度段頂管機施工報表數(shù)據(jù)分析

2.1 頂力隨頂程變化

頂管頂進到126 m后的頂力隨頂程變化曲線如圖4所示，頂力隨頂程增加大體呈波動式增加的趨勢，其中150 m左右頂力先略微減小后大幅增加，分析其原因為上坡頂進阻力較大，掘進機到達最高點后轉(zhuǎn)為下坡頂進，此時頂進阻力減小，頂力也隨之減小，本著“逢小可快、遇大則慢”的頂速控制原則，此時加大頂速從而引起頂力大幅增加，施工人員意識到這點后降低了頂速因而160 m左右頂力有所回落。

施工前選取使用較為廣泛的理論公式和經(jīng)驗公式預估施工過程中的頂推力，其中理論公式選自DG/TJ08-2049-2016《頂管工程施工規(guī)范》［7］：

P=2B+hLfs+Pf

式中：B為頂管機機頭寬度，h為頂管機機頭高度，L為頂程，fs為管道外壁與土的平均摩擦力，Pf為頂管機迎面阻力。

經(jīng)驗公式選自《現(xiàn)代頂管施工技術(shù)及工程實例》［8］中考慮減摩泥漿套作用的上海市經(jīng)驗公式：

P=2ksB+hL

式中：ks為采用觸變泥漿后的單位面積頂力系數(shù)，B為頂管機機頭寬度，h為頂管機機頭高度，L為頂程。

兩者得出的頂力最大值分別為4 943.7 t和4 968 t，對比實測頂力最大值為3 250 t，分別為理論公式的66%和經(jīng)驗公式的65%，這說明實際施工中通過控制各施工參數(shù)、注入觸變泥漿以及加入中繼間等措施，頂力值得到了良好的控制。

2.2 正面土壓力隨頂程變化

圖5反映了變坡度頂進期間掘進機正面上下方土壓力值隨頂程的變化，下方土壓力值在0.16～0.3 MPa之間波動，上方土壓力值大小介于0.1～0.2 MPa之間波動。前者大小受注漿影響很大，在150 m左右由于頂力值大幅增加，施工方在降低頂進速度的同時采取了加注觸變泥漿的措施，漿液因注漿壓力及重力作用積聚于頂管底部因而增大了頂管下方的土壓力，上方土壓力略有增加但受影響不大。195 m左右由于停工一天未注漿導致上下方正面土壓力出現(xiàn)同步減小的趨勢，下方土壓力減小幅度較大。

2.3 高程糾偏量隨頂程變化

由圖6可知變坡度段單次上糾偏最大值為82 mm，出現(xiàn)在140 m頂程附近，單次下糾偏最大值為42 mm，出現(xiàn)在167 m頂程附近，上下糾偏最大值均小于單次高程糾偏控制值100 mm，變坡度段84.5 m頂程中單次平均糾偏量為8.99 mm，達到了隨偏隨糾且糾偏量不宜過大的控制要求。

3 變坡度段施工控制效果分析

頂管于2月22日頂進結(jié)束，圖7展示了變坡度段該日所有測點的沉降量。為了研究變坡度段施工控制效果，圖7還展示了3月14日和3月17日所有測點的變形情況。由圖7可知，在3月14日，其變形與2月22日相差約為5 mm，產(chǎn)生了較大的變形。而3月14日和3月17日的變形不超過0.5 mm，這說明頂進結(jié)束后3周左右時間固結(jié)次固結(jié)沉降速率放緩，變坡度段地表沉降最大值為13 mm，位于135 m左右，并未達到施工控制標準（表2）中的地表沉降預警值15 mm，說明該頂管施工中采用的一系列地表沉降控制措施效果良好。

4 矩形頂管變坡度下穿富水軟弱地層的施工沉降控制措施

本文依托實際工程案例開展現(xiàn)場試驗，依據(jù)實測監(jiān)測結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場施工操作，得出矩形頂管變坡度下穿富水軟弱地層的施工沉降控制措施有：

（1）施工前需要通過規(guī)范或經(jīng)驗公式合理預估頂進過程中所需的最大頂力，決定中繼間的布置情況，頂進過程中密切關注頂力變化，在實測頂力達到中繼間最大頂力的80%時加入中繼間，并視頂力變化的實際情況決定開啟中繼間與否。

（2）頂管機由上坡轉(zhuǎn)向下坡頂進時，不能因為通過最高點后頂進阻力減小引起頂力減小后立即增大頂速，“逢小可快、遇大則慢”的頂速控制原則在頂進坡度改變時需要慎用，一旦頂力過大則需要降低頂速或加注觸變泥漿。

（3）在頂管機的掘進過程中，需要及時關注其掘進軸線，在每節(jié)掘進完成后，需要進行機頭的姿態(tài)測量。一旦測量發(fā)現(xiàn)頂管機發(fā)生了姿態(tài)的偏移，需要及時進行糾偏，且為了避免土體產(chǎn)生較大的擾動及頂管管節(jié)產(chǎn)生張角，其糾偏量不能過大。此外，由于矩形頂管機對對管道的橫向水平要求較高，在其掘進過程中需要嚴格把控機頭的轉(zhuǎn)角，一旦出現(xiàn)微小轉(zhuǎn)角，應立即采取刀盤反轉(zhuǎn)、加壓鐵等措施回糾。

（4）在頂管的管道外壁壓注觸變泥漿形成泥漿套，可以有效減少土體與管道間摩阻力，并且為土體提供一定支撐作用。為了保證泥漿的有效性，在施工期間要求泥漿不失水，不沉淀，不固結(jié)，壓漿時必須遵循“先壓后掘、隨掘隨壓、及時補漿”的原則并設定合理的注漿量與注漿壓力。

（5）大斷面矩形頂管機前端阻力較大，在實際工程中每次拼裝管節(jié)或加墊塊，主頂油缸一回縮，機頭和管節(jié)仍會一起后退20Symbol～A@30 cm，此時機頭和前方土體間的土壓平衡受到破壞，路面沉降量難以得到控制。本工程采取特有的止退裝置，可有效阻止管節(jié)的后退以此避免帶來的土體沉降問題。

5 結(jié)論

本研究以揚子江大道綜合管廊工程為基礎，進行了現(xiàn)場試驗，旨在探究矩形頂管在變坡度下穿越富水軟弱地層時的施工沉降控制。通過分析實際監(jiān)測數(shù)據(jù)并結(jié)合工程現(xiàn)場的操作經(jīng)驗，得出結(jié)論：

（1）施工前根據(jù)規(guī)范求出的頂力值因未考慮注漿影響而較實測值偏大，但可根據(jù)計算值布置中繼間，頂進過程中根據(jù)實測頂力值再決定中繼間啟用與否。

（2）頂進過程中頂速、注漿可以起到調(diào)控頂力大小的作用，一旦頂力過大則需要降低頂速或加注觸變泥漿，由上坡轉(zhuǎn)為下坡頂進時需要適當降低頂速。

（3）頂管機正面上下土壓力受漿液流動影響較大，施工過程中需要設置合理的注漿量及注漿壓力，壓漿時必須遵循“先壓后掘、隨掘隨壓、及時補漿”的原則。

（4）矩形頂管機掘進過程中需要密切注意掘進軸線的控制，做到隨偏隨糾，且糾偏量不宜過大，以免土體出現(xiàn)較大擾動及管節(jié)間出現(xiàn)張角。

參考文獻

［1］ 彭立敏，王哲，葉藝超，等. 矩形頂管技術(shù)發(fā)展與研究現(xiàn)狀［J］.隧道建設，2015，1（1）：1-8.

［2］ 許有俊，黃正東，張旭，等.大斷面土壓平衡矩形頂管多刀盤實測扭矩參數(shù)研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2021， 58（5）：96-103.

［3］ 李才波.嚴寒地區(qū)矩形頂管施工技術(shù)研究與應用［J］.廣東土木與建筑， 2021， 28（8）：101-104.

［4］ 鮑永亮，鄭七振，王娟，等.上海軟土地層地下通道矩形頂管施工技術(shù)［J］.鐵道建筑， 2009（9）：68-70.

［5］ Peng Z， Ma B， Cong Z， et al. Steel Curved Pipe Jacking Construction under Complicated Conditions for a Curved Pipe Roof［C］ // Pipelines 2016： Out of Sight， Out of Mind， Not Out of Risk， American Society of Civil Engineers （ASCE）， 2016：1820-1829.

［6］ Piriyakul K， Pochalard S， Rungrueng E. Pipe jacking tunnel construction crossing the Bang Pakong River［C］//Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground， CRC Press/Balkema， 2022： 123-128.

［7］ 上海市工程建設規(guī)范. 頂管工程施工規(guī)范： DG/TJ08-2049-2016［S］. 上海， 2016.

［8］ 葛金科， 沈水龍， 許燁霜. 現(xiàn)代頂管施工技術(shù)及工程實例［M］. 北京，中國建筑工業(yè)出版社， 2009.

［作者簡介］楊金超（1988—），男，本科，工程師，從事市政工程深基坑開挖施工研究工作。