矩形頂管隧道施工引起地面變形的控制措施

姜洪建 朱 坤 蔡 松

(1.華北水利水電大學地球科學與工程學院，河南 鄭州 450046； 2.深圳市勘察測繪院有限公司，廣東 深圳 518028)

1 概述

伴隨著我國城鎮化進程的加快，地下空間的開發和利用越來越受到建設者的青睞。頂管施工作為繼盾構施工之后發展起來的一種非開挖施工工藝受到了廣泛的運用[1]。與圓形截面相比，矩形截面有效利用面積達20%以上[2]。但矩形頂管法存在一個重要的施工難題，就是如何有效控制施工引起的地面變形[3]。本文對頂管施工引起的地面變形破壞形式進行了簡要探討，進而著重研究了施工引起地面變形的控制措施。

2 頂管施工引起地面變形破壞形式

頂管施工引起地面變形的破壞形式，主要有以下幾個方面[4]。

2.1 地面沉降及隆起破壞

矩形頂管施工引起的地面沉降或者隆起可能會造成結構物整體下沉或上升。如果這種變形比較小且均勻，對結構物的穩定性和使用功能不會產生大的危害，但過大的變形會使砌體結構的結構物產生水平裂縫現象，影響其防水功能，發生地下水的滲漏。這對于高速鐵路、高速公路等敏感性工程，其施工要求更高，標準更嚴格。

2.2 地面傾斜破壞

由于地層的巖性存在差異，以及地層的起伏性，頂管施工引起土體的不均勻沉降。不均勻沉降延伸到地表會產生傾斜，造成結構物的歪斜，從而引起附加應力重分布，當某些部位應力過大造成基底土體塑性損壞，引起整個結構物的破壞。此種破壞對建(構)筑物的危害最大。

2.3 地面曲率破壞

矩形頂管施工引起的地層不均勻變形造成水平地面形成曲率，地面曲率對建(構)筑物產生較大的影響。地面曲率根據沉降和隆起分為正曲率和負曲率兩種。在負曲率的情況下，結構物中部隆起量大，兩端部分隆起量小，結構物中央部分懸空，兩端受剪切，墻體產生的破壞為正“八”字形裂縫。反之，在正曲率情況下，結構物墻體產生倒“八”字形裂縫破壞。

2.4 地面水平變形破壞

地面水平變形分為拉伸和壓縮變形。由于結構物抗拉伸強度遠小于其抗壓縮強度，所以結構物對地面的拉伸變形反應十分敏感，所以地面水平變形破壞的主要因素是拉伸變形。當結構基礎側面受到外向水平推力的作用下，很容易產生開裂現象，嚴重者導致建筑物破壞影響其正常使用，降低了建筑物使用年限。

在實際的工程中，地面變形對建(構)筑物的破壞形式，是多種破壞形式共同作用的結果。例如，當地面拉伸變形和正曲率同時存在時，壓縮變形和正曲率也同時發生。

3 頂管施工引起地面變形控制措施

頂管技術解決了在城市密集地區采用非明挖施工，減少對城市交通影響的問題，但其施工過程不可避免的對周圍環境產生一定的影響，當這種影響較大時會導致建筑物喪失使用功能，道路中斷、管線開裂、人身傷亡等。因此，在工程建設中，采取措施控制地面變形，將頂管施工引起的危害降到最低程度。

3.1 控制開挖面穩定

控制開挖面穩定可降低對地層的擾動，是控制地層損失、減小地面變形的有效措施。保持開挖面穩定是通過土倉壓力來平衡開挖面前方壓力。

從理論上分析，在管節頂進的過程中，如果土倉壓力P小于所處地層主動土壓力PA，開挖面支護力不足，造成地面沉降。反之，如果土倉壓力P大于所處地層被動土壓力為PB，開挖面支護力過大，造成地面隆起。如果把土倉壓力控制在PA

3.2 控制推進速度

推進速度與出土量是影響地面變形的主要因素。當推進速度過快時，土壓力增大，地面會產生隆起，此時需要增加螺旋輸送機的轉速，提升出土速度，來保持切土量與出土量的均衡，同時適當降低推進速度。如果推進速度過低，土壓力較小，地面會產生沉降，此時需要減小螺旋輸送機的轉速，降低出土速度，到達切土量與出土量的平衡，同時適當增加推進速度。由此可見，推進速度和出土量在控制地面變形是兩個相輔相成的影響因素，同時保持切土量與出土量相對平衡，才能控制對管節周圍土體的擾動程度和地面變形量的變化，尤其要防止出現出土量過大的現象。

在開始階段頂進速度不宜太大，頂進速度一般控制在5 mm/min～10 mm/min，正常推進階段速度可控制在10 mm/min～20 mm/min。通常情況下，出土量控制在理論值的98%左右。在工程實際操作中，將地表沉降的監測結果及時反饋給頂管機中控室操作人員，從而調整出土量和推進速度，將地面變形控制在安全合理的范圍內。

3.3 控制同步注漿

同步注漿可以有效的控制地面變形。可見，在頂管施工過程中，泥漿有非常重要的作用。主要表現在三個方面：

1)減阻作用，由于頂管管節與周圍土體存在接觸面，頂進過程會相互之間產生摩擦阻力，注漿后起到潤滑作用，減少頂進阻力；

2)填充空隙作用，管節頂進后與周圍土層存在空隙，注漿能很好的充填到這些空隙中；

3)控制地面變形作用，在注漿壓力作用下穩定了周圍土體，有利于減小地面沉降。在一段頂管施工結束后，需要進行泥漿置換，加注混凝土泥漿，起到更加穩定周圍土體的作用。如今大斷面矩形頂管機配備有泥漿套壓力自動控制系統，可以有效控制注漿壓力和注漿量，根據后期地面變形的情況及時進行二次注漿。

3.4 控制頂進方向及糾偏

矩形頂管機按照隧道指定的設計軸線開挖是最理想的施工狀態。但是頂管機施工是一個復雜的多工序系統，頂進過程中，軸線偏差一旦增大，其糾偏難度將變大，因此軸線控制是矩形頂管施工的一大難題。推進軸線與設計軸線發生偏差，就要進行糾偏，糾偏過程中會使一側土體受到擠壓而隆起，另一側土體產生縫隙而沉降，從而造成地層損失的增加，地面變形量增大。為了減小糾偏造成的地層損失影響，應避免產生大角度的糾偏，同時按照“多測量、多糾偏、緩糾偏”的原則合理操作，這樣才能確保頂管機準確、順利、安全的施工。

3.5 其他控制措施

除以上控制措施外，還有其他控制措施。

施工前控制措施：

1)合理設計頂管管徑和埋深：兩者是影響地面變形的重要參數，兩者的選擇是考慮工程投資、功能以及施工環境綜合確定的；

2)選擇適當的頂管機類型：頂管機主要包括土壓平衡式、泥水平衡式、氣壓平衡式頂管機，不同頂管機適合的地層不同，其在施工參數的控制精細度上也存在差異。應根據不同工程地質條件選擇適合的頂管機。

施工中控制措施：

1)進、出洞控制：由于工具管外徑小于洞口直徑，在工具管進、出洞口的過程會有空隙，地下水、泥砂進入工作井中，引起上部土體發生坍塌，影響結構物的安全。可以在洞口附近一定范圍內采取高壓旋噴、注漿、凍結、深井降水等加固措施；

2)管節防水、止水技術：管節防水采用兩道防水形式，第一道密封是在兩管節之間設置橡膠脹圈，第二道密封是在端面之間注入混凝土漿液，使管節之間形成整體，起到防水、止水效果。

4 結語

矩形頂管施工是一個復雜綜合的系統建設工程，控制地面變形的措施不是單一因素決定的，而是需要各控制措施相互之間協調，將工程的施工對環境的影響降到最低，從而取得良好的社會和經濟效益。