下穿地铁轨道顶管工程风险控制以及对周边环境沉降影响分析

蒋海青

摘要 文章依托上海市梅陇基地雨、污水排水管网改造顶管工程，针对DN800钢顶管穿越地铁轨道及高架的复杂施工情况，对该项目进行“施工前分析—施工中控制—施工后总结”的项目管理方针。从监测数据可以看出：在上海软土地层中，对于小口径钢顶管工程，当覆土深度达到5D以上时，顶管施工对上方地铁轨道交通的影响可以忽略;施工前应采用一定的措施，在施工过程中时刻关注既有管线的运营情况，定时排摸、检查，以免发生事故。

关键词 顶管工程;下穿轻轨;沉降监测;针对性措施

中图分类号 U231.3 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）01-0177-05

0 引言

顶管施工作为一种成熟的非开挖手段，已被广泛应用于地下管网及城市交通通道的建设中[1]。近几年来，上海申通地铁集团有限公司参与的多个地下工程中均涉及顶管工艺，如上海地铁14号线静安寺站、18号线一期工程周浦站3号出入口通道等。这些顶管工程往往在城区中心，周边存在多个既有构、建筑物，施工难度大、风险高，一旦发生事故，将会造成极大的经济损失和负面的社会影响。因此，针对顶管施工对周边既有构、建筑物的影响已经成为业界讨论的焦点。而作为建设管理单位，更应该需要对城市区域的顶管工程进行科学严谨的管理和控制，一方面能够保证质量地完成工程建设目标，另一方面能够尽可能地减小施工对周围环境的负面影响。

向安田等[2]较早地对现场长距离大口径顶管两节顶进过程中顶力进行了现场实测，分析了顶力和顶程之间的相互关系。李耀良[3]对长距离曲线大直径混凝土顶管顶力控制中的后靠背制作技术、中继环施工和注浆减阻等进行了研究和探讨。张鹏等[4]考虑管土接触特性，采用协调表面Persson接触模型分析了管土接触角度和接触压力分布规律，推导出了相应定力计算公式。史培新等[5]以近期开通的港珠澳大桥拱北隧道管幕工程为例，研究了长距离大直径曲线管幕的施工顶力，总结了曲线顶管顶力的主要组成及影响因素。邵光辉等[6]在考虑轴线偏差的情况下，推导出了钢顶管允许顶力的计算方法。纪新博等[7]基于Staheli的圆形顶管拱顶竖向土压力計算方法，推导出了含翼缘异形钢顶管的拱顶竖向土压力计算方法。

注浆减阻作为减小顶力、降低施工难度的一项措施，已被成功应用于顶管施工中，相关学者对其展开了研究。魏纲等[8]研究了注浆材料性能，对注浆过程中浆液-管道-土体相互作用机理进行了分析，探讨了浆液渗流规律及土层移动响应。王双等[9]进一步将泥浆套不同形态的影响引入到了顶管管壁摩阻力计算中，推导出了3种摩阻力计算公式，并与工程实测数据进行了对比验证。叶艺超等[10]研究了减阻泥浆的触变特性对于顶管顶力计算的影响，推导了顶力理论计算公式。针对越来越复杂的工况，王乐等[11]介绍了在复合地层条件下，大落差、大坡度、高水压条件下的顶管注浆减阻工艺的成功应用。

顶管施工会产生挤土效应[12]，其对环境影响是目前学界和工程界的关注重点。施成华和黄林冲[13]基于随机介质理论，将顶管施工引起的地层变形视为一随机过程，推导了土层变形计算公式。刘波等[14]对顶管穿越下覆既有地铁隧道进行了数值模拟和现场试验，重点模拟和检测了隧道位移和地表隆沉情况。王谭和安关峰[15]采用有限元方法模拟顶管近距离侧穿高架桥桩引起的桩体侧移和地表沉降。

该顶管工程总长度仅为110 m，但同时穿越轨交1号线轨道、沪闵路高架两座重要市政设施，一旦因顶管施工不当而引发事故，将会带来巨大的经济损失。因此必须严谨科学地对该顶管工程进行风险管理，消除施工安全隐患，降低事故发生风险，最大限度地减小顶管开挖对周围环境的影响。

1 工程概况

梅陇基地雨、污水排水管网改造工程位于上海市徐汇区，如图 1所示。新建DN200至DN400污水管将梅陇基地内污水接入虹漕南路现状污水管道，其中过1号线及沪闵路高架采用DN800钢顶管穿越，为该项目监测施工段。该项目所用DN800钢顶管总长度110m，埋深6.80～7.17m，中心标高0.20m。其中，①2灰黑色浜填土仅在拟建场地局部地段分布，层厚不均，仅在张家塘港底部分布，含半腐植物根茎、螺壳、石子等杂物，以灰黑色淤泥为主，有臭味，土质极松软。③灰色淤泥质粉质粘土为顶管穿越土层，饱和，流塑，含云母及少量有机质，夹薄层粉砂。局部粉砂含量较多，无摇振反应，稍有光滑，干强度中，韧性中，土质不匀，属高等压缩性土。

场地属于第四季正常沉积地区，根据土的结构特征以及土的物理力学性质指标等综合分析，共划分4个工程地质层。各土层特性与特征自上而下描述如表1场地土层分布所示。

2 施工前分析——识别风险源

该工程位于上海市徐汇区城市密集区域，存在较多施工难题。项目开工前，针对该项目的工程环境条件，项目部召开项目专题讨论会，针对该项目进行事前分析，总结出以下几个施工难点，并提出针对性的预防措施：

（1）顶管穿越轨交1号线轨道、沪闵路高架及各类市政管线。对管线保护要求及沉降控制要求高。

该工程拟建顶管井位及管位，位于沪闵路-虹漕南路路口，管道由轨交梅陇基地内始发自南向北横穿沪闵路到达位于路口西北侧接收井，沿线穿越轨交1号线轨道、沪闵路高架，多处各类管线，对于沿线道路、建（构）筑物及各类管线保护、沉降控制要求高。

针对性措施：

1）在顶管施工方面，对其自身的周围土体将产生扰动，使土体本身的强度发生变化和土体产生位移，从而导致地面沉降，同时波及顶管管道上方的地下管线及地上建筑物。顶管引起地层移动的因素主要有：顶管掘进机开挖面引起的土体变化;掘进机纠偏引起的土体变化;掘进机后面管道外周因注浆填充引起的土体变化;管道在顶进中与地层摩擦而引起的地层变化;管道接缝及中继间接缝中泥水流失而引起的地层变化。上述的各种因素所引起的地层变化导致土体向开挖面及管道外周移动，从而引起地面沉降。

因此在该次工程中，顶管施工中需选择合理的顶管掘进机，因其开挖面的稳定进度高，杜绝采用敞开式和气压法顶管;同时要严格控制顶管注浆工艺，使管外壁形成良好的膨润土泥浆套，减少管外壁于土体之间的扰动。

2）在开槽埋管施工方面，在施工前，首先对施工区域内进行物探，确定既有管线的确切位置，并设明显标志;施工时，在有管线处采用先人工开探坑，确保管线安全后再采用机械开挖人工配合开基槽;并对既然有管线采用工字钢托底、撑、吊结合的方法进行管线加固，确保管线安全。

（2）顶管机进出洞难度大。该工程顶管管径为DN800，管道覆土5.17～4.80 m，进出洞是顶管施工的关键工序，针对该标段顶管进出洞必须充分认识到施工风险，在顶管施工中，随着管道的不断向前延伸，顶管出洞口土体会不断的沉降。

针对性措施：在该标段的地质条件下，顶管出洞口均采用止水橡胶板装置，加固区采用双排Φ 600旋喷桩;洞门预埋注浆孔便于机头出洞瞬间注入膨润土浆液，确保机头出洞的安全。

（3）交通组织工作复杂、难度大。该标段在虹漕南路（沪闵路-江安路）拟建的顶管井、检查井及附属收集管道均位于路口，部分路口的管道铺设复杂覆盖半个路口，且该区域路段道路附近居民密集，企事业单位多，社会交通量大。部分开槽埋管施工阶段将对路口采取半封闭施工，对交通带来影响，因此虹漕南路（沪闵路～江安路）上的检查井及附属收集管道开槽埋管施工计划采取分段施工，每段管段铺设完毕后，在确保安全和质量的前提下尽快恢复路面，施工遇到交通高峰时段，在沟槽上方铺设路基箱板，减轻因施工对道路及路口产生的交通压力。

（4）涉及管线搬迁、临排、掘路等协调工作多。该工程顶管工作井、开槽埋管等工作范围内涉及燃气、通信、电力、污水、雨水、上水众多管线的搬迁、翻排以及道路的掘路施工，施工需得到各类管线运营单位和政府职能部门的大力支持和配合，协调工作量大，任务重，因此，该标段的各类管线、道路交通协调工作是工程能否顺利推进的关键。

针对性措施：我方将科学合理地设计各类管线搬迁、临排方案，做到最大限度地降低对管线运营和居民生活的影响，同时，积极主動与各类管线、政府部门尤其是徐汇区政府进行沟通协调，取得相关单位的大力支持和配合，确保工程顺利推进。

（5）该工程涉及的工艺多，施工面狭窄，平面布置难度高。该工程涉及顶管、牵拉管、钻孔灌注桩、高压旋喷桩、开槽埋管等众多工艺，且施工面位于现状道路、路口，施工面路面狭窄，可利用的场地受限，给施工现场的平面布置提出很高要求。

针对性措施：我方将根据现场道路和附近居民出行的实际情况，针对不同工艺和施工阶段，充分利用整个施工过程中时间和空间的关系，对现场的平面布置进行动态、科学的调整，达到既能满足施工工艺对场地的要求也能确保居民和社会车辆的正常出行。

经过项目部讨论，该项目重点风险主要为下方顶管开挖地层损失引起周边地层扰动，从而容易对周边各个既有构、建筑物产生影响。因此，在开工前，建设管理单位计划对该项目进行全方位的环境监测，实施关注顶管开挖的影响，一旦监测数据超过规定的警戒值，立即停止施工，并进行针对处理。

3 施工中控制——全方位环境监测

3.1 监测内容

为了控制顶管开挖对周边环境的影响，该次监测主要针对以下几个方面进行：

3.1.1 周边管线竖向位移监测

周边管线监测点共计68个，监测时间从顶管工作井开挖施工开始，至顶管管道全线贯通结束。累计沉降警戒值为±10 mm。

3.1.2 周边防汛墙竖向位移监测

周边防汛墙监测点共计18个，监测时间从顶管工作井开挖施工开始，至顶管管道全线贯通结束。累计沉降警戒值为±20 mm。

3.1.3 周边建筑物测点竖向位移监测

周边防汛墙监测点共计25个，监测时间从顶管工作井开挖施工开始，至顶管管道全线贯通结束。累计沉降警戒值为±20 mm。

3.1.4 顶管穿越上方地铁1号线轨道竖向位移沉降监测

对于上方地铁运营轨道的沉降监测，委托上海申通地铁维保公司负责，每日监测顶管施工上方的地铁轨道沉降变化，一旦不均匀沉降超过警戒值（5 mm），则监测单位将立即发出警报。

3.1.5 顶管穿越上方沪闵高架路路面竖向位移沉降监测

对于上方沪闵高架路路面的竖向沉降监测，由交通主管部门负责实施监控，一旦变形超过警戒值，则主管部门会立刻通知施工现场并告知建设单位。在该次施工全过程中，未见路面沉降报警。该次仅对前四项监测数据进行梳理。

3.2 监测结果分析

根据施工过程中监测数据统计分析，自施工日期从2018年8月9日至9月6日的沉降数据如图2所示。负值为竖向沉降，正值为竖向抬升。通过图2分析可以发现，该次施工全过程中对周围管线和构、建筑物的影响均未超过报警值，在安全可控的范围之内。

3.2.1 周边管线竖向沉降

该文选取靠近顶管上方范围内的6个监测点进行数据分析，讨论在顶管顶进过程中管线竖向沉降的变化情况。通过图2可以发现，顶管开挖对于上方管线的竖向沉降具有一定的影响，且沉降具有一定的规律性。在顶管开挖初期，管线呈现急速下降趋势，平均沉降趋势为﹣0.12 mm/d，即管线以每天平均0.12 mm的趋势不断下沉，在8月29日之后，沉降趋势逐渐趋于平稳，并稳定在一个范围内呈现波动状态。

通过沉降曲线可以发现，顶管施工初期由于土层损失，导致开挖面上方既有市政管线产生一定扰动，因此管线在初期沉呈现较大的沉降变化趋势;而随着顶管开挖面不断移动，监测点不断远离开挖面后，土体逐渐达到新的平衡后，管道沉降逐步趋于稳定。在实际施工过程中，并未发现既有市政管线因顶管施工导致的竖向沉降而产生破坏，这可能是由于多数市政管线为柔性结构材料，能够承受一定的位移变化。

3.2.2 防汛墙竖向位移

图3为顶管开挖过程中周边防汛墙沉降曲线，选取该防汛墙等距的5个监测点进行分析，具体沉降曲线如图所示。从图3中可以发现，防汛墙的沉降变化速率更为明显，平均达到﹣0.26 mm/d，即管线以每天平均0.26 mm的趋势不断下沉。但能够较早的达到稳定，最终各个监测沉降数值基本稳定在﹣4.0～﹣4.5 mm之间。

3.2.3 周边建筑物沉降

在该次监测过程中，监测了顶管顶进路径过程中周边的既有居民楼和部分围墙结构。监测结果如图4，从整体上看，在开挖初始阶段，周围建筑物均出现小幅隆起，随后逐渐发生沉降。但最终沉降值均在0.3 mm以内，因此基本可以忽略顶管开挖的影响。由于该次周围建筑物距离顶管开挖线路较远，因此顶管施工产生的影响也相对较小。

3.2.4 地铁1号线轨道竖向沉降

通过图5监测结果发现，顶管开挖过程中，轨道沉降曲线整体上呈现波动状态，波动区间在±0.3 mm以内。该次顶管开挖线路与既有轨道呈垂直关系，顶管开挖截面最高点埋深为轨道下方6.80～7.17 m，顶管截面直径为0.8 m，因此该工程顶管上方覆土深度较充足，因此下方顶管开挖对上方轨道的竖向位移影响很小。监测数据产生的波动可能是由于地铁车辆运行而产生的振动影响。

4 施工后总结——结论与分析

该文基于上海市梅陇基地雨、污水排水管网改造工程，针对DN800钢顶管穿越地铁轨道及高架的复杂施工情况，对该项目进行“施工前、中、后”三个方面的把控，严谨科学地对该项目的风险进行事前分析，并在施工过程中清除施工安全隐患，降低事故发生风险，最大限度地减小顶管开挖对周围环境的影响。通过采取的各项针对性措施以及施工过程中的监测数据结果，作者针对该项目进行回顾总结，在施工管理方面梳理以下几点结论：

（1）该次DN800的钢顶管管道位于上海轨道交通1号线下方6.80～7.17 m，根据地铁监测数据可以看出，钢顶管顶进过程中对上方轨道沉降变化影响较小。可见对于DN800的小口径钢顶管，在上海软土地层中，当覆土深度达到5D以上时，对上方地铁轨道交通的影响可以忽略。

（2）该工程顶管施工穿越轨交1号线、沪闵路高架及公共管线。因此对顶管施工过程中对上方地表的沉降控制要求高。在开工之前，需要针对工程的风险源进行分析，找出合理的解决方案和针对性措施，预防事故发生，并在施工过程中注意对周围管线和既有构筑物的实时监测。

（3）从该工程监测结果可以发现，顶管开挖对既有的市政管线影响最大，因此应注重在施工过程中对既有市政管线的保护。在施工前应采用一定的保护、加固措施，在施工过程中时刻关注既有管线的运营情况，定时排摸、检查，一旦发现异常应及时处理解决，以免发生事故。

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