淺覆土小間距矩形頂管施工地表變形控制技術

韓占波， 豆小天， 曹偉明， 王晉波， 趙李勇， 鄭麗軍

(1. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河 065201)

0 引言

頂管法具有機械化施工、主體結構預制拼裝、對地上交通及環境影響小的優勢，在城市地下空間開發中被廣泛應用。其中矩形頂管的空間利用率高和開挖土方量少，相比圓形頂管更具優勢。目前，矩形頂管技術在國內已成功應用于綜合管廊、地鐵區間隧道、地下過街通道等多個工程項目。但是，在頂管工程施工過程中不可避免地會引起地層擾動，造成地表變形，施工過程存在較大安全風險。

國內學者通過現場試驗、監測數據分析及借助數值模擬手段，對頂管施工地表變形規律及機制進行研究，取得了良好成果[1-3]。在頂管施工地表變形產生的原因方面，相關研究[4-6]表明，頂管施工過程的地層損失是產生地表沉降的主要因素，而土艙壓力主要影響掘進面的地表土體隆起變形。在變形控制技術方面，袁凱等[7]研究采用渣土改良、控制頂進速度、同步注漿等技術有效控制了地表變形； 朱劍等[8]提出了頂管機頭上抬、加設注漿套板、管節減摩注漿以及合理的頂進參數等變形控制措施； 榮亮等[9]針對鄭州市下穿中州大道矩形頂管隧道工程，研究了頂管機防背土、頂管隧道止退等沉降控制關鍵技術； 顧陽華[10]、王偉[11]、 楊燁旻[12]、李錚華[13]分別依托具體頂管工程，對施工風險控制、地表沉降控制等進行了總結及分析。

本文依托某地下停車場試驗項目，為國內外首例嘗試采用結構分割轉換工法(cut and convert method, 簡稱“CC”工法)施工的裝配式地下工程，頂管施工為淺覆土的隧道群小間距掘進。因此，該工程與常規單線頂管隧道，以及已實施完成的小間距隧道群工程有所不同，其變形規律及變形控制措施具有特殊性。需在常規頂管工程地表變形研究基礎上，進一步探討本工程中地表變形控制技術。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某地下停車場試驗項目，為采用CC工法的頂管施工大型裝配式地下工程。該地下停車庫規模為34.2 m×85.8 m(寬×長)，為地下1層結構，設計停車位約99個。該項目采用頂管法施工，東端為頂管始發井，坑底尺寸為36.548 m×13.468 m(長×寬)，工作井深9.1 m；西端為頂管接收井，坑底尺寸為36.548 m×9.468 m(長×寬)，工作井深9.1 m；頂進長度為61.58 m，頂管埋深為3.0 m。地下停車場示意圖如圖1所示。

圖1 地下停車場示意圖

1.2 工程地質及水文地質

本場地勘探范圍內揭露的第四系(Q)沉積地層，自上而下分別為雜填土、粉砂、粉土、黏土及粉砂。場區地質剖面如圖2所示，各土層參數如表1所示。本項目地下停車場明挖基坑段及頂管施工段結構底板最大埋深為9.15 m，主體結構全部位于粉土層，土性為稍濕，稍密—中密，土層分布連續。在本次勘探深度范圍內地下水類型為第四系潛水。場地地下水位埋深約18 m。

圖2 場區地質剖面

土層層厚/m重度/(kN/m3)黏聚力/kPa內摩擦角/(°)壓縮模量/MPa雜填土0.3516810粉砂1.6617101512.0粉土12.6516.810.927.19.0黏土1.3119.714.617.28.5粉砂1017.2101516.5

1.3 CC工法頂管施工特點

CC工法的核心是結構分割及受力體系轉換。根據地下空間的建筑需求及目前的建造技術，將地下空間斷面分割為若干易于施工的小單元，逐個分部施工，通過空間結構改造將諸多小空間轉換為大空間，最終完成地下空間開發的施工方法。該類工法可采用盾構或頂管等方法實現。

隧道群分割及施工順序如圖3所示。首先進行結構分割，將大型矩形斷面劃分為小型斷面，則原大型地下空間分割為7個密貼頂管隧道群，每條隧道長度為61.5 m，依序進行頂管推進施工。因分割斷面的特殊性，利用定制的成套施工裝備，采用1臺5.02 m×5.74 m頂管機頂推中間5跨，其余2個邊跨待頂管機改裝斷面為5.02 m×2.87 m，再分別從東往西頂進，分別依序始發、接收。待2個相鄰頂管隧道獨立成型之后，需要進行頂管隧道群的合并，進行整體的受力轉換，形成大型矩形斷面結構。

圖3 隧道群分割及施工順序

本工程因采用CC工法建造，為多條隧道并行的小間距頂管施工，且頂管埋深較淺，因此對施工過程的變形控制要求較高。

2 地表變形的影響因素分析

因本工程采用特殊的CC工法進行頂管施工，其工程場區覆土厚度、相鄰隧道密貼施工的交互影響、頂管施工過程的地層損失等諸多因素，都會在一定程度上對隧道上方地表變形產生影響。

2.1 上覆土厚度的影響

本工程采用5.02 m×5.74 m組合式矩形頂管機，頂管機截面面積較大，若等效成面積相同的圓形截面則等效半徑為3 m，按圓形頂管的標準屬于大口徑頂管，埋深一般要求不小于6 m；但本工程上覆土只有3 m，埋深較淺，施工時頂管機及管節上方土體整體穩定性難以保證，在推進過程中掌子面土體容易出現坍塌現象，地表則表現為較大的土體沉降變形。

2.2 相鄰隧道小間距施工的影響

不同于其他頂管施工，頂管機與既有管節的關系如圖4所示。本工程隧道群相鄰2條隧道管節之間的間距為30 mm，頂管機與既有相鄰管節之間間距為10 mm，間距極小，在頂管施工過程中相鄰隧道間會產生交互影響。一方面，開挖中的隧道會對其周邊已完成隧道及土體產生擾動； 另一方面，因已完成隧道距開挖隧道距離極小，其前期開挖過程已造成了周邊土體的擾動，改變了土體顆粒間的接觸應力，影響了其固結狀態，待開挖該處的隧道時，已經擾動的土體則更易發生變形，甚至發生失穩問題。

圖4 頂管機與既有管節的關系

Fig. 4 Positioning relationship between pipe jacking machine and existing pipe section

另外，隧道的小間距施工，受到已掘進完成的相鄰隧道管節空間位置的影響，施工時的軸線姿態控制及糾偏可能會受到一定的限制，進而影響掘進姿態，可能導致土體變形。

2.3 地層損失的影響

頂管施工過程中，產生地層損失的原因是多方面的。本工程采用多條小間距隧道群施工，掘進過程中不可避免地會出現地層損失的現象。

2.3.1 頂管機與管節外徑差引起的地層損失

頂管機與管節外徑差示意圖如圖5所示。本工程所用頂管機外徑尺寸如下： 分體前頂管機外徑尺寸為5.02 m×5.74 m,管節外徑尺寸為5 m×5.7 m；分體后頂管機外徑尺寸為5.02 m×2.87 m,管節外徑尺寸為5 m×2.85 m。在正常推進時需要通過注漿來填充頂管機與管節的外徑差，但在出現漏漿或者注漿量不足時，在外徑差的影響下，頂管機上方土體則會發生沉降，引起地層損失。

圖5 頂管機與管節外徑差示意圖

Fig. 5 Distance difference of eternal diameter between pipe jacking machine and pipe section

2.3.2 超欠挖引起的地層損失

頂管施工時，隨著土質和掘進速度及出土量的變化會造成一定的超欠挖，主要集中發生于掌子面。當出現超挖時則地表會發生沉降，反之，因頂推力的作用，地表會發生隆起。實際施工中，超挖現象較為突出，所以在頂管掘進過程中應嚴格控制出渣量，防止地面變形。

2.4 注漿效果影響

施工時需采用觸變泥漿進行同步注漿，起到潤滑減阻、支撐地層等作用。若注漿效果不佳，如未及時形成完整、有效的泥漿套，則可能導致頂管推力增大，進而引起后期的較大變形。另外，隧道貫通后，觸變泥漿勢必會失水、收縮和固結，造成地表后期持續沉降。

3 地表變形控制措施

通過對地表變形影響因素的分析,針對本項目特殊工況，在頂管推進過程中采取相關控制措施，以達到控制變形的目的。

3.1 控制掘進速度

頂管機在施工過程中，若開挖面被嚴重擠壓,土體會發生較大的變形，工作面前方地表可能會出現隆起現象。一般情況下，頂管的掘進速度控制為20 mm/min內。在本工程中,由于始發和接收洞門區域為回填水泥土，土質較硬，故設定頂進速度控制為5～10 mm/min； 隧道正常推進段土質較為松軟，故設定頂進速度控制為10～15 mm/min。在掘進過程中，根據實際情況，結合掘進姿態、注漿速度、螺旋輸送機出土速度等多種因素，實時調整掘進速度，以保證掘進過程的穩定作業。

3.2 控制土艙壓力

控制開挖面穩定的關鍵是控制作用在開挖面內的土壓力，從而控制地表隆起和沉降。本工程采用土壓平衡式頂管機螺旋機出土，出土量與頂進速度之間如若協調不當，則會導致正面土體的超挖或欠挖，從而引起土艙壓力的變化。當土艙壓力增加到一定程度時，頂管上方土體即發生隆起變形；當土艙壓力不足、刀盤壓力較小時，掘土量過大導致工作面土體損失，引起地表沉降的發生。結合本工程實際情況，通過傳感器來監測土艙壓力的變化，在理想狀態下土艙壓力為0.017 MPa,但在實際掘進過程中土艙壓力一般控制為0.02 MPa。在實際施工中，通過設備系統自動調壓及實時監測周圍土體擾動情況，調整掘進速度，協調掘土量與出土量的關系，保證土艙壓力的穩定。

3.3 注漿

為減小隧道及地層間的摩阻力，施工時需同步注漿及二次注漿，頂管同步注漿漿液采用觸變泥漿，起到潤滑減阻、支撐地層等作用。

注漿時必須遵循“先壓后頂、隨頂隨壓、及時補漿”的原則，確保及時形成完整的泥漿套。由于頂管隧道覆土較淺，同步注漿時，選用壓力穩定的螺桿泵進行注漿，以確保觸變泥漿壓入地層時的壓力穩定、精確，防止觸變泥漿擊穿地層。同時在注漿孔端部安裝壓力傳感器，以確保注漿壓力的精確。

根據本工程實際情況，每m注漿量計算公式為V=(F1-F2)×1(F1為頂管機的截面積；F2為管節的截面積)，則V=(5.02×5.74-5×5.7)×1=0.3 m3。由于管道頂進過程中，糾偏、漏漿和漿液的失水等因素，根據現場實際情況，選擇理論計算的2～4倍為實際注漿量。

二次注漿主要起到保證觸變泥漿套的完整及補充地層損失的作用。在頂管推進過程中，每掘進10～15 m完成一次整條隧道的二次注漿，其注漿量可根據頂管推力、地層參數、泥漿性能、地表沉降等參數進行確定，一般為同步注漿量的0.2～0.3倍。

在頂管隧道貫通后需進行置換注漿，及時壓注水泥漿，置換或填充施工過程中的觸變泥漿，固結隧道和地層。置換或填充注漿順序如下: 環向為從管節的頂部對稱向下部進行施工； 軸向為從隧道的一個洞門處順序注漿至另一個洞門。

3.4 控制出渣量

本工程管節標準尺寸為1.5 m/環，正常推進情況下，頂管機分體前每推進1環的出土量為 1.5×5.02×5.74=43.2 m3，頂管機分體后每推進1環的出土量為1.5×5.02×2.87=21.6 m3，根據本工程實際土質情況，考慮出渣的松散系數為1.21倍，根據渣斗尺寸控制出渣量。

3.5 控制頂進姿態

頂管頂進過程中，需對頂進姿態進行調整和控制，若頂管頂進軸線偏差過大，發生超挖或者欠挖，則會造成管外周地層的損失或土壓變化。因此，本工程頂管頂進過程中，需對頂進姿態進行實時監測與控制，并及時糾偏。

施工時采用MTG-M頂管自動導向系統進行掘進姿態監測。當發現導向姿態偏離軸線時，需及時調整鉸接行程差，且調整幅度不宜過大，調整行程差一般為5～10 mm。當頂管機掘進姿態偏差比較大，僅靠鉸接油缸無法完成頂管機趨勢的調整時，則需同時調整主動油缸的行程差，在推力滿足推進的情況下，在油缸縮短的一側可以減少使用1根或者2根油缸。

4 變形監測

4.1 監測方案

地表變形監測點位布置圖如圖6所示。從始發井端頭開始，沿每條隧道軸線上方設置地表變形監測點，間距為5 m，直至接收井，每排布設13個點位(7排)，共計91個點位。監測頻率為從始發井到機頭開挖面前10 m內連續跟蹤量測，3次/d，日變形量變化較大時需加大監測頻率,至穩定為止。

圖6 地表變形監測點位布置圖

4.2 監測結果分析

4.2.1 1#隧道地表變形控制分析

1#隧道地表變形部分監測數據如表2所示。可以看出： 1)1#隧道在推進至第5環時，地表變形相對比較穩定，但推進至第7環時，D4-2、D4-3監測點發生較大沉降，沉降值分別達到-4.37 mm和-3.04 mm； 2)在頂管機掘進至第10環時，地表變形進一步增大，D4-2、D4-3監測點沉降值分別為-6.25 mm和-5.33 mm。

表2 1#隧道地表變形監測數據

通過對施工現場分析，產生此現象的原因是掘進速度較快，注漿不及時，導致泥漿套未能及時有效地形成，上方土體發生一定程度的流失，導致沉降較大。針對此現象，現場隨即采取措施，將土艙壓力調整至0.02 MPa，并對盾體后方進行補充注漿。1#隧道地表變形如圖7所示?？梢钥闯觯?通過采取控制措施，當掘進至第14環時，D4-2、D4-3監測點沉降值分別為-4.95 mm和-4.88 mm，表明采取控制措施后，地表沉降幅度有所降低，變形值控制為5 mm以內，前期地表變形較大區域已開始呈現穩定的變形趨勢。

圖7 1#隧道地表變形

4.2.2 施工對相鄰隧道地面變形控制分析

在1#頂管隧道施工時，記錄尚未進行施工的相鄰2#、3#隧道地表的變形累計量。1#隧道施工時1#、2#、3#隧道地表變形數據如表3所示。1#隧道掘進時相鄰隧道地表變形如圖8所示。

表3 1#隧道施工時1#、2#、3#隧道地表變形數據

Table 3 Surface deformation data of tunnel #1, #2 and #3 during construction of tunnel #1

監測斷面地表變形/mm1#隧道2#隧道3#隧道1-4.980.050.252-5.69-3.25-2.823-1.120.791.954-5.02-0.1-0.025-1.062.25-1.263.08-2.51-2.4376.372.372.3980.0200.059-4.92-1.02-0.7310-5.810.080.111-5.250.05-0.1812-4.15-1.05-0.1213-3.03-0.98-0.88

圖8 1#隧道掘進時相鄰隧道地表變形

Fig. 8 Surface deformation of adjacent tunnels during construction of tunnel #1

由表3和圖8可以看出：

1)在1#隧道掘進完成后，地表變形在安全范圍內，最大隆起值為6.37 mm，最大沉降值為-5.69 mm。

2)2#、3#隧道分別位于1#隧道兩側相同距離，其軸線上方地表變形呈現相似的變化趨勢，該區域內土體變形較穩定，未出現局部突變的問題。

3)1#隧道在掘進前半段時，地表沉降和隆起均較突出，進而引起了相鄰2#、3#隧道相應的變形，在推進至20環時，因1#隧道地表隆起較大同時造成2#、3#隧道也產生較大的地表隆起，現場采取控制推進速度、加大出土量等措施，隆起現象開始減緩，變形曲線逐漸恢復穩定趨勢。

4.2.3 施工對已完成隧道地表變形分析

在2#隧道頂管施工時，記錄1#、2#隧道上方地表的累計變形量，并與1#隧道施工完成時的累計變形量進行比較，分別得出1#、2#隧道在2#隧道掘進過程的累計凈變化量。2#隧道施工地表變形數據如表4所示，2#隧道掘進時相鄰隧道地表變形如圖9所示。

由表4和圖9可以看出：

1)在2#隧道掘進過程中，地表最大沉降為-8.09 mm，較1#隧道掘進過程的沉降(-5.69 mm)大，原因主要是在已受到前期1#隧道施工擾動的影響下，該部分土體穩定性有所降低，施工2#隧道時，土體更易發生變形。

2)在D4—D7斷面內，即距離始發洞門15～30 m時，地表產生了隆起變形，最大凈隆起量為3.78 mm，該現象主要是因為現場出現了欠挖現象，掌子面土艙壓力過大。隨即采取加快出土速度，協調掘進與出土速度，地表隆起趨勢減弱，逐漸轉為較小沉降的變化趨勢，直至穩定。

3)1#隧道地表變形與2#隧道地表變形趨勢相近，說明2#隧道施工過程對相鄰已完成的1#隧道地表變形呈正相關。2#隧道地表沉降量大時，1#隧道沉降也相對較大； 2#隧道地表隆起量大時，1#隧道也有所隆起，但對隆起量的影響程度沒有沉降的影響大。這種現象可能是由于受2條相鄰隧道先后施工擾動的影響，該區域內地層土體穩定性及整體性均變差，土體易流失，沉降易發生，而難恢復。

表4 2#隧道施工地表變形數據

圖9 2#隧道掘進時相鄰隧道地表變形

Fig. 9 Surface deformation data of adjacent tunnels during construction of tunnel #2

4)針對上述變形特征，在施工2#隧道時，嚴格控制各項頂進參數，及時注漿減摩，預防上方淺覆土的較多流失，穩定地層。另外，對已施工完成的1#隧道，將前期注入的減摩泥漿進行置換注漿，加固土層?，F場數據表明，通過這些措施的實施，2條隧道在施工后期的變形趨勢穩定，未發生較大的變形問題。

4.2.4 頂推過程地表變形控制分析

通過研究頂推開挖面在推進過程中的不同階段的地表實時變形規律，從而在不同階段采取相應的變形控制措施，減小地表變形。以1#隧道掘進過程中，監測點D4-5(接近始發端)、D4-8 、D4-12(遠離始發端)，在頂管機刀盤距各測點前后各5 m的推進距離內的變形數據進行分析，1#隧道頂進過程地表變形監測數據如表5所示。1#隧道頂進過程地表變形曲線如圖10所示。

表5 1#隧道頂進過程地表變形監測數據

Table 5 Monitoring data of surface deformation during construction of tunnel #7

開挖面距離/m累計變形量/mmD4-4D4-8D4-12-5-0.880.11-1.32-40.230.820.12-3-0.450.33-0.78-2-0.98-1.43-2.04-1-1.93-2.54-2.770-5.05-3.77-4.341-4.68-3.85-4.522-4.38-3.31-3.783-4.29-3.21-3.694-4.33-3.26-3.615-4.28-3.22-3.67

圖10 1#隧道頂進過程地表變形曲線

根據監測數據可知，該3個點位的變形曲線趨勢基本相同，可以分為以下4個階段進行分析。

4.2.4.1 開挖面到達監測點之前

各監測點變形較小，在初期開挖面前方的土體由于受到頂推力的擠壓作用表現為輕微的隆起。隨后，地表變形表現為小幅度的持續下沉，結合現場工況，考慮產生該現象的原因是出土速度過快，土艙壓力不足，土體發生少量流失。

4.2.4.2 開挖面到達監測點時

此時各點均發生沉降，且D4-4的單次沉降量最大，這是因為現場出現了超挖現象,開挖面地層損失導致地表發生沉降。

4.2.4.3 開挖面通過監測點時(監測點在開挖面后方5 m左右)

此時,監測點出現了較大沉降量。這一階段,由于頂進過程中，因摩阻力的影響，與土體直接接觸的機身、管節必然會引起部分土的流失，進而導致土體沉降。另外，由于施工中存在注漿作業及漿液產生效果的延時性，不可避免地會造成一定程度的土體流失，引起上方土體的下沉。

現場施工時，通過嚴格控制超欠挖、及時進行注漿作業，并對掘進速度進行了調整，地表沉降趨勢有所穩定。

4.2.4.4 頂管機機尾離開監測點時(監測點在開挖面后方10 m左右)

在頂管機機尾離開監測面時,地面監測點會有持續的沉降，但變化量較小，這是因為頂管機與后續管節間的結構間隙以及隧道周圍土體的應力松弛引起的。

4.3 地表變形異常及原因分析

本工程施工7#隧道過程中，出現了隧道上方地表變形超限。7#隧道頂管施工過程中，在頂進第6、7環時，地面變形情況相對比較穩定，但掘進至第9環時監測點D1-1、D1-2、D1-3突然出現急劇下沉，在后續的推進過程中，沉降量還在持續增大，但除此之外的點位地表沉降變化較穩定，并無明顯變化。7#隧道地表變形監測數據如表6所示，7#隧道地表變形曲線如圖11所示。

表6 7#隧道地表變形監測數據

通過對現場該區域地表道路、土性參數、地表變形曲線以及頂推參數等綜合分析可知，導致地表局部變形超限的主要原因如下。

1)本工程為隧道群小間距施工，在1條隧道掘進過程中，必然會對其周邊隧道土體產生擾動，造成不同程度的變形。7#隧道為最后1條掘進隧道，其他6條隧道在掘進時已對其產生了多次影響，土體穩定性已經相對較差，本身極易產生較大變形。

圖11 7#隧道地表變形曲線

2)場區地面結構面層為地板磚，下層為結構土體，中間澆筑混凝土墊層。在施工其他隧道時，該隧道上方土體可能已經發生了少量的土體流失，在未掘進時，監測數據雖有變化但仍處于正常范圍。待掘進時，各項掘進參數未作特殊調整的情況下，導致了地層變形的進一步惡化。

3)與該隧道位置對稱的6#隧道先行施工，掘進過程中姿態控制良好，未發生較大變形。施工7#隧道時，類比6#隧道掘進參數，仍按較大的頂推力持續作業。又因隧道覆土較淺，頂管、管節與上覆土存在較大的摩阻力，最終發生了背土，導致上覆土體更為嚴重的流失，繼而在局部產生過大的地表沉降。

5 結論與建議

1)影響本項目頂管施工地表變形的因素有上覆土厚度、施工過程地層損失、相鄰隧道小間距施工的土體擾動作用等。

2)提出了采取控制掘進速度、控制土艙壓力、控制注漿量、控制出渣量、控制頂進姿態等地表沉降控制技術措施。

3)對施工過程地表變形監測數據分析表明，在頂推過程的各個階段，地表變形呈現不同的特點。當出現變形過大時，通過調整土艙壓力、補充注漿等控制變形措施，可有效控制地表變形，使其逐漸趨于穩定變化狀態。

4)研究分析7#隧道地表變形超限問題的原因，主要為該隧道在多次受到其他隧道施工擾動，未能采取調整頂推力等參數的控制措施條件下，上覆土體發生了背土效應，導致土體急劇沉降。在頂管施工過程中，及時采取有效的地表變形控制措施，對工程安全施工具有十分重要的意義。

本工程為試驗性項目，具有其特殊的工程特性，本文主要對該試驗項目中采用到的控制措施的應用效果進行了一些探討。對于各項控制措施對變形控制的影響程度，各項措施的協調控制，以及對于這種特殊工程，是否還有適應性更強、效果更佳、更具創新性的控制技術等問題，有待進一步研究，以達到更好的控制效果。