特殊地段顶管施工沉降控制技术

摘要：随着城市的日益发展，地下、地上的管线和建筑也随之增加，顶管施工往往会遇到穿越公路、铁路、地下管线、河流、地上重要建筑等特殊地段。这些特殊地段的顶管施工对地面的沉降控制要求更高。为此就特殊地段的顶管施工沉降控制技术在顶管机选型、工仓压力的确定、泥浆套、土体最大沉降量的预测、监控点的布置、测量和纠偏、顶管进出洞13处理方面进行探讨，并结合工程实践取得较好的效果。 关键词：顶管施工、特殊地段、沉降控制、顶管机、泥浆套、监控点、测量

1 顶管机选型

在穿越公路、铁路、地下管线、河流、地上重要建筑等地段(以下简称特殊地段)的顶管施工一般采用多刀盘土压平衡式顶管机或泥水、泥浆平衡式顶管机。土压平衡式顶管机出土为固体形式，较泥水、泥浆平衡式顶管机出土为液体形式在土方处置方面较为便利，故在能满足沉降要求的情况下，通常采用土压平衡式顶管机。该机型适用于饱和含水地层中的粘土、粉质粘土、淤泥质粘土、粉砂土或砂性土。

2 工仓压力的确定

多刀盘土压平衡式顶管机在顶进过程中，顶管机工仓内的压力P小于顶管机所处土层的主动土压力Pa时，地面就会产生沉降；当P大于顶管机所处土层的被动土压力Pb时，地面就会产生隆起。 为防止地表的沉降和隆起，工仓压力P必须控制在Pa

3 泥浆套

泥浆套不仅起到减摩作用，同时也起到一定的土体稳定作用，减少顶管对沉降的影响。一般顶管机的外径较管道外径大2～4cm．因此顶管机顶过后管道外围产生环形空隙导致地层损失。另外，由于管节制作及安装过程中的误差，管节的外围有不少凹凸处，加大了顶进摩阻力，再加上顶进中发生的纠偏过程．导致顶管机后面的管节在不断地往前顶进过程中会多多少少地带走一些泥土，特别是中继间在使用中往往会带走较多的泥土，产生较多的空隙。因此通过及时压浆充填，补充以上因素导致的空隙，在管道外围形成一个良好的泥浆套显得极为重要。 3．1 浆液配比

浆液的配制要求应满足粘滞度高．失水量小，稳定性好。工程中使用的浆液配比主要有以下几种(均为重量比)。 1)膨润土矿粉：水=1：9；

2)膨润土矿粉：纯碱：化学浆糊(CMC)：水=104：3．05：1．05：800；

3)膨润土矿粉：纯碱：水=100：2：300。

搅拌透后．再加入含PH—PAM一11／800的水溶液．经搅拌均匀后可用于注浆。

实际施工中第一、三种配比比较容易操作，关键是要根据现场土质进行试配以达到浆液配制要求。 3．2 压浆孔布置

压浆孔太少不能形成良好的泥浆套．太多又会造成管道内压浆管路凌乱不利土方输出。所以一般采取如下布置：每3节管子布置1组压浆孔(即放置1节压浆管)，现在多数专业制管厂均有预制的压浆管供应。 3．3 压浆操作

1)开顶后对全线管节进行压浆，重点在管道底部压浆，使管道更好地处于悬浮状态，减少摩阻力和因管道与土体摩擦而带走土体。

2)顶进过程中，机尾及其后的3节管道应及时压浆，以填充由于管节小于机头的环形空隙，控制沉降。

3)每节管子顶进结束或因故停顿后，即对全线补压浆，主要对管顶压浆，及时充填由于管节在顶进中压缩管节周围土体而产生的空隙，控制沉降。

4)纠偏过程中，机头对周围土体产生局部侧向压缩，增加了机尾处管节的空隙，此时可适当增加机尾压浆量。

5)使用中继间后，顶进速度随之减慢，机头容易下沉，需及时在机头底部注浆托起机头，防止机头上部产生过大空隙。

6)在穿越特殊地段时，压浆压力不宜过大，每次压浆量也不宜过多，防止产生冒浆和地面隆起，压浆压力通常控制在0．1～0．2MPa。 7)顶管贯通后，要立即用水泥粉煤灰砂浆进行固化压浆，减少地面后期沉降。

4 土体最大沉降量的预测和监控点的布置 4．1 预测方法

目前在顶管、盾构施工时，通常使用Peck法进行预测。 Peck法的地面沉降值计算公式为：

式中：δ(x)为沉降量；δmax为管道中心线处的最大沉降量；Vi为土体损失；x为离管道中心线的距离；i为沉降槽的宽度系数；z为隧道中心线至地面的距离；Φ为土体的内摩擦角。

管道以上地面沉降槽的横向分布近似正态曲线，详见图1。 4．2 预测沉降的实用意义 1)地面沉降最大值的控制； 2)地面建筑的保护范围确定。

W—沉降槽宽度；i—管道中心至沉降曲线反弯点的距离；β—沉降起弯点和管道外侧起拱点连线与垂线的夹角；z—管道中心线至地面的距离：R—管道半径

在顶管穿越特殊地段前，先安排一段调试段和一段模拟段并布设一定数量的监测点，在顶管通过时根据监测点上的沉降数据对工仓压力、注浆量、配比和顶管掘进速度等进行调整。调试段布设在模拟段之前，在这段距离内根据监测点测得的沉降数据，边掘进、边调整各项施工参数，使地面沉降和隆起能基本控制在有关部门允许范围以内。模拟段设在紧靠特殊地段前30m左右，按照调试段得出的参数进行操作，并做微调整进一步减少沉降量。模拟段施工满足要求时，才进行正式穿越的施工。 4．3 监控测量的测点布置

纵向：设置4～6个排测点，测点排距3～5m。横向：管道中心线以及

两侧各布置2个测点，两侧第一个测点离中心线2．5～3．5m．第二个测点离第一个测点3-3．5m，同时测点要全部布设在沉降影响范围内。调试段的测点数量可适当减少，横向上管道中心线两侧的测点可视情况减少或省去。模拟段的测点数量宜多些．尽可能结合特殊地段的工况条件进行布置，有时可布置在地面以下。

特殊地段的监控测量的测点可根据以上原则及具体的特殊情况进行布设。

监控测量的时间为：在顶管机头所在位置的前后3排测点．每0．5h测一次，其他测点每小时测一次。

5 测量和纠偏

前面已提到顶管轴线不顺直会增大摩阻力，牵动土体，造成土体失稳、流失，另外，顶管机纠偏时，其轴线与管道轴线形成一个夹角．因此顶管机在顶进过程中，掘进的坑道成为椭圆形，此椭圆面积与管道外圆面积之差所形成的空隙造成的地层损失大小直接关系到顶管机上部土体的沉降值。如果地层损失过大，压浆措施往往无法达到全部的补偿作用，因此施工中认真测量．严格控制好顶管姿态极为重要。一般通过增加测量频率，提高顶管顶进的轴线要求(可控制在±3cm以下)，严格贯彻“勤测、勤纠、缓纠”的原则

穿越特殊地段前应尽可能使得机头水平和垂直位置仅有微量的偏差，避免在特殊地段有较大的纠偏操作。

6 顶管进、出洞口处理

顶管在进出洞口时。由于工作井预留洞口与管道之间存在空隙。如果洞口土体处理不当。就会发生土体涌人工作井内。从而造成洞口附近地面发生塌陷。如果洞口附近有管线或建筑物时，就会对它们产生不利的影响：如果附近是道路。地面塌陷就有可能影响交通。通过实践总结如下预防措施：在进、出洞口可采取压密注浆辅以井点降水的技术措施对土体进行加固(注意井点降水也会产生一定的沉降，使用时应谨慎)，以提高土体的抗剪强度和减少土体渗透性，保持土体稳定，不渗水，不流泥，使顶管安全进、出洞。

另外．在出洞口安装一定厚度的橡胶止水套环，防止水土涌人工作井。同时在洞口橡胶环外侧安装环行压浆钢管．如有少量水土渗漏时，压注较厚的触变泥浆。防止水土流失：顶管进洞后立即封堵管道和预留洞口之间的空隙，防止水土涌人接收井内。

对工作井、接收井附近的管线和建筑物。可根据具体情况采取一系列的吊、托、抱、地基加固、隔断帷幕和跟踪注浆等措施。

7 工程实例

2000年8月。苏州河支流截污A-15标工程9号-1O号井顶管施工，管段长302m，管径2200，管底标高-6．09。顶管正交穿越上游引水双孔箱涵(供应长桥水厂，日供水量4O万t，施工期正值夏季供水高峰，双孔满压流)，穿越长度9．5m，箱涵底标高-1．47。管顶与箱涵之间净距2．2m。顶管所处土层为灰色淤泥质粘土。该土土质软。为高压缩性流塑状，灵敏度St=6．37，属高灵敏度土。工程勘察报告中地质参数

的加权平均值为γ=17．2kN／m3，ψ=8．2°，c=10．48kPa。工程实施时选用多刀盘土压平衡顶管机。穿越箱涵时实际施工过程中工仓压力为0．15MPa。顶速为5cm／min。出土率控制在理论值的97％，管道垂直、水平误差达到±3cm时即进行纠偏。穿越前，在箱涵底部，底板至底板以下4m，顶管两侧60cm以外5m的范围内先行注浆．起到一定的托起作用。箱涵前40m布置了8排监测点，其中4排为每排5个测点(模拟段)，另4排为每排3个测点(调试段)，排距均为5m，同时箱涵上共布置9个测点。

顶管穿越过程中箱涵上的9个测点始终控制在隆起5mm以内．顶管贯通后在箱涵底部进行了注浆。同时在箱涵下的管节利用原有管道压浆孔向外注浆．注浆完成后9点中最大隆起值为14mm。沉降值为3mm。经过两个月的后期沉降和跟踪监测，最终9点中最大沉降值为4mm，一点隆起为1mm。满足了原水公司提出的最终沉降控制在±5mm的要求。

8 结论

结合顶管工程施工顺序。顶管成功穿越特殊地段的技术要点总结如下： 1)施工前必须充分调查特殊地段的详细情况．根据实际地质情况合理选择顶管机机型、布置好监控测点、计算和选定有关技术参数(工仓压力、顶进速度、出土量、压浆量、沉降预测值等)；结合洞口具体情况。采取合适的加固和环境保护措施。

2)施工中根据监控点监测所得反馈数据。不断调整相关技术参数使得沉降值控制在有关部门允许的范围之内；加强测量。避免较大的纠偏动作。

3)顶管结束后，要及时进行泥浆套的置换工序；及时封堵洞口；根据特殊地段情况及允许沉降要求。采取注浆加固的方式控制好后期沉降。

主动土压力Pa= 被动土压力Pb= 静止土压力P0=

式中：γ为土的容重；Φ为土的内摩擦角；c为土的粘聚力；h为顶管覆土深度，指地面至顶管中心距离；K0为静止土压系数，为1-sinΦ’； Φ’为土的有效内摩擦角。

理论值确定后应根据实际顶管过程中的顶速、出土量(出土量应略少于掘削量，使机头前部土体受到一定的挤压，防止机头上部土体塌陷)、地表监测数据随时进行调整，这样才能最终确定工仓压力的基本值。