松散砂層中大直徑頂管引發塌陷的分析及處置

王義 梁詔斌 江閃閃

南京市市政設計研究院有限責任公司 210000

引言

城市內新建或改建各類地下管網時，受限于城市交通、市容環境等因素，往往采用非開挖技術。頂管作為一種中短長度非開挖技術，適用于各類地下管線，具有管徑覆蓋范圍廣、布置較為靈活、技術相對成熟、經濟性能優越的特點，使用越來越廣泛。由于城市地下管網標準的逐步提高，為營造更大、使用功能更好的管線空間，大直徑頂管的使用也逐步增多［1，2］。

頂管作為非開挖技術，在實施過程中對周邊和前方地質狀況缺乏直觀了解，在實施過程中往往受到各種不良地質條件的限制，影響工程的順利開展，甚至造成工程事故，影響頂管工程本體和周邊環境的安全［3，4］。

河流沖積平原地區的河漫灘，常存在深厚砂土地層，沉積年代短、密實度低、滲透性強、地下水位高，成為地下工程建設的難點。

本文結合在松散砂性土層中實施的大直徑頂管工程實例，在公式法和數值法計算預測的基礎上，結合工程經驗，分析了頂管始發后造成地層塌陷的原因，提出有針對性的處置方法和后續復頂施工措施，保障了該工程的順利完成，并根據分析研究結果給出類似工程的設計和施工建議。

1 工程概況

某大型電力電纜通道建設工程，為避免施工影響城市交通，采用頂管工藝建設主管道結構。頂管建設場地緊臨繞城高速公路油坊橋立交，該立交為城區重要交通樞紐。頂管線路全長約139m，頂管內徑2.6m，外徑3.12m，頂管下穿該處立交的地面匝道及下層地面道路主線。頂管下穿道路位置，管道上方覆土厚度約9m，頂管穿越的路徑范圍內無其他相交或平行的地下管線，平面位置如圖1 所示。

圖1 頂管平面位置（單位： m）Fig.1 Plan location of pipe jacking（unit：m）

頂管采用泥水平衡封閉式機頭掘進，刀盤開口率約9%，刀盤上配置的刀具主要為刮刀和貝殼刀，采用人工造漿作為渣土改良泥漿，渣土改良泥漿經處理后循環使用。頂管本體采用企口連接的預制鋼筋混凝土管節，接口采用鋼環橡膠止水，管節管壁上預設注漿孔，實現減阻泥漿和工后置換注漿的實施。

2 工程地質概況

建設場地隸屬長江河漫灘地貌，沿線地勢總體起伏不大。頂管下穿高速匝道位置從上至下土層依次為：①2層素填土（包含道路面層和基層），稍濕，松軟，以黏性土夾少量碎石及植物根莖組成，欠固結；②1粉質粘土，可塑，含少量鐵錳質氧化浸染，稍有光澤，韌性、干強度中高；②2淤泥質粉質粘土，軟～流塑，偶夾薄層粉土，水平層理不明顯，含腐殖物碎片，稍有光澤，韌性、干強度中高；②3粉砂夾砂質粉土，粉砂飽和，稍密狀為主，顆粒組成中等均勻，砂質粉土很濕，稍密狀為主，搖振反應迅速，干強度及韌性低；②4粉細砂，飽和，稍密狀為主，礦物成分以石英、長石為主，云母次之，顆粒組成中等均勻；②5細砂，飽和，中密狀為主，局部夾少量粉砂及中砂，礦物成分以石英、長石為主，云母次之，顆粒組成中等均勻；③細砂，青灰色，飽和，密實狀為主，局部夾少量粉砂及中砂，礦物成分以石英、長石為主，云母次之，顆粒組成中等均勻。土層物理力學指標見表1。

表1 土層物理力學指標Tab.1 Physical and mechanical indexes of soil layer

場地巖土層分層狀態明顯，地下水位較高。粉土砂土層相對較為松散，剪切擾動將造成其物理力學性質迅速發生變化，外界擾動引起的超孔隙水壓力也將劣化土體結構。

3 頂管與周邊環境的位置關系

3.1 頂管下穿的道路

頂管下穿的道路為高速公路匝道和地面主線，其中頂管始發后穿越的匝道為單向雙車道加緊急?？繋У孛婢€，匝道全寬約9m，隨后穿越的地面道路主線全寬約60m。該匝道及道路主線均為填方路基，建成約8 年，平時車流量較為飽和，穿越節點位置道路下方無其他市政管線。

3.2 頂管所在地層位置

根據匝道下方頂管埋深，結合該處地層分布分析，頂管本體位于②4粉細砂和②5砂層內，頂管頂部距離道路結構層之間為②3粉質粘土和②2淤泥質粉質粘土，屬于力學性能較差的軟土。

頂管始發井外圓周范圍及洞門外徑向范圍設計采用三軸深攪樁進行土體加固處理，圓周加固區范圍2.5m，徑向加固區徑向長度7.5m，寬度10m，豎向保障頂管管節上下各不小于3m。加固施工超前頂管始發約60 天。頂管本體和地層的位置關系如圖2 和圖3 所示。

圖2 頂管-地層橫剖面（單位： m）Fig.2 Pipe jacking-stratum cross section view（unit：m）

圖3 頂管-地層局部縱剖面（單位： m）Fig.3 Pipe jacking-local profile of longitudinal（unit：m）

4 頂管頂進中引發地基塌陷

本工程頂管機頭通過始發井外洞口加固區后，僅僅掘進了不到10m即引發了較為明顯的地基塌陷，塌陷反應極為迅捷，在采取有效控制措施前塌陷區擴大發展的趨勢較為顯著，僅3h 就形成了超過60m2的地面塌陷坑。

4.1 地基塌陷的發展過程

4 月22 日約12：00 頂管始發，4 月23 日約21：00 頂管機頭通過加固區，各項監測均正常。機頭進入原狀土之后繼續掘進，由于原狀土強度低，掘進速度迅速提高。至24 日凌晨1 時，3h內掘進約10m。

24日凌晨2 時左右已掘進頂管上部地表出現鍋底狀沉降，目測可辨。約4 時，地表瀝青路面開始破裂，隨即地表出現塌陷，至5 時左右形成面積約8m ×8m、最大深度約0.7m 的坑洞，坑洞有緩慢持續擴大的趨勢。施工單位采用碎石緊急回填坑洞，以防止坑洞周邊土體進一步坍塌。為防止頂管機頭抱死，每隔半小時間斷性啟動一次。

4.2 地基塌陷原因分析

結合場地地質狀況、頂管施工過程以及地基塌陷發展狀況，分析本工程頂管引發地基塌陷的主要原因如下：

（1）頂管本體位于高含水粉細砂地層內，該層土體密實度相對較低，極易受施工擾動，施工擾動引發孔隙水壓力升高，土體結構性急劇弱化。頂管上部覆土為結構強度較低的淤泥質松軟土，自身成拱能力差，無法抵御深部土體變形向地表的發展。

（2）頂管機頭通過加固區后進入原狀砂層，由于土體性質變化，機頭姿態糾偏幅度過大過頻，掘進速度過快，造成施工超挖量過大，施工記錄數據顯示，在加固區外10m范圍內的出渣量折算頂管機頭掘進時超挖量在20%以上。

（3）渣土改良泥漿品質控制較差，由于沒有采用泥砂分離設備，循環使用的泥漿粘稠度、密度均未達標，泥水艙壓力不足。

4.3 頂管引起地基沉降的計算分析

1.沉降槽理論計算

目前在頂管工程設計階段，一般通過公式法預測估算頂管法施工引起的地面沉降，主要采用Peck提出的地面沉降槽理論進行預測［1］。該理論假定施工引起的地面沉降是在不排水情況下發生的，所以地表沉降槽的體積應等于地層損失的體積，并根據這個假定給出了地面沉降量的橫向分布估算公式：

式中：φ為土的內摩擦角（°），對于本工程多層土的情況，按土層厚度取加權平均值；H 為管道中心至地面的覆土厚度（m）；Smax為頂進軸線上方的最大地面沉降量（m）；Vs為超挖量，對于本工程泥水平衡機頭超挖量取5%V，其中V 為開挖斷面面積（本工程刀盤直徑約3.2m）。

該方法計算頂管軸線上方由于頂管掘進施工引起的地表沉降約為30mm。

2.數值模擬計算

為了與理論計算相互驗證，并對照工程實測數據，反映數值分析與工程實際的吻合度，參考文獻［5］通過巖土工程有限元軟件對本次頂管掘進引起的土體變形進行了數值模擬。頂管管道結構為預制鋼筋混凝土材料，在計算中定義為線彈性材料，主要物理力學參數如表2 所示。

表2 數值計算模型參數Tab.2 Parameters of numerical calculation model

圖4 數值計算模型Fig.4 Numerical calculation model

土體材料選用摩爾-庫侖本構模型，土體物理力學參數見表1。計算模型取三向各50m，為簡化計算，考慮土層均水平分層分布。本工程數值計算模型如圖4 所示。

頂管掘進中通過泥水艙的壓力平衡開挖面的泥水壓力，平衡壓力按照靜止水土壓力標準確定。數值模型中通過定義襯砌的收縮值來模擬開挖引起的頂管周圍的土體體積損失。本次計算中分別考慮了正常情況的土體損失5%和較大的土體損失10%，計算結果見圖5、圖6。

圖5 5%地層損失下土體沉降變形（單位： mm）Fig.5 5% formation loss soil deformation（unit：mm）

圖6 10%地層損失下土體沉降變形（單位： mm）Fig.6 10% formation loss soil deformation（unit：mm）

計算結果表明頂管掘進過程中超挖5%，保障泥水艙有效平衡掌子面水土壓力時，造成管頂投影正上方地面沉降最大值約為23.2mm，地面沉降量較為顯著的沉降槽寬度約12m，對地面道路的影響較小。

對于采用泥水平衡工藝的頂管掘進，超挖量達到10%的情況屬于超挖量偏大，頂管掘進造成管頂投影正上方地面沉降最大值約為40.3mm，地面沉降量較為顯著的沉降槽寬度約20m。由于覆蓋層較厚，且路面結構存在一定的剛度和強度，尚不至于引發較大范圍地基塌陷。

4.4 緊急處理措施

本工程頂管所處地層為密實度較低的砂層，現場施工已經產生了較為明顯的地基塌陷情況，結合數值模擬的計算結果，提出了緊急處理措施。

1.頂管上部土體注漿處置

針對頂管上部覆土相對松散，但是砂土便于注漿固化的特點，首先對土體進行注漿處理，提高頂管掘進影響地層的結構整體性，避免受擾動連續坍塌。注漿深度從頂管頂面以上1m 至路面結構層下方，水平范圍為頂管左右各1 倍管徑，漿液內摻入適量水玻璃，提高固化效果。

2.嚴格控制渣土改良泥漿品質

嚴格使用高性能商品膨潤土人工造漿，配置泥砂分離設備對出渣泥漿進行分離處理。泥水艙壓力按照掌子面靜止水土壓力標準控制，泥水艙壓力升高至靜止水土壓力的1.15 倍時方可排渣。

3.復頂施工工藝控制

復頂施工后，控制頂進速度，初始復頂頂進速度30cm／h ～60cm／h，達到正常時頂進速度控制為0.6m／h ～1.2m／h。采用微欠挖工藝，控制排土量不超過理論排土量的98%。

4.強化管壁外二次注漿

及時進行管壁外的二次注漿，適當提高二次注漿的注漿量至理論注漿量的300% ～500%左右，注漿壓力提高到注漿位置靜止水土壓力的2 倍。通過及時充填管道和環境土體之間的空隙，避免地層損失的影響擴散，從而造成地面沉降。

對于松散砂性土，壓密注漿預處理具有良好的處理效果和性價比，在周邊環境允許時還可以通過降低地下水位來提高松散砂層的密實性。地層預處理方式還可選用深層攪拌或高壓旋噴法。本工程后續約120m 頂管在地層預處理措施的保障下于兩周內順利完成。

本工程復頂之前在距離頂管始發井31m處的頂管上方地表橫向測線上取6 個測點，測點位置如圖7 所示。圖8、圖9 顯示了上述這6 個測點在復頂后的沉降監測數據，監測數據顯示，本工程頂管施工實際造成的地面沉降均大于Peck 法和通用性巖土工程有限元軟件計算預估的結果。筆者分析認為Peck 法計算沉降槽，主要假定土體為不排水狀態的連續介質，通用性巖土工程有限元軟件對土體的假定也認為其是連續介質，對于透水性較好的松散粉性土和砂性土，其連續性相對較差，地層損失造成的開裂和連續坍塌，使其局部乃至整體喪失了作為連續介質的計算假定，計算與工程實際的吻合度相對較低。對于松散性砂土地層，由于其結構較差，且頂管擾動造成的孔隙水壓力升高會進一步削弱土體的結構性，引起土體損失的持續擴大。顯著影響范圍大于傳統認為的1.5 倍管徑。綜合上述原因，本工程發生了計算預估值明顯偏小的情況。

圖7 復頂后典型測量斷面位置（單位： m）Fig.7 Typical measurement section position after topping（unit：m）

圖8 復頂后典型測線地面沉降曲線Fig.8 Typical ground settlement curve of survey line after toppling

圖9 復頂后典型測線橫向地面沉降分布Fig.9 Distribution of lateral land subsidence on typical survey line after topping

5 結論

本文結合某松散砂土地層內頂管施工造成地基塌陷及其后處理的工程實例，對施工病害事故產生的原因進行了分析并通過Peck 法和數值法對施工引發的土體變形沉降進行了計算。

在理論分析和工程經驗的基礎上，結合計算結果，本文提出有效的緊急處置措施，保障了后續復頂施工的順利進行，主要研究結論如下：

1.對于類似工程如受限于功能和規劃，頂管路徑無法規避松散砂土地層，應綜合考慮松散砂層物理力學特性和場地施工條件，在頂管實施之前對松散砂土地層進行預處理。

2.密實度不高于中密的砂土地層中頂管作業極易引發持續性土體流失，在施工記錄不嚴謹時難以覺察。

3.為有效控制泥水艙的壓力，機頭壓力傳感器數量應不少于3 個，分布在機頭不同位置，便于實時準確監測壓力水平。

4.超挖量控制是控制頂管施工擾動的重要參數，砂層中一般情況下建議采用微欠挖工藝，或控制超挖量不超過5%。超挖量超過10%時將產生較為嚴重的不利影響。

5.對于松散砂土中頂管造成地面沉降的預估計算，建議設計人在總結類似工程數據的基礎上，對頂管設計中常用的Peck 法預估的地面沉降值放大1.5 倍～2.0 倍。

綜上所述，在砂性或粉性土層內實施頂管作業，當土層密實度相對較低時，土體極易受到施工擾動而持續流失，進而引發地層塌陷。工前需要準確調查地層信息并熟悉頂管施工工藝，強化施工過程控制，結合公式或數值計算預測，可以實現在該類地質條件下的頂管順利施工。本文通過工程實例的分析，可對類似工程的設計和施工提供有益的建議。