大斷面矩形頂管沉降控制技術

鄭書朝（中鐵十六局集團有限公司， 北京 100008)

1 頂管工程發展現狀及面臨的技術難題

伴隨著社會的發展，城市規模的不斷擴大，地下空間的利用需求越來越大。由于城市道路下方市政管線繁多，人流、車流量大，因此采用明挖法施工，必然涉及管線搬遷以及道路翻交，而且費用高、施工周期長。矩形頂管過街通道施工方法，由于施工周期短、經濟投入低，因此逐漸推廣開來。隨著人流量的逐漸增多，矩形頂管通道的尺寸要求也越來越高，由早期的內徑 3 m×3 m（外徑 3.8 m×3.8 m）逐漸擴大到目前的內徑 3.3 m×6 m（外徑 4.2 m×6.9 m）、內徑 4 m×6 m（外徑 4.9 m×6.9 m）。隨著頂管截面尺寸的加大，對環境保護的要求越來越高，對地面沉降的控制要求也越來越高。在長江三角洲軟土地質條件下，運用以往的施工方法，地面實際沉降值遠遠超出現階段的要求。

1.1 頂管工程發展現狀

（1）軟土的天然含水量大、孔隙比大、壓縮系數高、強度低，并具有蠕變性、觸變性等特性，在受頂管施工擾動時，沉降較大。在軟土地質條件下，以往的大斷面矩形頂管施工產生的地面沉降量為 40～50 mm。

（2）現階段我國的頂管用材多數是鋼筋混凝土管，其次是鋼管和玻璃鋼管?；炷凉苤饕糜谙滤?，鋼管主要用于上水管。

（3）現階段，國內城市軌道交通工程的出入口與主體結構之間的聯絡通道已多采用頂管施工，這樣可減少管線搬遷及對市政道路的占用。

1.2 制約頂管工程發展的技術難題

（1）砂性土中，泥漿流失較快。頂管頂進過程中，為降低頂管頂力，管壁外側需注入大量潤滑泥漿。然而在砂性土中，砂性土不具黏著性和塑性，透水性極強，泥漿流失較快。如何減少砂性土中泥漿流失，是頂管工程發展的技術難點

（2）富水條件下，黏性土地表沉降變化較大。富水條件下，黏性土土層流塑性較大，自穩性差。頂管頂進過程中，對頂管機前方土體擾動較大，土體呈不規則變化，地表變化差異較大，不利于施工沉降控制。如何克服富水條件下黏性土地表沉降變化較大的問題，是制約頂管工程發展的技術難點。

（3）穿越多種地層及同一斷面穿越不同地層?，F階段，頂管工程應用范圍越來越廣，從原來單一的地下管道施工到如今地下人行通道的施工，工程穿越地層多種多樣，甚至有的一條頂管隧道穿越多種地層，因此頂進過程中頂進參數需及時調整。

2 頂管工程產生地面沉降的原因

2.1 水土流失

頂管始發井接頭是頂管工作井與外側土體的連接點，采用橡膠止水環對該部位進行止水。如果橡膠止水環與頂管管壁不能緊密貼合，就容易造成頂管工作井外側水土流入工作井內，使工作井外側發生水土流失，進而產生地面沉降。

在頂管管片安裝過程中，頂管機內與外側土體通過螺旋輸送機閘門進行隔斷。由于螺旋輸送機閘門采用抽拉開關式，無橡膠墊進行密封，因此管片安裝過程中易造成外側水源流入頂管機內部，造成頂管機機頭前方土體沉降。

2.2 土壓力平衡遭到破壞

土倉壓力不夠，頂力控制不當，每節頂進結束后，管節后退，導致路面沉降。土壓平衡式頂管機頂進過程中，土倉壓力、頂管頂力與前方土體壓力三者之間相互作用、相互制約，一旦三者之間平衡被破壞，極易引起路面沉降。

頂管法施工不同于盾構法施工，頂進完成后，需要卸載頂力，在油缸收縮后才能進行頂管管片的安裝，無法對土倉內土體壓力進行保壓。管片安裝階段，是頂管機前方土體沉降變化量最大的階段。

2.3 泥漿壓力不足

泥漿壓力不足以支撐上部的土體壓力時，將導致路面沉降。不同于盾構法施工，頂管管片與外側土體之間的孔隙不能采用水泥砂漿進行填充。為確保頂管順利施工，頂管管片與外側土體之間的孔隙應使用泥漿進行填充，一旦泥漿注入量不能滿足頂管施工需要或泥漿流失較快，將導致泥漿壓力減小，頂管管片上方土體下沉。

3 上海地鐵13號線陳春東路站頂管工程沉降控制研究

3.1 工程背景

上海地鐵 13號線二期陳春東路站頂管工程連接 2號出入口及 3號出入口，為矩形過街頂管通道。矩形頂管的設計外包斷面尺寸為 6 900 mm×4 200 mm，管節壁厚 450 mm，建成后地下通道凈空 6 000 mm×3 300 mm，頂進長度為 58.7 m。

矩形頂管的覆土厚度在 6.4～7.0 m之間?？拷ぷ骶畟戎饕獮?：③層灰色淤泥質粉質黏土，靠近接收井側為 ③t層灰色砂質粉土和 ③層灰色淤泥質粉質黏土中頂進施工，其中 ③t層灰色砂質粉土最大厚度為 2.3 m。由于這兩層土的特點是黏性較高、含砂，所以頂進施工時刀盤正面應適當進行土體改良，機殼和管節頂部適當注漿，以防止頂管機和管節背土。

3.2 水土流失控制措施

為減少洞門處滲漏水現象，在洞門處安裝洞門鋼環，鋼環上設置螺栓孔，卷簾板與洞門鋼環通過螺栓連接，卷簾板與洞門鋼環之間設置環形橡膠密封圈。卷簾板的螺栓孔采用腰子孔形式，以利于頂進過程中可隨管節位置的變動而隨時調節，保證簾布橡膠板的密封性能。

螺旋出土機采用雙閘門形式，在原有液壓推拉艙門基礎上，增加帶有橡膠帶的平開式艙門，提高非出土階段螺旋出土機的密封性，減少水體流失。

3.3 土壓平衡保證措施

3.3.1 路面沉降破壞原理以及土體破壞結構性分析

頂管法施工引起周圍地層變形的內在原因在于，土體的原始應力狀態發生了變化，原狀土經歷了擠壓、剪切、扭曲等復雜的應力路徑。頂管管道與土體之間存在施工間隙，如果施工間隙不能及時注漿填補，那么上部及側向的土體將向管道坍落，覆蓋層出現一些附加的間隙或裂縫，使密實度降低。同時，受頂管頂進影響，管道前后、左右、上下各部位土體的位移狀態不同，管道后的土體表層土表現為垂直下沉，深層土隨頂管拖帶向前的水平移動，土體和漿液固結、次固結沉降都使土體產生向下的位移變形。頂管頂進后，不同深度土層擾動曲面疊加形成不同傾斜度的沉降槽。地面變形區段示意見圖1，頂管掘進施工引起的土體沉降見表1。

圖1 地面變形區段示意圖

表1 頂管掘進施工引起的土體沉降表

3.3.2 土倉壓力計算以及設置情況

（1）頂管推進頂力計算見式（1）：

式中：F—總頂力，kN；

F1—管道與土層的摩阻力，kN；

L—管道頂進長度，m；

f—管道外壁與土的平均摩阻力，取 7～12 kN/m2

F2—頂管機的迎面阻力，kN；

a—頂管機寬度，m；

b—頂管機高度，m；

P—頂管機下部 1/3 處的被動土壓力（頂管高度4.2 m，1/3 處為頂管底上部 1.4 m 位置，標高為 －5.38 m，地面標高為 +4.82 m，為地面下10.2 m 的被動土壓力）。

根據式（1）計算：F1＝9 155～15 694 kN，F2＝4 337 kN，F＝13 492～20 031 kN。施工中考慮一些外加不利因素，實際頂進的最大推力在 20 000 kN 左右。

（2）正面土壓力的設定。本工程采用土壓平衡式頂管機，利用壓力倉內的土壓力平衡開挖面的土體，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。土壓力采用朗肯（Rankine）壓力理論進行計算，見式（2）：

式中：P—管道的側向土壓力，

k0— ③t層灰色砂質粉土的側向系數（地質勘查報告顯示 ③層的側向系數為 0.53，③t層的側向系數為 0.36，另依據上海的頂管施工經驗，側向系數取 0.7）；

r—土的容重，本項目取 18 kN/m3；

Z—覆土深度，m；

P1—超載系數，取 20 kN/m2。

根據式（2）計算得P＝148.52 kN/m2。這一數值為理論計算值，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、地面沉降監測數據進行相應調整。

頂管在正常頂進施工中，必須密切注意頂進軸線的控制。在每節管節頂進結束后，必須進行機頭的姿態測量，并做到隨偏隨糾，且糾偏量不宜過大，以免土體出現較大擾動及管節間出現張角。為減少頂管上方地面最終沉降量，在頂管頂進過程中，適當加大頂力，確保頂管機頭前端上部地面適當隆起 8～10 mm，以彌補后期沉降。

3.3.3 止退措施設置情況

由于矩形頂管掘進機的斷面較大，前端阻力大，所以實際施工中，即使管節頂進了較長距離，每次拼裝管節或加墊塊時，主頂油缸一回縮，機頭和管節仍會一起后退 20～30 cm。當頂管機和管節往后退時，機頭和前方土體間的土壓平衡受到破壞，土體面得不到穩定支撐，易引起機頭前方的土體坍塌。若不采取一定的措施，路面和管線的沉降量將難以得到控制。

在始發井洞門外的基座上焊接 2 根豎向定位 H 型鋼。當主頂千斤頂行程結束準備回縮時，利用 2 根預先準備好的 H型鋼斜撐于豎向型鋼上，型鋼與型鋼的接觸面、型鋼與基座的接觸面均進行焊接固定。當管節吊裝下井安裝完成、主頂千斤頂再次伸出管節面時，拆除止退裝置。當頂進長度達到覆土厚度的 2 倍時即可取消止退裝置。

3.4 管壁外側注漿壓力以及泥漿壓力值情況

為減少土體與管道間摩阻力同時減少覆蓋層土體應力變化，在管道外壁壓注觸變泥漿。

3.4.1 泥漿配合比及指標

在頂管開始頂進以前現場取土樣進行配比試驗。適當調整泥漿配比，可確保滿足泥漿在富水條件下黏性土中的效果。泥漿配合比見表2。泥漿性能指標見表3。

表2 泥漿配合比 kg/m3

表3 泥漿性能指標

3.4.2 壓漿孔及壓漿管路布置

壓漿系統分為兩個獨立的子系統：一路為改良土體的流塑性，對機頭內及螺旋機內的土體進行注漿；另一路則是為了形成減摩泥漿套，以對管節外進行注漿。

3.4.3 壓漿設備及壓漿工藝

采用泥漿攪拌機進行制漿，按配比表配制泥漿，純堿和 CMC 應預先化開（CMC 可以邊攪拌邊添加），再加入膨潤土攪拌 20 min，泥漿要充分攪拌均勻。壓漿泵采用柱塞泵，將其固定在始發井口。拌漿機出料后先注入儲漿桶，儲漿桶中的漿液拌制后需經過一定時間方可通過柱塞泵送至井下。注漿壓力控制在 0.3 MPa 左右。

3.4.4 壓漿施工要點

（1）壓漿由專人負責，保證觸變泥漿穩定，施工期間不失水、不固結、不沉淀。

（2）嚴格按壓漿操作規程施工。在頂進時應及時壓注觸變泥漿，充填頂進時所形成的建筑空隙，在管節四周形成減摩泥漿套，減少頂進阻力和地表沉降。

（3）壓漿時必須遵循“先壓后頂、隨頂隨壓、及時補漿”的原則。

（4）壓漿順序：地面拌漿→啟動壓漿泵→總管閥門打開→管節閥門打開→送漿（頂進開始）→管節閥門關閉（頂進停止）→總管閥門關閉→井內快速接頭拆開→下管節→接總管→循環往復。

（5）壓漿量計算(每節管節)。為了保證注漿效果，注漿量設定為理論值的2～3倍，具體數量根據現場實際情況及時調整，頂管機外徑為(4.22＋6.92) m，與管片的間隙為0.015 m，理論間隙每環壓漿量=（4.22+6.92）×2×0.015×1.5=0.5 m3/環。

3.5 頂管后沉降控制措施

分析頂管掘進時地表位移分區圖及頂管掘進施工引起的土體沉降表分析可知，頂管管片上方土體在頂管機頭推進后，管片周圍土體會隨管片頂進方向產生水平位移，從而引起頂管后沉降。為減少頂管后沉降，應嚴格控制壓漿量，降低頂管管片與土體之間的摩擦力，減少土體水平位移量。

對于已產生后沉降區域，以 10 mm 為標準，當沉降量達到或者超過 10 mm 時，采用泥砂補償泵，將黏性土注入管片四周，以使路面隆起 5 mm（相對于原始標高）為標準，抬起管片上方土體。由于富水條件下黏性土流塑性較大，因此在黏性土注入過程中，應嚴密監測周圍土體沉降變化情況。若出現異常區域，停止黏性土注入施工。

3.6 分析確定施工參數

根據頂管施工路面沉降數據階段性情況，階段性地采取措施進行處理，并確定各項參數。由于頂管施工在管片安裝后仍需移動的特性，以及富水條件下黏性土流塑性較大的特性，所以施工監測應隨頂管施工實時進行，對沉降數據進行實時監測。通過監測數據，分析確定頂管施工應設定的機頭前方土體預拱量、泥漿壓力、泥漿補充量、頂進頂力等施工參數。根據頂管后沉降量確定黏性土的注入量及注入壓力，確保在頂管施工過程中路面沉降可控，從而保障施工安全，降低施工風險。

4 控制成果及存在的不足

4.1 控制成果

通過優化洞門橡膠止水措施，改進螺旋輸送機閘門，增設止退措施以及通過實時監測數據分析優化施工參數，對后沉降區域采用黏性土注入工藝，最終頂管施工結束后，路面隆沉值為 ＋3～－5 mm（正值為隆起、負值為下沉），實現了軟土地質下大斷面矩形施工零沉降，也為今后頂管施工提供了有效可行的施工方案。

4.2 存在的不足

雖采用注入黏性土可抬高路面、減少后期沉降，但伴隨著頂管的頂進，填充的土體向前方擴散，施工過程中需不斷注入黏性土，方能滿足要求，造成施工進度緩慢。頂管機前方土壓力較大，止退措施易造成管片開裂。頂管頂進過程中，前方土體壓力達 4 337 kN，當頂力油缸泄力后，壓力全部作用在止退裝置與管片連接處。連接處止退裝置與管片吊裝孔采用銷子連接，對管片吊裝孔會產生集中荷載。主動土壓力經管片全部傳遞至吊裝孔集中荷載處，極易造成該部位吊裝孔變形和混凝土裂縫。

5 結 語

本頂管工程一方面通過大斷面頂管施工參數的優化以及措施的實施減少地面沉降量，另一方面采取有效措施將地面上抬，使地面隆沉始終控制在要求范圍以內，從而確保了地面零沉降。這些技術措施可供類似大斷面頂管施工項目參考。