浅覆土曲线段大直径泥水平衡顶管施工沉降的控制

2022-12-15李小龙

四川水泥 2022年12期

李小龙赵睿

（1.中铁北京工程局集团城市轨道交通工程有限公司，安徽合肥 230088;2.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁 530004）

0 引言

近年来，城市地下管网建设受所处的环境影响，通常采用非开挖技术进行施工，其中顶管技术应用尤为突出。顶管作为近年来使用较多的一种施工方法，有着其独特的优点。顶管施工可以将作业面移至地下，减少对地上建（构）筑物的影响，其环境效益和经济效益都十分可观。但是当顶管在地下施工，就不可避免地对土体产生扰动。如果处理不当，会使地面产生较大沉降或隆起，甚至影响上部建筑物安全，所以控制好顶管施工过程中的沉降是顶管工程成败的关键[1-6]。

广州地铁7号线二期某车站D2000污水管迁改工程采用泥水平衡顶管大直径污水管进行施工，工程具有埋深浅、管道直径大、地质条件差等特点，并且下穿复杂敏感区域。若施工过程中地面沉降得不到有效控制，将带来巨大的不良社会影响。鉴于此，本文从多方面提出沉降的控制措施，并通过现场监测分析沉降变化特点，以确保施工安全。

1 工程案例

1.1 工程概况

广州地铁7号线二期某车站现状D2000污水管横穿车站，埋深7.5m，车站施工前需要将该管道永久迁改至基坑范围外。根据现场实际条件，最终确定的迁改方案路由总长度约888m，全部采用顶管施工，工作井6座，接收井7座，管道采用单向坡度，坡度为0.5‰，管节外径2400mm，内径2000mm，标准管节长度2.5m。由于部分居民小区及学校不具备工作井及检查井施工条件，设计采用279m直线+曲线顶管穿越，其余管段长度为60~135m不等。曲线段参数如表1所示。

表1 曲线段参数统计表

1.2 工程地质条件

以顶管工程曲线段为例，施工区地层从上至下分别为杂填土层、黏性素填土层、淤泥质土层、淤泥质粉细砂层、淤泥质中粗砂层、粉质黏土层、中粗砂层，地下水埋深1.7～2.8m。

1.3 工程难点

由于新建车站周边紧邻居民小区、市政道路、既有地铁运营线及河道，导致该管道迁改路由选择十分困难，最终选定的迁改路由下穿民房2处（条形基础，埋深1.5m），下穿市政道路1次（进港重型车道，管顶覆土5.2m），下穿既有河堤约120m（局部存在偏压及冒顶风险），下穿学校运动场80m（学校处于教学时段），周边环境复杂。同时地质纵断面显示，顶管上部平均覆土厚度为5.2m，最小3.8m，最大5.7m，主要穿越淤泥质土层、淤泥质粉细砂层、淤泥质中粗砂层，顶管上部覆土浅且穿越软弱地层，沉降控制难度大。顶管具体路由及周边环境如图1所示。

图1 D2000污水管迁改路由平面图

1.4 顶管机刀盘选择

前期5-9#井顶管施工采用了Ф2460mm刀盘泥水平衡顶管机（见图2），主要是针对河堤下部存在的树根、回填块石等障碍物，该机型带有二次破碎功能，不易堵管，但从整个顶管过程来看，施工沉降控制难度较大，周边地表沉降到达11~20cm，房屋下沉最高达15cm。

图2 5-9#井顶管机刀盘

为避免9-13#井顶管施工期间出现类似情况，减小了刀盘直径，选用了Ф2420mm刀盘泥水平衡顶管机（见图3），该机与前期施工使用的顶管机相比，具有刀盘开口率小、功率大、具备局部破岩功能（配备滚刀6把）等特点。施工过程中主要通过控制排泥管的泥浆排量以平衡开挖面的地下水压力，泥水仓压力一般比掘进地层的地下水压力高20kPa。

图3 9-13#井顶管机刀盘

2 沉降控制措施

2.1 地层预加固处理

9-13#井曲线顶管区间始发后22.5m处开始下穿进港重型车道（道路宽14m，双向四道），穿越处管道顶部覆土厚度约5.6m，管底为淤泥、淤泥质土和淤泥质砂土，地质条件差。顶管施工期间如果出现地面下沉或开裂等情况，将导致中断交通，为降低施工风险，可提前对道路下方采取注浆的方式进行加固处理，同时在路面铺设厚钢板。

2.2 顶进参数控制

顶进过程中泥水压力的设置主要是考虑地下水的影响，泥水仓的泥水压力需要高出地下水压力20~30kPa。9-13#井顶管区间平均埋深5.7m，得到的泥水压力控制值为0.06~0.08MPa。顶管顶进施工中需要严格控制相关技术参数，并根据监测数据的变化进行相应调整。顶进施工过程中做好机手之间的对接，坚持“多调、微调”原则。本段曲线顶管区间的顶进参数控制如表2所示。

表2 顶进控制参数

2.3 触变泥浆技术

9-13#井顶管区间选用的顶管机刀盘直径为2.42m，顶进过程中后续管节直径比顶管机刀盘直径小20mm，造成管道与周边土体存在空隙。在曲线顶管过程中纠偏会对土体一侧产生挤压作用，而另一侧由于应力释放也会形成空隙。因此，在顶进的轨迹中会形成许多空隙。顶进过程中泥浆的作用为：（1）减阻作用，将顶进管道与土体之间的干摩擦转换为液体摩擦，减小顶进的摩阻力；（2）填补作用，填充管道与土体之间存在的空隙；（3）支撑作用，在注浆压力下，减少土体变形，使管道周边土体变得更稳定。

顶管施工过程中，由于机头向前移动，泥浆套容积不断增大。若不及时注浆，泥浆套压力降低，产生抽吸作用，易导致管外壁间隙的坍塌，土体坍入泥浆套，使浆套残缺不全。因此同步注浆必须先注后顶。

结合实际地质条件，本段顶管选用钠基膨润土，注浆压力为0.06MPa，注浆量按照顶管施工后形成空隙的1.5倍计算，每节管顶进后注浆量不少于0.3m3。注浆管按照间隔3个管节进行预留，分机尾同步压浆、沿线补浆、洞口注浆3条线进行，主要目的是在管外壁形成完整的触变泥浆润滑套。顶进过程中机尾同步注浆及时填充机头与管节之间的空隙以及纠偏产生的空隙，沿线补浆是对管外壁泥浆渗透至土层造成的泥浆套缺损进行修补，洞口注浆是防止管节泥浆套在刚进洞时被塌落土体破坏。本段泥浆控制参数如表3所示。

表3 膨润土泥浆性能控制表

2.4 纠偏技术

工具管纠偏直接影响到地面的沉降。操作中要求“勤顶、勤测、勤纠”，及时进行微调，原则上每顶进一节就测量一次。纠偏应尽量选择在管道顶进过程中进行，避免在静止状态下纠偏（静态纠偏所需的力大于动态纠偏所需的力，且会对第一段管节产生不均匀的应力）。纠偏时要小角度纠偏，因纠偏角越大，空隙越大，会造成管壁周边土体坍塌，从而引起地面沉降。

3 监测数据分析

9-13#顶管全长279m，8月11日顶管机始发顶进施工，8月20日完成接收出洞，共计用时10d。本段直线段顶管135m，曲线段顶管长145m，按照设计要求的布点间距，沿线路共设置52个监测点，地表监测范围为轴线两侧6m，建构筑物监测点布置在转角处。结合实际地质条件及特殊工况，设计规定的地表沉降控制值为60mm，预警值48mm，变形速率控制值为4.2mm/d，建构筑物沉降控制值为40mm，预警值为32mm，变形速率控制值为3.2mm/d。

由于监测点位较多，沉降数据分析按照四段划分，第一段监测点（DBC09-第9节管地表点至DBC24-第24节管地表点）主要布置在丰乐南路及金逸雅居小区大门，第二段监测点（DBC30至DBC54-3）主要布置在金逸雅居内人行道上，第三段监测点（DBC59-1至DBC82-3）主要布置在外国语学院体育器材室前后，第四段监测点（DBC88-1至DBC109-3）主要布置在外国语学院篮球场区域。监测点布置如图4所示。

图4 9-13#井顶管监测点布置

第一段数据分析（见图5）：从开始顶进施工到机头出洞完成3d，监测点沉降最大值为56.1mm（DBC09-1），监测点沉降最小值为6.4mm（DBC19-2）。本段主要下穿既有道路，从沉降数据来看，在道路下方提前注浆加固后的沉降较小，不具备加固条件位置沉降值较大，但未超过控制值，同时下穿小区大门期间变形数据稳定，顶管接收后的固结沉降值约15mm。

图5 第一段地表沉降量变化

第二段数据分析（见图6）：从开始顶进施工到机头出洞完成后3d，监测点沉降最大值为97.94mm（DBC45-1），监测点沉降最小值为10.09mm（DBC40-3）。本段主要下穿河堤，由于管顶覆土较浅且存在偏压等不利条件，同时顶进过程中有松木桩等障碍物导致推进速度缓慢，排渣量上升后沉降速率加大；且在含水量较大的黏土中顶进时，实际注浆量应大于预计注浆量的1.5倍，因此地表沉降超限较多，顶管接收后的固结沉降值与第一段一致。

图6 第二段地表沉降量变化

第三段数据分析（见图7）：从开始顶进施工到机头出洞完成后3d，监测点沉降最大值为148.36mm（DBC64-1），监测点沉降最小值为8.44mm（DBC82-3）。造成该现象的原因可能是管壁与周边土体的空隙填充不及时，造成地层应力释放，土体发生弹塑性变形而引起地层沉降；并且本段主要下穿河堤及学校器材室，在学校器材室位置顶管由直线向曲线过渡，曲线段管外侧土发生扰动，导致曲线管外壁建筑间隙不断增大；由于机头纠偏次数过多，对管道周边土体扰动较大，导致地表沉降值急剧加大，远超控制值，同时学校器材室仅为一层小楼，基础埋深浅，顶进期间由于不均匀沉降出现了较大的裂缝，顶管接收后的固结沉降值与第一段一致。

图7 第三段地表沉降量变化

第四段监测数据分析（见图8）：从开始顶进施工到机头出洞完成后3d，监测点沉降最大值为51.11mm（DBC109-1），监测点沉降最小值为0.58mm（DBC109-3）。本段主要下穿学校篮球场且地势平坦，顶进期间由于曲线顶管临近接收端位置，纠偏次数较多，导致沉降数值较大，但未超过控制值，其余点位沉降数值稳定，顶管接收后的固结沉降值与第一段一致。