复杂环境下大断面矩形顶管法施工及沉降控制研究

李通

摘 要：针对工程项目实际情况，对其大断面矩形顶管施工进行分析，并提出行之有效的地表沉降控制措施，旨在为工程施工及地表沉降的控制和其它类似工程项目大断面矩形顶管施工提供参考依据。

关键词：大断面矩形顶管法;地表沉降;沉降控制

伴随现代化城市快速发展，地下建设工程的规模和数量都在不断增加，在这种情况下，工程建设可能对环境造成的影响或破坏逐渐引起更多人的关注。明挖工程会对城市范围内的交通、建筑物与环境都带来很大的不利影响，但暗挖能将这一不利影响降到很低的程度。然而，对埋深相对较小的工程而言，暗挖法存在很大的安全风险，相比之下顶管法更加适用。顶管法不仅成本低、周期短，而且对环境的影响很小，不容易发生安全事故。小断面顶管在我国已经得到广泛应用，但大断面矩形顶管还未能得到广泛应用。与圆形或马蹄形的断面相比，矩形断面能提高使用面积，增大使用效率，优越性明显，但施工中不容易形成卸荷拱，会产生很大的地表沉降，对道路和其它建筑等设施的安全造成影响。因此，施工中必须控制土层扰动，进而减少沉降。

1 工程概况

扬子江大道快速化改造工程项目研究范围北起下关大桥引桥，南至杨子江大道与河西大街交叉口，全长约8.0 km，项目全线配套实施综合管廊。全线工程实施范围起点为扬子江隧道南接地点K0+920，终点为河西大街与扬子江大道的交叉口K7+985，实施范围全长约7.1 km，综合管廊全长7.2 km。全线节点改造（除定淮门大街）方案以主线下穿为主，全线设置辅道+慢行系统，通过增设过街地道（或人行天桥）满足部分被交道路、行人及非机动车过街需求。全线管廊同步实施。该工程项目的环境条件较为复杂，主要表现为地下管线众多，下穿既有通行道路扬子江大道。现结合该工程项目实际情况，对其大断面矩形顶管法施工和沉降控制做如下深入分析。

2 大断面矩形顶管法施工

（1）因矩形顶管顶进施工对连续性有很高要求，所以在穿越之前应彻底检查全套机械设备，确保机械设备在掘进过程中保持良好性能，使施工顺利完成。

（2）机头在进出洞加固区中穿越时，加固区中土体强度相对较高，可能会对在螺旋机的出土造成影响，对此可以在刀盘上增设注浆孔，按照实际需要通过注浆孔不断向机头的前方灌注浆液或清水，然后通过刀盘转动对前方土体进行均匀搅拌，使出土保持顺畅。

（3）对掘进过程中的纠偏量进行严格控制，尽可能减小对正面土体造成的扰动，特别是在穿越重要管线时，应尽可能少纠偏，用于减小或避免对正上方管线造成影响;在掘进过程中进行的纠偏应适时，通常在顶管机上、下行偏离轴线30 mm前动作，严格遵循勤测勤纠的基本原则，防止一次性纠偏过量导致曲线突变。

（4）施工顶进速度不能过快，通常需按照15 mm/min左右严格控制，并保持在均衡的状态，注意不可在中途长时间中断。

（5）穿越时，应使压浆保持连续与均匀，确保产生的建筑空隙能被立即充填，必将按照沉降实测结果进行，确保通道上部土体始终保持稳定。

（6）有效解决顶管机机头旋转的问题，对顶管机中部大刀盘实施反方向运转，对两个螺旋输送机实际出土量进行严格控制，确保顶管机总体力矩保持平衡。

（7）为避免偏移现象的发生，在左线通道达到贯通之后，应立即对其预应力钢索进行张拉，确保管廊形成一个整体。充分利用在管节上预留的打泥孔，在顶进时如果产生偏移，立即压入膨胀土浆液，并对偏位进行调整，使其处在可以控制的范围。

（8）在掘进完成后，应立即将管节上的注浆孔打开，并压入水泥浆对管道外部触变泥浆进行置换，以此避免触变泥浆发生泌水后导致地表沉降。

3 沉降分析与控制

在顶管轴线上方随机选取三个具有代表性的点进行分析，记录推进至12 m处、18 m处与24处的纵向变形。结果表明，测点前方土体发生隆起，而后方发生沉降。推进时，无论是隆起还是沉降，其最大值都伴随开挖进尺不断增加而向前移动。沉降的最大值不断累积，从8.3 mm累积至17.5 mm，和开挖面之间的距离从0.5倍开挖断面宽度增加至1.5倍开挖断面宽度;开挖面前方1倍开挖断面宽度的部位产生隆起，最大隆起量产生于开挖面之前1.5倍开挖断面宽度处。

以现场测点布置情况为依据，选择与始发井相距5 m、15 m、25 m和35 m的断面进行横向沉降分析。根据分析结果可知，横向沉降变化曲线表现为将顶管轴线作为中心的正态分布，最大沉降产生于轴线的正上方，同时伴随监测点和开挖面之间距离的增加，沉降值增大。

通过对数值模拟结果的分析，结合现场具体情况和各项实际操作，提出以下能有效控制沉降的技术措施：

（1）因顶管机实际断面尺寸大于管节，所以顶进时顶管机的头端正面将产生轻微的上抬，在顶管机整体穿越之后，能实现对顶部土层实际沉降量的有效控制。

（2）在顶管机前壳体顶部设置注浆套板，在管节预制过程中，于管节进行注浆孔的预埋，使注浆孔分布在管节的整个断面。在顶管机顶进过程中，可采用注浆套板持续注入浆液，以此使顶管机的顶部产生一道均匀的浆液薄膜，并利用在管节上设置的各个灌浆孔持续注入浆液，确保管节可以在一个相对封闭的情况下顶进，以此实现对地表沉降的有效控制。

（3）顶管机始发之后开始试验性的掘进，根据路面沉降结果选定各项技术参数，包括正面土压力、顶进速度、出土数量和顶力，确保土舱中的压力始终和地层土压及水压处于平衡的狀态，以此使地表的实际隆起量及沉降量都处在允许范围之内。

4 结论

（1）根据工程实际情况，提出其主通道矩形顶管施工的施工工艺流程及相关技术措施，明确施工中需要注意的要点和事项，以此可以在保证该工程顶管施工顺利完成的基础上，为其它类似工程的顶管施工提供技术参考。

（2）对于地表横向沉降变化曲线，表现为将顶管轴线中线作为中心的正态分布，沉降的最大值产生于轴线正上方，伴随开挖断面的增大，沉降值也不断变大。地表沉降横向影响范围为3倍开挖断面宽度，这一范围内的沉降值可以达到总沉降至少90%，在施工过程中必须对这一区域进行严格的监测。

（3）使顶管机的头端小幅上抬，或在顶管机之前的壳体中设置注浆套板，或在管节整个断面上设置注浆孔，或通过试验性的掘进来确定各项技术参数，能将顶进时的地表隆起及沉降都控制在允许范围之内，将由此可能对建筑造成的影响及破坏都降至最低程度。

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