頂管施工時對周邊環境的沉降控制

上海建工二建集團有限公司 上海 200080

1 工程概況

1.1 工程簡介

上海軌道交通12號線漕寶路站2#出入口矩形頂管工程為橫穿漕寶路的南北向地下人行通道，頂管始發井位于漕寶路南側場地內，由于漕寶路下重要管線密集且鄰近車站，設置接收工作井將搬遷大量管線，代價巨大。因此在地下通道施工工藝策劃中，確定了頂管利用車站主體進行接收的方式。該通道采用外截面為6 240 mm×4 360 mm的矩形頂管工藝，壁厚500 mm，坡度為0.5%，全長42.5 m。工程覆土深度約為9.75 m，頂管管底埋深約14.11 m，頂管穿越土層主要為第④1層灰色淤泥質黏土（圖1）。

1.2 周邊環境

眾所周知，頂管工程順利進行的關鍵技術之一是控制土層擾動引起的地表沉降。2#出入口基坑東側為污水泵站，地下11 m沉井基礎，距離58 m；北側為漕寶路，人行道路位于圍墻外，距離基坑地下連續墻邊約10 m，漕寶路下為市政管線，距離基坑最近約16 m；基坑東南側為上海市第八人民醫院住院部，地上20層，凈距29 m；距離基坑南側17 m為第八人民醫院門診大樓。

頂管施工的建（構）筑物為2#出入口通道穿越漕寶路，并近距離穿越φ1 200 mm污水管，該污水管為20世紀80年代建造的混凝土承接管，日流量約1×105m3，埋深約5.7 m，距進洞口基坑邊約7 m，距頂管頂距離約3 m，為重點保護對象（圖 2）。

圖1 出入口頂管通道剖面示意

1.3 工程難點

1.3.1 進洞安全

1）頂管下穿漕寶路，車流量大，同時地下土質復雜，受⑤1層砂性土影響，土方開挖至頂管底相同標高時，將會發生滲漏流砂現象。而進洞時萬一發生流砂，搶險需封閉漕寶路，對社會影響極大。為防止水土流失對進洞附近的污水管造成影響，我們在進洞端土體旋噴加固基礎上，增加了輔助水平冰凍措施，以提高土體承載力及止水效果（圖3）。

2）頂管機出洞一般需要單獨設置接收井，但為避免搬遷污水管，頂管利用車站主體進行接收，取消車站主體外掛接收井，矩形頂管機拆卸吊離采用 “金蟬脫殼法”。為在洞口部位增強結構密實度，加強防水效果，決定在進洞口現澆段有效長度7.3 m范圍內的頂板和左右側墻上部0.8 m范圍用高強無收縮灌漿料進行施工，其余部分用自密性混凝土施工。

圖2 污水管剖面位置示意

圖3 水平冰凍剖面示意

1.3.2 穿越安全

頂管頂進過程中，一些主控項目，如頂管機的姿態、土壓力的平衡、推進速度、出土量、背土現象控制等因素，與周邊環境控制息息相關，在控制施工參數的基礎上，為了以防萬一，在φ1 200 mm污水管下增加預埋的注漿管，作為應急備用。車站主體內每1.5 m預埋水平注漿管，注漿管長8 m，頂管穿越期間若出現沉降預警，則及時根據監測數據進行注漿保護。注漿過程中嚴格控制注漿量、注漿壓力，通過監測數據，指導信息化施工[1-3]。

2 頂管施工前期控制措施

2.1 進出洞口加固

為確保頂管機出洞的絕對安全，需對后靠土體及進、出洞區域土體進行高壓旋噴樁加固。

2#出入口始發井基坑圍護采用厚800 mm地下連續墻，始發井洞口加固采用φ1 000 mm@700 mm三重管高壓旋噴樁，水泥摻量30%，加固范圍為頂管以上3 m、以下5 m，頂管左右各3 m，加固寬度為4 m，加固后土體28 d齡期無側限抗壓強度qu不小于1.2 MPa；后靠加固采用φ1 000 mm@800 mm三重管高壓旋噴樁，水泥摻量30%，加固范圍為頂管以上5 m、以下6 m，頂管左右各5 m，加固寬度為4 m，加固后土體28 d齡期無側限抗壓強度qu不小于1.2 MPa；接收井即12號線漕寶路站車站主體，基坑圍護采用厚1 200 mm地下連續墻，洞口加固采用垂直水泥土加固輔助水平冰凍法，垂直水泥土加固平剖面同始發井洞口加固。

2.2 頂管機的選型

土壓平衡式頂管機出土為固體形式，較泥水平衡式頂管機出土為液體形式在土方處置方面更為便利，故本工程采用TH625PMX-1矩形土壓平衡式頂管機。

2.3 頂管施工參數確定

2.3.1 正面土壓力的確定

本工程采用土壓平衡式頂管機，利用壓力倉內的土壓力來平衡開挖面的土體，達到對頂管正前方開挖面土體支護的目的，并控制好地面沉降。

因此平衡土壓力的設定是頂進施工的關鍵。土壓力采用Rankine壓力理論進行計算：P=144 kN/m2。

以上數據為理論計算值，只能作為土壓力的最初設定值，隨著頂進的不斷進行，土壓力值應根據其他實際頂進參數、地面沉降監測數據作相應的調整[4-6]。

2.3.2 頂進速度

出洞加固體頂進階段不宜過快，控制在0～5 mm/min；加固體與非加固體頂進階段，控制在5～10 mm/min；軟土頂進階段，控制在10～20 mm/min。

2.3.3 出土量

嚴格控制出土量，防止超挖或欠挖，正常情況下出土量控制在理論出土量的98%～100%，一節管節的理論出土量為41 m3，出土采用泵送至地面的集土坑內。考慮泵送加水因素，實際一節管節出土量約在44 m3。頂管工程中，管內的出土量要與頂進的取土量相一致，出土量大于頂進取土量，地面會沉降，出土量小于頂進取土量，地面會隆起。這都會造成管道周圍的土體擾動，而要做到出土量與取土量一致的關鍵是嚴格控制土體切削的尺度，防止超挖。

2.3.4 頂推力計算

本工程頂管推進頂力經計算為：F=（4 872～9 377）kN。

3 頂管頂進過程控制措施

3.1 洞門止水裝置

頂管在進出洞口時，由于工作井預留洞口與管節之間存在空隙，如果洞口土體處理不當就會發生土體涌入工作井內，從而造成洞口附近地面發生塌陷。因此除了對進出洞口處土體加固之外，還需在出洞口安裝洞門止水裝置，防止土體和壓注的觸變泥漿流失造成地面塌陷，該裝置安裝在洞口設計預留法蘭上。常規出洞止水裝置由橡膠止水圈與翻板組成。本工程出洞止水裝置根據要求進行了重新改進，在出洞鋼洞圈外接一個鋼套圈，內設2道鋼絲板刷及1道簾布橡膠止水裝置，并且加設油脂壓注孔（圖4）。

圖4 出洞止水裝置

止水裝置裝有壓力傳感器，用壓力表來顯示并控制加油，顯示低于設定壓力時，盾尾油脂泵將自動打開，進行補充油脂并保壓，起到止水效果。

3.2 測量和糾偏

頂管軸線不順直會增大摩阻力，牽動土體造成土體失穩流失。頂進時按設計要求的軸線、坡度進行，施工過程中的糾偏措施很重要，主要原則為：勤測勤糾、小角度糾偏。

3.3 觸變泥漿

觸變泥漿不僅能起到減摩作用，同時也起到一定的土體穩定作用，減少頂管對沉降的影響。一般頂管機的外徑較管節外徑大，頂管機頂過后，管節外圍將產生環形空隙從而導致地層損失。因此及時壓漿、充填空隙并在管道外圍形成一個良好的泥漿套顯得極為重要。

觸變泥漿的用量主要取決于管道周圍空隙的大小、觸變泥漿的失水量大小及頂管地層的土質。一般情況下，觸變泥漿的質量配合比為：水∶膨潤土=（4～5）∶1， 膨潤土∶摻合劑=（20～30）∶1 。施工期間要求泥漿不失水、不沉淀、不固結，既要有一定的黏度，也要有良好的流動性。另外，注漿量也是影響減阻效果的重要因素，對注泵壓力而言，PA代表泥漿套頂端的水壓力和主動土壓力，要求注漿壓力保持范圍為：PA≤P≤PA+30（kPa）。施工時，在壓漿口裝上壓力表，便于觀察、控制和調節壓漿的壓力，目標控制值為0.3 MPa。

3.4 加密監測

在頂到距φ1 200 mm污水管7 m時，監測頻率由原來的1天2次增加到1天4次。通過監測數據，準確了解周邊環境的沉降情況，調節控制頂管后續頂進過程中的施工參數。

4 頂管貫通后控制措施

4.1 置換注漿

頂管結束后，選用1∶1的水泥漿液，通過注漿孔置換管道外壁漿液，根據不同的水土壓力確定注漿壓力，加固通道外土體，消除通道在今后使用過程中產生不均勻沉降的隱患。

4.2 融沉控制

根據施工經驗和土工試驗，凍土融化后其標高可能略低于原始地層的標高，為減少融沉量，解凍后可在通道內進行適當的跟蹤注漿，減小凍結對周圍環境的影響。

注漿的順序是先下部后上部，遵循多次、少量、均勻的原則。單孔1次注漿量為0.5 m3，最大不超過1 m3。一天地層沉降大于0.5 mm或累計地層沉降大于3 mm時應進行融沉補償注漿；地層隆起達到3 mm時應暫停注漿。若凍結壁已全部融化且不注漿的情況下，實測地層沉降半個月不大于0.5 mm，一個月累計沉降量小于1 mm，即可停止融沉注漿。

5 頂管工程沉降數據分析

根據監測數據顯示，頂管推進結束后，地表沉降累計最大變化量-24.69 mm，在警戒值（+10～-30）mm之內。管線沉降4個點報警，累計最大變化量-15.32 mm。部分管線測點超報警值，是由前期基坑施工和頂管施工沉降變化累加形成，沉降數據處于可控范圍內。

6 結語

頂管施工對于周邊環境沉降控制，需根據頂管的施工順序，每個施工階段都必須有相應的措施來有效地減小土體的擾動。結合漕寶路站2#出入口頂管頂進的施工經驗，主要沉降控制技術要點如下：

施工前需充分調查了解工程周邊環境的詳細情況，結合實際情況再合理地選擇頂管機機型。結合始發井和接收位置的實際情況，決定頂管進出洞口及后靠的加固形式和是否采取輔助措施如水平冰凍法來確保進出洞時的安全性。同時根據頂管工程的特點，計算和選定頂管施工時相關的技術參數。

頂管頂進過程中應結合現場實際情況，并根據每日不同時段的監測報表數據，調節控制在出洞加固體階段、軟土階段及其他不同階段的頂管頂進施工參數。

頂管貫通后，要及時置換漿液來控制頂管頂進結束的后續沉降。對于采取輔助水平冰凍的情況，需在土體解凍后的凍結區域跟蹤注漿，減少凍結對周圍環境的影響[7-10]。