復雜環境下大斷面矩形頂管法施工及沉降控制研究

李通

摘 要：針對工程項目實際情況，對其大斷面矩形頂管施工進行分析，并提出行之有效的地表沉降控制措施，旨在為工程施工及地表沉降的控制和其它類似工程項目大斷面矩形頂管施工提供參考依據。

關鍵詞：大斷面矩形頂管法;地表沉降;沉降控制

伴隨現代化城市快速發展，地下建設工程的規模和數量都在不斷增加，在這種情況下，工程建設可能對環境造成的影響或破壞逐漸引起更多人的關注。明挖工程會對城市范圍內的交通、建筑物與環境都帶來很大的不利影響，但暗挖能將這一不利影響降到很低的程度。然而，對埋深相對較小的工程而言，暗挖法存在很大的安全風險，相比之下頂管法更加適用。頂管法不僅成本低、周期短，而且對環境的影響很小，不容易發生安全事故。小斷面頂管在我國已經得到廣泛應用，但大斷面矩形頂管還未能得到廣泛應用。與圓形或馬蹄形的斷面相比，矩形斷面能提高使用面積，增大使用效率，優越性明顯，但施工中不容易形成卸荷拱，會產生很大的地表沉降，對道路和其它建筑等設施的安全造成影響。因此，施工中必須控制土層擾動，進而減少沉降。

1 工程概況

揚子江大道快速化改造工程項目研究范圍北起下關大橋引橋，南至楊子江大道與河西大街交叉口，全長約8.0 km，項目全線配套實施綜合管廊。全線工程實施范圍起點為揚子江隧道南接地點K0+920，終點為河西大街與揚子江大道的交叉口K7+985，實施范圍全長約7.1 km，綜合管廊全長7.2 km。全線節點改造（除定淮門大街）方案以主線下穿為主，全線設置輔道+慢行系統，通過增設過街地道（或人行天橋）滿足部分被交道路、行人及非機動車過街需求。全線管廊同步實施。該工程項目的環境條件較為復雜，主要表現為地下管線眾多，下穿既有通行道路揚子江大道。現結合該工程項目實際情況，對其大斷面矩形頂管法施工和沉降控制做如下深入分析。

2 大斷面矩形頂管法施工

（1）因矩形頂管頂進施工對連續性有很高要求，所以在穿越之前應徹底檢查全套機械設備，確保機械設備在掘進過程中保持良好性能，使施工順利完成。

（2）機頭在進出洞加固區中穿越時，加固區中土體強度相對較高，可能會對在螺旋機的出土造成影響，對此可以在刀盤上增設注漿孔，按照實際需要通過注漿孔不斷向機頭的前方灌注漿液或清水，然后通過刀盤轉動對前方土體進行均勻攪拌，使出土保持順暢。

（3）對掘進過程中的糾偏量進行嚴格控制，盡可能減小對正面土體造成的擾動，特別是在穿越重要管線時，應盡可能少糾偏，用于減小或避免對正上方管線造成影響;在掘進過程中進行的糾偏應適時，通常在頂管機上、下行偏離軸線30 mm前動作，嚴格遵循勤測勤糾的基本原則，防止一次性糾偏過量導致曲線突變。

（4）施工頂進速度不能過快，通常需按照15 mm/min左右嚴格控制，并保持在均衡的狀態，注意不可在中途長時間中斷。

（5）穿越時，應使壓漿保持連續與均勻，確保產生的建筑空隙能被立即充填，必將按照沉降實測結果進行，確保通道上部土體始終保持穩定。

（6）有效解決頂管機機頭旋轉的問題，對頂管機中部大刀盤實施反方向運轉，對兩個螺旋輸送機實際出土量進行嚴格控制，確保頂管機總體力矩保持平衡。

（7）為避免偏移現象的發生，在左線通道達到貫通之后，應立即對其預應力鋼索進行張拉，確保管廊形成一個整體。充分利用在管節上預留的打泥孔，在頂進時如果產生偏移，立即壓入膨脹土漿液，并對偏位進行調整，使其處在可以控制的范圍。

（8）在掘進完成后，應立即將管節上的注漿孔打開，并壓入水泥漿對管道外部觸變泥漿進行置換，以此避免觸變泥漿發生泌水后導致地表沉降。

3 沉降分析與控制

在頂管軸線上方隨機選取三個具有代表性的點進行分析，記錄推進至12 m處、18 m處與24處的縱向變形。結果表明，測點前方土體發生隆起，而后方發生沉降。推進時，無論是隆起還是沉降，其最大值都伴隨開挖進尺不斷增加而向前移動。沉降的最大值不斷累積，從8.3 mm累積至17.5 mm，和開挖面之間的距離從0.5倍開挖斷面寬度增加至1.5倍開挖斷面寬度;開挖面前方1倍開挖斷面寬度的部位產生隆起，最大隆起量產生于開挖面之前1.5倍開挖斷面寬度處。

以現場測點布置情況為依據，選擇與始發井相距5 m、15 m、25 m和35 m的斷面進行橫向沉降分析。根據分析結果可知，橫向沉降變化曲線表現為將頂管軸線作為中心的正態分布，最大沉降產生于軸線的正上方，同時伴隨監測點和開挖面之間距離的增加，沉降值增大。

通過對數值模擬結果的分析，結合現場具體情況和各項實際操作，提出以下能有效控制沉降的技術措施：

（1）因頂管機實際斷面尺寸大于管節，所以頂進時頂管機的頭端正面將產生輕微的上抬，在頂管機整體穿越之后，能實現對頂部土層實際沉降量的有效控制。

（2）在頂管機前殼體頂部設置注漿套板，在管節預制過程中，于管節進行注漿孔的預埋，使注漿孔分布在管節的整個斷面。在頂管機頂進過程中，可采用注漿套板持續注入漿液，以此使頂管機的頂部產生一道均勻的漿液薄膜，并利用在管節上設置的各個灌漿孔持續注入漿液，確保管節可以在一個相對封閉的情況下頂進，以此實現對地表沉降的有效控制。

（3）頂管機始發之后開始試驗性的掘進，根據路面沉降結果選定各項技術參數，包括正面土壓力、頂進速度、出土數量和頂力，確保土艙中的壓力始終和地層土壓及水壓處于平衡的狀態，以此使地表的實際隆起量及沉降量都處在允許范圍之內。

4 結論

（1）根據工程實際情況，提出其主通道矩形頂管施工的施工工藝流程及相關技術措施，明確施工中需要注意的要點和事項，以此可以在保證該工程頂管施工順利完成的基礎上，為其它類似工程的頂管施工提供技術參考。

（2）對于地表橫向沉降變化曲線，表現為將頂管軸線中線作為中心的正態分布，沉降的最大值產生于軸線正上方，伴隨開挖斷面的增大，沉降值也不斷變大。地表沉降橫向影響范圍為3倍開挖斷面寬度，這一范圍內的沉降值可以達到總沉降至少90%，在施工過程中必須對這一區域進行嚴格的監測。

（3）使頂管機的頭端小幅上抬，或在頂管機之前的殼體中設置注漿套板，或在管節整個斷面上設置注漿孔，或通過試驗性的掘進來確定各項技術參數，能將頂進時的地表隆起及沉降都控制在允許范圍之內，將由此可能對建筑造成的影響及破壞都降至最低程度。

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