土壓平衡頂管隧道鄰近房屋施工技術

耿英宸， 張昊然

(1.中化學路橋建設有限公司，北京 101100；2.北方工業大學土木工程學院，北京 100144)

現階段，大多數城市的市政管線由于之前施工方法的落后都是直接埋在地下，維修需要占用大量的時間、人力以及交通資源，綜合管廊的出現則很好地解決了這一問題。但是，復雜環境下的管廊建設并不容易，修建管廊對已有建筑、管線的擾動不可避免，必須采取相關技術以減少對地上建筑及周邊管線的影響。

現階段，國內外的專家學者對于土壓平衡頂管隧道鄰近房屋施工進行了一定的研究[1-5],但是鄰近房屋的土壓平衡頂管隧道的施工工藝控制研究較少，本文以西安市某地下綜合管廊項目為背景進行相關分析，成果可為相關工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

該地下綜合管廊工程位于西安市朱宏路，南起北二環，北至鳳城十路，位于西安市經開區朱宏路東側規劃綠帶內，在鳳城一路至鳳城二路段。為避開藍箭小區和文物控制區，管廊采用頂管加明挖方式，布置于朱宏路東側輔道路緣石與藍箭小區圍墻之間的人行道及綠化帶下。頂管連接段凈空間長17 m、寬8 m、深10.6 m；頂管長度280 m，頂管內徑3 500 mm，壁厚320 mm，埋深11.6 m。

1.2 地質條件

始發井位于雜填土與黃土狀粉質粘土層區域，頂管全段位于黃土狀粉質粘土層區域。涉及的地下水埋深17.8～18.4 m，屬潛水類型，地下水主要賦存于砂類土中，屬孔隙性潛水。頂管段及始發井深度16.2 m以上，不需降水措施。地質環境屬中等復雜，地面塌陷、地裂縫等地質災害不發育，勘察場地范圍內無地裂縫穿過。

1.3 工程重難點分析

該工程頂管位置距朱宏路東側輔道及藍箭小區居民樓平面距離較近，頂管頂距朱宏路地面11.6 m，距藍箭小區地下室底約7 m，如圖1所示。

圖1 頂管位置(單位：m)

此外，頂管位于現有10 kV電纜溝下，頂管頂距現有電纜溝底6.7 m；頂管左側約5 m處有一條污水管，埋深10 m；左側約10 m處有一條天然氣管，埋深9 m。

施工過程中如何避免對土體的過大擾動變形和工后沉降，以防止上部土層中既有管線的過大變形和地表房屋的開裂是本工程關注的焦點。

1.4 工法選擇

結合當地地質條件、施工條件，本工程采用機械(土壓)平衡頂管機進行施工。單次掘進距離2.5m，其中管節長度2.5 m，鋼筋采用C14、C12兩種規格；混凝土設計為強度等級為C50、抗滲等級P10、抗凍等級F100的補償收縮混凝土。

2 施工階段Midas模擬分析

為確保頂管施工期間地上建筑及周邊管線安全，運用Midas-GTS有限元軟件對頂管施工的環境影響進行了分析預測。

模擬選取頂管位置與周邊建筑物距離最近一段工況，模型尺寸為50 m×50 m×20 m，頂管內徑尺寸以及與周邊管線、地上建筑等位置情況與實際相同。管道、隧道襯砌、建筑物結構底板采用板單元模擬，建筑物樁采用梁單元模擬，具體參數如表1所示。該模型自重荷載、邊界約束條件通過靜力邊坡分析自動添加。計算模型如圖2所示。模擬過程中，由于要保持掌子面的平衡，土倉壓力應與開挖面靜止土壓力、水壓力之和平衡，即土倉壓力等于迎面阻力144 kPa。觸變泥漿帶來的摩擦阻力的改變考慮進管道外表面的綜合摩阻力之中。

表1 結構參數

圖2 計算模型

模型采用施工階段的求解類型，整個模擬計算過程包括22個施工階段，具體內容見表2。

表2 施工階段步驟

開挖完成后，地表沉降情況如圖3所示。地表總體沉降7～11 mm，其中隧道洞口處的沉降最大為14.5 mm，臨近房屋處沉降也明顯大于其他位置。針對上述問題，對模型做出相應調整，施加如下控制工藝：①對洞口位置進行注漿加固，模擬施工階段2激活。②鄰近建筑物時，頂推力增大30%以減少建筑物沉降。模擬完成后，地表沉降情況如圖4所示。地表沉降得到有效控制，減小了3 mm左右，隧道洞口沉降減小為8.6 mm，另外鄰近房屋處的沉降也得到控制，與其他位置相差不大。在本次模擬中，左側污水管道、天然氣管道、建筑物底板位移情況如圖5～圖7所示。污水管道水平位移2.3 mm、最大沉降1.4 mm；天然氣管道水平位移1.2 mm、最大沉降0.4 mm；建筑物底板最大沉降6.6 mm，均小于建筑物變形控制標準20 mm(控制標準參考國家規范，由業主根據建筑物結構、年限，經第三方評估給出)。頂管隧道施工對于周邊管線及建筑物影響均在合理范圍內。

圖3 地表沉降云圖 圖4 施加控制工藝后地表沉降云圖

圖5 污水管道位移云圖 圖6 天然氣管道沉降云圖 圖7 建筑物底板沉降云圖

根據數值模擬結果，提出本次土壓平衡頂管隧道的施工工藝控制措施：①為防止洞口位置變形較大，應提前對洞口進行注漿加固，加固范圍為左右開挖線外各2 m，深1.5 m，注漿壓力20 MPa，漿液比重為1.5。②頂管位置接近房屋時應適當加大土倉壓力，根據數值模擬顯示，壓力增大30%時，沉降最小。③為確保土體穩定應在頂管施工過程中和施工完成后及時注漿。根據數值模擬結果，施工同步注漿壓力0.3 MPa，漿液密度1.8 g/cm3；工后二次注漿壓力不小于2 MPa。

3 頂進過程計算

3.1 頂力估算

F=F1+F2

(1)

式中：F為總推力；F1為迎面阻力；F2為頂進阻力。

(2)

式中：D為管外徑，4.14 m；P為控制土壓力。

P=K0×γ×H

(3)

式中：K0為靜止土壓力系數，此處取0.55；H為地面至掘進機中心厚度，取最大值13.03 m；γ為粉質粘土的天然重度，取20.1 kN/m3。

F2=πD×f×L

(4)

式中：f為管外表面綜合摩阻力，此處取8 kN/m2；D為管外徑，4.14 m；L為頂距，280 m。

經計算后，總推力F=31 057 kN>25 400 kN(D3 500 mm鋼筋混凝土管許用最大頂力值)；需要加中繼間。

3.2 中繼間數量計算

(5)

式中：f0為中繼間的設計允許頂力，取18 MN。

經計算取整，需要添加2套中繼間。

3.3 中繼間安裝位置

根據現場情況與實際施工經驗，第1套中繼間加在80 m位置處，第2套中繼間安裝在160 m處，剩余長度頂力為：12 480 kN<25 400 kN，滿足要求。

3.4 后靠背承受力計算

本項目后背部位采用單層旋噴樁對井周土體加固。根據管道直徑選擇墻寬10 m，高5 m，墻厚0.6 m，內襯?20 mm@150 mm三層鋼筋網片，網片生根于底板鋼筋，外側以預制鋼后背為模板，兩側支模，內澆混凝土，混凝土強度采用C30。

(6)

式中：R為總推力的反力；A為系數，此處取2；b為后座墻的寬度，10 m；γ為粉質粘土的重度，20.1 kN/m3；H為后座墻的高度，5 m；Kp為被動土壓力系數，此處取1.96；c為土的內聚力，33 kPa；h為地面到后座墻頂部土體的高度，11.2 m。

經計算R=74 670 kN>31 057 kN(D3 500 mm管道頂進280 m的最大頂力)，滿足要求。

4 工藝控制

(1)進出洞口加固采用旋噴樁技術。結合數值模擬結果，加固范圍為離洞口正前方7.0 m，樁長7.14 m，洞口左右兩側各2.0 m。同時，加強管壁后注漿及洞口處的多次注漿，采用水硬性注漿材料，達到迅速控制地表沉降的目的。

(2)進洞施工控制。頂管機前端靠近洞門時，為避免頂管機進洞門過程中因正面頂力過大而造成封門變形、正面土體涌入井內等嚴重后果，待頂管機切口距封門3 m左右位置時，打開預設在洞門上的2個1寸的應力釋放孔，釋放部分由于頂管頂進而造成對封門的擠壓，并通過應力釋放孔對外部土體情況進行初步探查。

在頂管機靠上洞門后，在封門中心位置割出一直徑5 cm左右的圓洞；通過此圓洞察看外部土質情況并找出頂管機中心位置；根據頂管機中心位置在封門上實際放樣出一個比管外直徑大8 cm的圓圈；在通過一段時間的實際觀察，認為外部土體情況良好的前提下，迅速拆除預留洞口封堵；迅速頂進頂管機，并同時插下弧形鋼板；在頂管機完全脫離洞圈并且首節的管節脫出洞圈30 cm后立即將弧形鋼板與第一節管節外側25～55 cm范圍內預埋的鋼板焊接牢固。

(3)頂進過程控制。按計算表數值設定，施工時設備自控可保證10%的土倉壓力。頂進速度控制在30～50 mm/min，入洞后的前10 m以及糾偏時用較低速度，以后視出土情況、刀盤扭矩情況適當加快頂進速度。

初始頂進每1 m測量一次，并做記錄。正常頂進時，每頂進3 m測量一次，遇有糾偏每1 m測量一次，測量人員分別繪制出管道中心及高程曲線圖，隨時預測機頭的前進趨勢。不斷地觀察光靶上激光點的行走軌跡，如發生偏移大于20 mm、預測機頭又有向偏差大的方向發展的趨勢時，要采取糾偏措施。

(4)頂進間注漿。注漿分為機頭攜渣注漿和管道減阻泥漿兩部分，泥漿由地面液壓注漿泵通過2寸(1寸=3.33 cm)管路壓送到各注漿孔。在機頭處安裝隔膜式壓力表，以檢驗漿液是否到達指定位置，在所有注漿孔內要設置球閥，軟管和接頭的耐壓力5 MPa，支管通徑為1寸。當管道進洞后，先由頂部注漿孔開始注漿，當左下側和右下側的注漿孔開始向外溢漿時，開啟下側兩個注漿閥門，開始注漿。在出土過程中(未頂進)或安裝管節時，隨時進行補漿，以保證管外壁的漿液飽滿。漿管前端的正常壓力控制在主動土壓力與被動土壓力之間。

(5)穿越房屋時措施。結合數值模擬結果，同時根據現場施工監測情況，在施工過程中下穿道路、離構筑物較近時，土倉壓力設定應適當加大15%～30%左右，以提高安全系數。同時保證勻速頂進，減小對土體造成的擾動。整個施工過程中以及施工后半個月對房屋周邊地表情況進行密切監測。

(6)工后注漿。管道線位在現狀道路下方，管道敷設土層存在擾動土施工完畢后管頂上方擾動形成的空洞，將會引起路面沉陷。為了管體周圍、地基土體穩定，采用雷達對空洞進行探測，及時發現空洞，通過管道外壁進行注漿加固，壓入1∶2的水泥漿。注漿采用機械攪拌水泥漿，電動注漿泵壓力灌注，注入壓力不小于2 MPa，并保壓3 min，保壓完成后及時封堵注漿孔，逐孔灌注，直至全部孔位注滿。

5 實測施工效果評價

現場施工過程中，為了及時掌握各項工藝狀態和對環境的影響，進行了一系列的監測，包括土倉壓力監測、地表沉降監測和定期巡視。

圖8為本次施工過程中土倉壓力的變化曲線。圖9給出了沿隧道軸線地表沉降曲線，圖中所得數據測點沿頂管隧道軸線走向每2.5 m布置一處。由圖可見，頂進過程中，隧道軸向上方地表存在不同程度的隆起和沉降，其變化幅度與數值模擬結果相近，大致限制在10 mm以內，而工后最大沉降值控制在15 mm以內，均小于建筑物變形控制標準20 mm。因此說明施工對環境影響很小；對房屋和管線地基土體進行雷達探測和巡視的結果表明，未出現任何異常，圖10為頂進工作完成后半個月的藍箭小區地表，一切正常，未產生地基空洞和地表開裂現象。

圖8 土倉壓力變化曲線

圖9 地表沉降曲線

圖10 藍箭小區地表

6 結束語

本工程采用土壓平衡頂管工藝，結合Midas-GTS有限元軟件分析，在地表房屋斜下方成功地實現了近接穿越，在保證房屋和管線安全的前提下，實現了電力隧道的高質量建設。回顧整個施工過程，有以下幾點經驗值得總結，便于在類似工程推廣：

(1)對工程難點與重點的準確理解是制定施工方案的基礎。由于是近距離下穿房屋，所以如何設定和控制好頂推力，做好頂進間注漿和工后注漿是抑制土體擾動進而防止房屋過大沉降的關鍵。

(2)施工過程中對于頂進速度、刀盤扭矩、土倉壓力、姿態監測、注漿壓力以及地表沉降等數字化信息的及時獲取和做出工藝反應至關重要。

(3)土壓平衡頂管施工屬于工廠化作業，地表沉降的控制效果也取決于整個工藝流程的順暢性。這一方面取決于勘察階段對于隧道圍巖狀態的精確掌握，避免頂進過程中出現意外障礙物；另一方面取決于各個工藝的平穩銜接，以避免停車時間過長而導致地表沉降過大。