复杂环境下顶管施工扰动控制

房 浩，徐伟忠，张瑞菊

（1.上海城建市政工程（集团）有限公司，上海市 200065；2.同济大学交通运输工程学院,上海市 201804）

复杂环境下顶管施工扰动控制

房 浩1，徐伟忠1，张瑞菊2

（1.上海城建市政工程（集团）有限公司，上海市 200065；2.同济大学交通运输工程学院,上海市 201804）

顶管法施工作为一种非开挖施工方法，可解决地下通道施工破坏周边建筑物和堵塞道路交通等难题。首先，分析了复杂环境下顶管施工对周边环境的不利影响；然后，提出了相应的施工扰动控制措施；最后，依托淮安有轨电车深圳路站顶管下穿工程，对地下通道围护结构及周边环境进行监测。各项监测数值均小于其监测预警值，表明顶管施工扰动控制技术的有效性。

顶管法；周边环境；扰动控制；监测；有效性

0 引言

在现代城市建设中，随着经济发展和人口密度日益增加，地面资源及可开发的空间越来越少，易产生诸如交通拥堵、环境质量差等许多城市问题。因此，合理开发和利用地下空间成为解决城市问题的一条重要途径[1]。近年来，我国的地下结构工程日益多样化、复杂化，顶管施工作为一种非开挖施工技术得到了广泛的应用。该方法不仅节约用地，对地面活动影响较小，而且能穿越地面或地下各种构筑物，减小沿线的拆迁工作，节省大量投资和时间。但由于顶管施工自身特点，穿越周边复杂环境时引起的地面位移不可避免。同时，开挖过程中存在超挖、偏位等不利的施工情况，对周围土体产生强烈的扰动作用，造成地层中孔隙水压力的变化及土层物理、力学指标变化，引起管道周围土体的位移和变形，影响周边环境及临近的已建构筑物、地下管线等。因此，有必要对顶管施工引起的周边环境扰动效应及其控制技术进行深入分析[2,3]。

1 顶管施工扰动分析

顶管施工由于在地下开挖，将引起土体的卸载作用，虽然后续管节起到支撑作用，但在开挖时开挖面四周的土体由于应力松弛要向开挖面和隧道空间膨胀，产生地层损失。地层损失会引起土体移动直到地表，隧洞的地层损失将直接导致或表现为地面沉降。由于顶进力对土体的挤压作用以及管径差，土体在掘进机通过前后一般是先隆起，后沉降。地面或地下建（构）筑物对一定范围内的土体位移是能够承受的，但过大的地层位移将直接危害它们的正常使用。下面重点分析顶管施工对地表建（构）筑物和地下管线的扰动影响。

1.1 对建（构）筑物的扰动影响

顶管施工中由于地层应力状态的改变，相应地引起地层和地表位移与变形。顶管施工对地表及建筑设施的损害可以分为直接损害与间接损害。位于主要影响范围内的对象所受的损害称为直接损害；有些个别情况下，主要影响范围以外较远的地方，也可发现开挖影响的存在，这种影响与顶管施工有关，称为间接损害，如开挖管涌、流砂而引起大范围地下水的变化对环境的影响等。

地表变形将会对上部构筑物产生拉伸与压缩[4,5]。压缩变形使墙体产生水平裂缝，并使纵墙褶曲，屋顶鼓起。位于地表拉伸区的建筑物，其基础底面受到来自地基的外向摩擦力，基础侧面受到来自地基的外向水平推力的作用，在不大的位伸变形下都足以使建筑物开裂。地表水平拉伸与压缩变形对道路也会产生损害，如使路面开裂等。

顶管开挖更多情况下会引起地层的不均匀沉降。不均匀沉降将导致地表倾斜，使建筑物产生结构破坏裂缝，对建筑物的危害最大。地表倾斜还会使高耸建筑物发生重心偏斜，引起附加应力重分布使建筑物丧失稳定性而破坏。在负曲率(地表相对下凹)的情况下，建筑物中部沉降大，端部沉降小，建筑物中央部分悬空，端部受剪，使墙体形成正八字形裂缝，反之会产生倒八字形裂缝。

表1是一些国家对开挖引起地表变形引起建筑物破坏的容许变形值作出的规定，这些值可为确定地表允许变形值提供参考。

表1 建筑物容许变形值[6]

在实际施工过程中，建筑物变形开裂绝不是只受单一的拉伸或压缩的结果，而往往是几种变形同时作用的结果，在顶进过程中偶遇障碍物并对土体产生较大扰动且覆土深度较浅的情况下，建筑物就可能先受到拉伸再受到压缩的作用。

1.2 对地下管线的扰动影响

地下自来水管及煤气管等压力管道对其轴向的地表水平变形也非常敏感。过度的屈服、接头渗漏和管的破裂通常会引起系统丧失功能。当顶管施工在地下管道中产生的附加应力或变形超出管道的允许应力或变形时，管道就会被破坏。在拉伸变形作用下，可能会造成管接头漏水漏气，甚至接头脱开。压缩变形可以使接头压入而漏损，甚至可以使管道产生裂缝。顶管施工会引起周围土体产生不均匀沉降或隆起，当不均匀沉降或隆起值较大时，也可能会导致管线断裂或接头错位。地下管线损坏形式常表现为接头部位松动、错位、脱节和管体断裂等。

2 顶管施工扰动控制措施

2.1 选择适当的工具管

顶管施工最突出的特点，是施工工艺的适应性问题。针对不同土质、不同施工条件合理选用顶管施工机具和施工方法，对于保证工程质量，控制并减少地面沉降，降低工程造价，都具有十分明显的作用。目前主要是根据地质条件、地下水情况、施工场地大小、施工环境影响等选用合适的顶管机具[7]。

不管采用何种机具、工艺，均应视具体情况而定，因地制宜才能充分显示各种顶管机独特的优越性。具体可按以下原则进行选择：

（1）首先详细了解工程概况、工程地质条件、地下水位、顶管管径、埋深、附近地上和地下建筑物、构筑物及各种设施、管线的埋设情况等。对于顶管前方地下障碍物探查可采用地质雷达探测，采用顶管前方超前预报的剖面与管线地基剖面探测相结合的方法，不会影响施工的正常顶进。

（2）进行技术方案比较，可以从以下几个方面进行。

a.对于小口径顶管，通常都采用泥水顶进。当顶进长度较短、管径较小且为金属管时，宜采用一次性顶进的挤密土层顶管法。

b.对于埋深较大的管段，可以从有无地下水及所处土层特性来考虑。若地下水位较低，土层较稳定，可选用手掘式顶管；若地下水位高或者变化大以及土质较松软，则宜采用全断面掘进机施工。用手掘式顶管施工时，应将地下水位降至管底以下不小于0.5 m处，以防其他水进入管道。

c.对于地下障碍物较多的情况，应选用具有除障碍功能的机械式掘进机或采用手掘式顶管。

d.在粘性或砂性土层，当无地下水影响时，宜采用手掘式或机械挖掘式顶管；当粘性土层中必须控制地面隆陷时，宜用土压平衡顶管法。

e.当土质为砂砾土时，可采用具有支撑的工具管或注浆加固土层的措施；在粉砂土层中，当需要控制地面隆陷时，宜采用加泥式土压平衡或泥水平衡顶管法。

f.在软土层且无障碍物的情况下，顶管以上土层较厚时，宜采用挤压式或网格式顶管法；在软弱土层中宜采用土压平衡或局部气压等施工，选择土压平衡工具管时，还要考虑其刀盘的适用情况和刀盘的切削面积。

g.在流砂层中顶管可采取局部气压施工或泥水平衡法施工。

2.2 减小纠偏角度

纠偏会不可避免地产生土体位移。纠偏角度越大对一侧产生较大的挤压，在另一侧则形成间隙，这部分间隙需由上部土体来填充而产生土体位移。所以，应在施工中尽量避免较大角度的纠偏操作。

为避免大角度纠偏可采用提高测量精度的措施来减小纠偏角度。急于纠偏将可能导致管道局部受压过大，使管壁破裂而发生渗漏，同时加重了对管周土体的扰动。在实际施工中应遵循“一勤、二少、三及时”的原则进行纠偏操作。“一勤”就是勤纠，指不要等偏差大了才纠。“二少”就是少纠，指纠偏量要小。纠偏量大了，就会出现“大起大落”的超调现象，纠偏曲线变陡，给下一次纠偏带来因难。“三及时”就是及时回零，指在纠偏过程中，偏差下降到某个合适值，就应该使纠偏油缸回零，即先导头倾斜角为零。对于矩形顶管，对管道的横向水平要求较高，所以在顶进过程中对机头的转角要密切注意，机头一旦出现微小转角，应立即采取刀盘反转、加压铁等措施回纠。

2.3 改善土体的物理力学性质

顶管施工引起的地层损失和管道周围受扰动土体的工后固结沉降是导致地表下沉的主要原因。施工结束后，由于施工荷载拆除，土体中总荷载减小，土体中的弹性变形得到恢复，但塑性变形不可恢复而成了永久变形。因此，在施工完成后应及时进行二次注浆换填膨润土浆液来增加土的屈服应力，以减小土的粘塑性变形。在地下水较丰富及土质松散的地方，采用注浆、深层搅拌、降水等方法加固土体，以改善土体的物理力学性质，可减小顶管工后的固结沉降，从而起到保护环境的作用。

在注浆时，要适当控制注浆压力及注浆量。当注浆压力过大时，管道周围土体受到注浆压力的挤压，向外移动，则会产生地面隆起；如注浆压力过小，则土体向内移动，产生地面沉降。注浆压力一般为1.1～1.2倍的静止土压力，注浆量一般为理论注浆量的140%～200%。二次注浆是控制地表沉降的有效辅助手段，可大大降低施工后期的固结沉降与次固结沉降。

在顶管设计与施工时，由于周围环境的影响，有些管路的施工必须采用曲线绕道施工。在这种曲线顶管施工时，曲率半径越小，则每节顶管偏转角度越大，施工的侧向顶进载荷越大，对侧向土体产生挤压与扰动越大，从而对周围环境的影响也越大。因此，应尽量选择较大曲率半径的曲线顶管。

2.4 保持开挖面的稳定

开挖面的稳定性可减小前方土体的挤压与扰动。对于顶管施工要实现开挖面的稳定，可控制工具管前工作舱里的压力与土体压力平衡，也可控制排土的速度。

现场实测研究表明，正面支护力（土舱压力扣除开挖面静止水土压力）决定了前方土体受挤压扰动的程度与范围。如果正面支护力与自然土压力相等，则土体不移动，便无地层损失与土体位移，理论地面沉降为零，但实际施工中这种平衡是达不到的。支护力增大，前方土体将受到较大的挤压，土体前移并产生地表隆起；支护力不足，土体产生应力释放，土体后移并产生沉降。因此，应合理地确定大刀盘的设定压力，并使之有效地自动平衡调节，保持泥水压力并经常保持掘进机的正确姿态。

开挖面土压的控制。首先根据地层情况确定目标土压，然后在顶管推进过程中，用压力传感器来监测土压力的变化情况，再通过调节出土量来维持目标土压力。目标土压力理论上等于土层压力(开挖面静止水土压力的和)，可通过传感器的测定值及排土量的变化来进行适当修正[8,9]。

2.5 穿越地下管线

工程顶管机口径大，对土体有一定的扰动，如若扰动过大，势必导致意外发生，所以施工中一定要控制好顶进参数，在临近管线前减缓顶进速度，控制好排土量，加强地面的监测力度。如发现监测点监测值变化量较大，可通过调整土压力、出土量以及机头注浆来有效控制。在顶管施工阶段，合理组织施工流水，尽量一次性完成所有配套安装，在顶管通道贯通后，对其影响范围内进行注浆加固土体，以确保管线安全使用。

3 工程应用及监测分析

本文以淮安市有轨电车1号线工程深圳路站为例进行工程应用及监测说明。深圳路站地下通道位于翔宇大道与深圳路交界口，地面车站形式为路中岛式。基坑开挖9.25～10.7 m，覆土2.75～3.05 m，在翔宇大道两侧设出入口。站台及两侧出入口结合暗埋段共设3个顶管工作井。暗埋段采用单箱矩形框架结构形式，敞开段为U形坞式结构形式。根据调研和物探资料，站址处路北侧，周边较空旷，路中基坑位于中央分隔带内，并占用部分车道。围护结构施工期间需永久迁改的管线主要有：DN300燃气管（埋深约2.6 m）和直径800 mm的混凝土水管（埋深2.2 m）等。

为克服淮安砂质粉土地层顶进的困难，结合淮安顶管工程，需减小施工期间对地面道路交通、周边建筑物及地下管线的影响。采用能全面适应淮安地质条件的组合多刀盘土压平衡矩形顶管机用于淮安的顶管工程，施工过程中全面监测顶进机头转角及对周边环境的影响，以保证施工规范和安全。

3.1 监测方案

在基坑开挖和地下室施工期间开展严密的现场监测可以为施工提供及时的反馈信息，做到信息化施工。监测数据是现场管理人员判别工程是否安全的依据；通过对围护结构、周边建筑物、道路及地下管线等监测数据的收集、整理和综合分析，了解各监测对象的实际变形情况及施工对周边环境的影响程度。根据基坑的开挖深度、支护结构的特点、所处的周边环境条件，深圳路地下通道周边环境监测及围护结构的监测内容如下：

（1）桩顶圈梁的水平位移监测点。沿支护桩顶共计布设36个桩顶水平位移监测点（D1-D36）。

（2）围护结构深层水平位移监测（测斜）。沿基坑四周支护结构布设17个深层水平位移监测点（CX1-CX17）。

（3）基坑周边地表沉降。在基坑周围地表上共布设40个地表沉降变形观测点（DB1-DB40）。

（4）周边道路沉降监测。沿基坑周边道路共布置24个道路沉降变形监测点（R1-R24）。

（5）坑外水位监测。沿基坑四周共布设18口坑外水位观测孔（SW1-SW18）。

（6）周边建筑沉降监测。沿基坑周边建筑物共布置11个建筑沉降变形监测点（H1-H11）。

各项监测内容的监测元件布设点平面和纵断面位置如图1和图2所示。

图1 各项监测元件布设点平面示意图

图2 各项监测元件布设点纵断面示意图（单位：mm）

3.2 监测结果分析

监测结果报警值的确定，要以确保施工安全为前提，综合考虑工程质量和经济等因素，减少不必要的资金投入。其确定原则有以下几点：（1）满足设计计算的原则，取设计值的80%作为预警值；（2）满足监测对象的安全要求，达到预警和保护的目的；（3）满足各监测对象的各主管部门提出的要求；（4）满足现行规范、规程的要求，如《建筑基坑工程监测技术规范》、《建筑变形测量规范》等。综上，淮安顶管工程监测控制要求见表2。

表2 监测报警值表

深圳路地下通道的顶管施工过程中，监测随着基坑开挖的不断加深和地下顶管施工的进行，地下通道周边环境监测及围护结构的监测结果如图3～图6所示。

图3 圈梁顶部各点累计水平位移和位移变化速率

图4 周边道路各点累计沉降量和沉降速率

由图3～图6的监测结果可知，地下通道施工期间支护桩最大水平位移为3.6 mm（报警值为5 mm），最大水平位移速率为1.2 mm/d；地下通道地表最大累计沉降量为3.55 mm（报警值为0.25%H mm），地下通道周边道路最大累计沉降量为4.01 mm（报警值为10 mm），最大沉降速率为-0.26 mm/d（报警值为±2 mm/d）；围护结构（以CX8为例）在深层9.5 m处，水平位移最大为8.12 mm（报警值为0.3%H mm），在深度0.5 m处，水平位移变化速率最大为1.858 mm/d（报警值为3 mm/d）；坑外水位最大累计变化量为192.5 mm（报警值为1 000 mm），最大变化速率为11.15 mm/d（报警值为500 mm/d）。由此来看，各项监测结果均小于其监测预警值，故可作为现场管理人员判别工程施工安全的依据。表明该地下通道顶管工程的施工控制措施有效，对周边环境的影响较小。

4 结语

本文分析了复杂环境下顶管施工引起的土体扰动对周边环境的影响，提出了顶管施工对环境危害的施工控制措施，并依托淮安有轨电车1号线深圳路站地下穿越工程，对地下通道、围护结构及周边环境进行监测。结果表明：该工程的顶管施工是安全有效的，对周边构筑物的影响在承受范围内。因此，为减小顶管施工的环境危害，可在施工中采取相应的施工控制措施，用以减小地层移动并且改善土体的物理力学性质，使顶管施工符合市政施工规范，避免对周边建筑物、结构物与地下管线等环境造成过大影响。

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U415

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1009-7716（2017）10-0124-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.037

2017-04-29

房浩（1981-），男，江苏泰州人，工程师，主要从事施工管理工作。