泥水平衡顶管下穿既有干道地表沉降因素分析与控制措施

盛洪峰

（中交水利水电建设有限公司，浙江 宁波 315200）

0 引言

开挖工程中，道路下方的淤泥地层无形中加大了施工难度，而非开挖泥水平衡顶管顶进施工就具有较大的技术优势，但是顶管下穿部分河道、交通干道会引起线路沉降。泥水平衡顶管顶进施工技术主要依托土压力和水力学理论，采用的是“小盾构”技术原理[1]。施工过程中的支护力主要由顶管机外壳提供，顶管机借助泥水压力平衡土层及地下水压力，进而控制地面沉降，并通过泥水等介质实现弃土输送。本文依托桐乡市西部饮用水源保护建设工程，对淤泥质土地层中顶管下穿既有交通干道所致道路沉降的影响展开预测和分析，并在具体施工过程中对相关顶进施工参数进行优化，可为类似工程提供借鉴和参考。

1 工程概况

桐乡市西部饮用水源保护建设工程湿地区开挖土方271.7万m³，回填土方292.1万m³；原水管线区开挖土方35.9万m³，回填土方27.2万m³；土方工程工作量大，工期紧。设计回填土方断面型式多样、土方造型种类多，不利于大规模流水作业。工程区多为退养鱼塘，淤泥质土居多，开挖后无法用于后期回填，土体含水量大，回填质量难以保证。原水管线工程顶管穿越河道，采用沉井构造工作井、泥水平衡式顶管施工工艺。

该工程顶管顶进施工机械主要使用TLM泥水平衡全封闭机械顶管掘进机，外形尺寸为10420mm×7520mm×5700mm（长×宽×高），大小刀盘组合共6组，直径为4160mm的3只大刀盘前置，直径为3350mm的3只小刀盘后置；30 台纠偏油缸的单缸推力最大可达200t，公称压力为31.5MPa；4 只脱管油缸的最大单缸推力也为200t，公称压力与纠偏油缸相同；配备2 台功率2×37kW、直径670mm、最大排土量120m³/h的螺旋式出土机。顶管则选用公称直径为1200mm、长度为2000mm、壁厚为120mm 的F 型钢承口式钢筋混凝土管材，并配合使用楔形橡胶圈，内口密封则通过聚氨酯密封膏嵌缝处理，内嵌密封后确保顶进钢套管公称直径达到1000mm。

2 地层沉降的模拟分析

为构建模型，假设开挖面土体所承受的推力属于圆形均布荷载[2]，并根据顶管机头泥水舱实测压力取值；结合实际监测资料，顶管机头位于模型范围内时，泥水舱实际压力取0.18MPa，且顶管推进期间仅考虑顶进空间距离的影响，而忽略土体的时间效应，所以顶管壁和周围土体间的摩阻力便主要沿管道长度方向均布。结合顶力-顶程曲线，顶管机头穿过模型范围时，实际摩阻力可达到2.0kPa。结合工程实际，构建分析模型，沿顶管轴线方向及横向的长度分别为70m和66m，以天然地表为上表面，上下表面相距40m，管线水平方向、竖直方向曲率半径分别取500m 和700m，有限元模型具体如图1所示。

图1 有限元模型

针对所构建的有限元模型，其各边界均采用位移边界条件，上表面为自由边界，下表面施加竖向位移约束，剩余表面施加法向位移约束[3]。

2.1 地层沉降受摩阻力的影响

在顶管施工的过程中，黏性土对顶管外壁所产生的摩阻力通常为20～30kPa，如果将膨润土泥浆填充在管道外壁与土体之间，则可大大降低顶管顶进阻力，并能有效控制施工对土体的扰动及施工引起的地表沉降。当所填充的膨润土量恰好能分隔开顶管外壁和土体，便能形成一种“泥浆套”，将顶管所承受的摩阻力降至最低，此时顶管中心地面所对应的沉降量最大，2mm的地面最大隆起量位于掌子面前10m 处，该结果与监测数据基本一致。此外，注浆点位、实际注浆量及注浆压力等均对“泥浆套”的厚度和质量存在一定程度影响[4]。顶管外壁摩阻力与地表横向变形的关系具体见图2。

图2 不同顶管外壁摩阻力下地表横向变形曲线

2.2 地层沉降受土体抗力的影响

顶管顶进过程中管道横向变形受到土体抗力的影响较大，但纵向变形几乎与土体抗力无关。在土体抗力的作用下，地表横向变形并不是沿顶管轴线对称分布，外侧地表土体变形量明显比内侧地表土体变形量小，且这种差距随抗力的增大而增大。此外，最大地表沉降量也并非位于顶管轴线正上方，而是分布在顶管曲线圆心侧。

2.3 机头压力的影响

地表隆起值与机头压力呈正相关关系，且最高隆起点一般位于机头附近。从纵向看，随着机头压力的增加，其前方土体隆起量增大，而机头后方土体沉降量也随之增大，但是沉降值远比隆起值小，两者的变动并未表现出规律性。从横向看，最大沉降出现在顶管中心，机头压力并未对其正上方土体产生较大影响，且随着机头压力的变化，其变形量基本不变，具体见图3。

图3 不同机头压力下地表横向变形曲线

通过以上分析不难发现，顶管顶进过程中地表沉降最大值并非出现在管道正上方，而是位于偏向顶管平面曲线圆心侧，至于偏移的距离主要取决于顶管平面曲线半径，一般情况下，顶管曲线半径越小，则偏移距离越大。顶管管壁外侧增设连续的“泥浆套”也能对顶进过程中地表沉降起到一定程度的抑制作用，且“泥浆套”越完整，顶管顶进施工所引起的地表沉降越小。随着顶管机机头压力的增加，其前方土体会持续发生较大变形，机头前方和正上方土体的变形量基本不会随机头压力的变化而变化，而机头后方土体沉降量和隆起值随机头压力的增加而增大，沉降量降速也更快[5]。此外，注浆压力也是影响顶管顶进施工过程中既有干道沉降的一个因素，在其他条件不变的情况下，随着注浆压力的增大，地表沉降呈不断减小趋势，但是当注浆压力超出0.2 MPa后，地表还会同时出现隆起。

根据有限元分析，并结合该工程顶管顶进过程中既有干道沉降控制要求，应当在顶进施工时将顶管四周摩阻力控制在10kPa；机头压力不超出0.18MPa时，掌子面前方地面隆起量仅为1.0mm。

3 既有干道沉降估算

在有限元分析的基础上，应用佩克半经验公式进行顶管顶进施工过程中既有干道沉降槽深度和宽度等的估算[6]。顶管顶进施工过程与盾构隧道工作状态较为接近，埋深越浅则对既有干道的影响也越大。测算过程中结合干线安全等级，取其最不利位置，此处顶管中心处设计埋深为9.7m。

式中：Smax——顶管中心线处既有干道沉降量最大值，mm；

Vs——沉降槽在单位长度段的体积，m³/m；

i——沉降槽宽度，也就是既有干道沉降槽曲线上反弯点至顶管中心轴线之间的水平距离，m；

Z——顶管中心到路床顶面之间的距离，m，取9.7m；

K——顶管顶进影响系数，取0.282。

地层损失率为超出顶管开挖量理论值的体积VL与顶管开挖量理论值Vt之比，Vt取1.63m³/m。对于式（1）而言，在不考虑压缩的情况下，Vs=VL。结合类似工程实践经验以及该工程所在区域淤泥质土力学特性，分别按照地层最不利和最有利的损失量情况进行既有干道沉降量上下限确定，两种情况下地层损失率分别取2.5%和0.5%。

将该工程相关参数代入式（1）和式（2），得到沉降槽宽度i=1.615m，Smax,有利=2.02mm，Smax,不利=10.09mm。根据工程所在区域地方交通管理部门相关文件，路基沉降位移日变化量和累计变化量应分别不超出2mm/d 和10mm。结合以上分析及测算结果，顶管顶进施工期间，既有干道日沉降量的控制值基本接近上限，如果将地层损失率严格控制在2%以内，则沉降量累计值可基本满足不大于10mm的要求。

4 沉降控制及结果监测

4.1 既有干道沉降控制

对于顶管施工而言，通常通过人工方式启闭注浆阀门以控制外部注浆过程，这种操作无法保证控制精度和施工时效，该工程施工过程中既有干道属于正常运行道路，对地面变形量的要求较高，因传统的施工工艺无法保证顶进穿越过程中水土压力的动态平衡[7]，而无法满足施工控制要求。为此，该工程段采用自动注浆顶管施工系统，通过加强注浆量的精确控制，避免既有干道出现沉降或隆起过大。再通过优化试验段注浆施工参数，确保注浆过程的相对稳定，每节管节设置有12 个注浆孔，对应设置12个自动注浆控制阀。在顶管顶进施工期间，各阀门依次开启10s，并循环一圈，总注浆时间为2min，一次注浆量达到0.14m³。考虑到施工区域淤泥质土渗透系数小，故将注浆压力增大至0.30～0.35MPa。这种全自动注浆系统的应用即有效避免了人工操作可能产生的误差，又使顶管外壁和周围土体的摩阻力大大降低，有效控制施工过程中的地表变形。

在顶进结束后，立即通过水灰比为0.45的纯水泥浆置换膨润土泥浆，置换后的注浆压力控制在0.2～0.5 MPa，纯水泥浆注浆量按照0.3m³/m确定。

4.2 控制结果监测

为进行顶管顶进施工期间以上应对措施实施后既有干道沉降监测，在顶管施工范围外3.0m、顶管中心轴线上方、顶管顶进范围外缘等处分别设置监测点，根据顶进距离进行顶进施工前后沉降情况的分析。根据监测结果，在顶管顶进至各沉降监测点前10m 的位置时，各监测点均受到一定程度的影响，监测数据发生较大波动；而当顶管穿越相应的监测点后，沉降监测结果表现出逐渐稳定趋势。通过分析顶管中心轴线监测点监测数据发现，其沉降量结果明显比其他位置大，沉降量为7.1mm，隆起量为7.4mm，待顶管穿越后沉降量和隆起量监测值均回落，待顶管中心轴线监测点处监测结果趋于稳定后，其沉降量和隆起量分别为6.2mm和5.8mm。顶管顶进施工边缘位置沉降量和隆起量最大值分别为4.1mm 和7.0mm。顶管顶进范围以外3.0m 处的监测点所测得的结果显示，沉降量和隆起量最大值分别为6.0mm 和7.2mm，且均在顶管穿越后趋于回落。在泥水平衡顶管顶进施工过程中土压力波动始终控制在±20kPa范围内，根据沉降量的监测结果，沉降控制措施实施后对既有干道沉降有较好的控制效果。

5 结束语

综上所述，在淤泥质地层中采用泥水平衡顶管顶进下穿既有干道时，必须加强地层损失控制，通过优化顶进施工参数，加强施工过程控制，确保累计沉降量不超出控制值。根据有限元分析结果以及沉降监测结果，在控制顶管施工所致既有干道沉降方面，随顶管顶进施工，同步注膨润土泥浆对于减少和控制路床沉降有较好效果，待顶进结束后，通过纯水泥浆置换膨润土泥浆，可使既有干道沉降趋于收敛稳定。