泥水平衡矩形顶管穿越软土地区施工地表沉降变形研究

泥水平衡矩形顶管穿越软土地区施工地表沉降变形研究

周长华

广东省基础工程集团有限公司 广东广州 510620

摘要：在城市隧道建设中，矩形顶管已广泛应用于地铁站的出入地下通道工程。虽然顶管施工期间能够减少地面建筑物及路面交通的干扰，但还是不可避免地引起土体的扰动。尤其在流砂层和淤泥软土中穿越，一旦出现土体失稳便会发生地面沉降问题，轻则影响路面交通营运，重则发生房屋坍塌，甚至造成人员伤亡。为此，在顶管施工中，必须对地表沉降加以严格控制，确保施工安全及不发灾害事故。现本文以某市地铁站区间通道工程为背景，结合Peck估算公式和现场实测经验法进行试推评估大断面矩形顶管施工对土体的变形规律，并提出相关的地表沉降控制措施，望能为类似工程提供参考意见。

关键词：泥水平衡矩形顶管；软土地质；地表沉降变形规律；分析研究；控制措施

0 引言

在地下空间施工中，矩形顶管顶进时引起的土层变形问题多借鉴于盾构施工及圆形截面顶管工程，但其截面形状和施工方式的差异问题，导致土体应力变化及土体随机运动也不一样。就目前来讲，顶管顶进时引起土体变形沉降的相关研究还是比较多：在理论分析方面，如Peck的正态分布曲线和Attewell的累积概率曲线对地表沉降进行估算，或者运用管节注浆压力来控制施工过程中引起地层位移进行计算；还有，在数值分析方面，如用ＭＡＲＣ程序研究表明顶管在１.２～１.5Ｈ（Ｈ为顶管机高度）埋深时的地表沉降会随埋深增加而加剧，或者运用ＡＢＡＱＵＳ 三维有限元模拟多种施工因素引起地表沉降；此外，可通过现场实测经验法，对顶进时土体损失的影响沉降变化或者穿越不同地层过程中的顶力规律性变化等等。但在众多研究当中，对矩形顶管的地表沉降控制相对较小，所以有必要对土体变形沉降再作进一步的探索及研究。

1 引起地表沉降的因素

从力学方面来讲，矩形顶管在施工过程中引起土体位移是三维的。顶进时，地下原土层受到顶管机头工具管的挤压与松动、剪切或扭曲、加载和卸载等作用下发生了改变；特别是砂土及淤泥层，更易发生土层结构破坏、变形及土层流动，最终出现地面隆起、沉降或超挖后大面积塌方。究其为弥补地层损失而发生土性变化的因素是多方面的：

（1）开挖面土体发生移动，使顶管推进压力与开挖土体压力失去平衡。当开挖端面土体受到的水平支护应力比原土层侧压力小时，土体便移至顶管内，顶管上方的土层损失引发地面沉降；若顶管机作用在正面的土体顶力比原土层侧压力大时，相反正面的土体就会向上或向前移动，导致机头欠挖，而发生顶管上方土体隆起。

（2）管道外壁出现空隙，导致土体损失。顶管机向前推进时，工具管对地层的剪切及管外壁与周围土层摩擦，使管外壳表面粘附了黏土或浆液，导致管外径比原来的尺寸加大，管道外壁出现空隙，是土体损失的特征；还有，如果顶进过程中注浆不及时，或注浆压力不合理，导致管道周边土体失去原有的三维平衡状态，使管外壁空隙未得到及时填充形成支撑，造成超挖产生土体损失，最终引起地表变形沉降。

（3）水土损失会引起固结沉降。顶进时，周围土体受到施工扰动便形成超孔隙水压力区，但当顶管机继续向前顶进离开后，超孔隙水压力就会逐渐下降，水份随之消散，使土体出现固结沉降，随着时间的推移，还会产生次固结沉降。

2 工程实例

本工程为某地铁站出入口矩形地下通道顶管施工，呈东北走向，斜穿主干道广汕公路，通道总长度约125.6m，覆土厚约4m。采用泥水平衡矩形顶管机结合明挖进行施工，顶管段长度67.5m，设计坡度１％；顶管管节外包尺寸7700×4500mm，管节顶、底板、侧壁厚度600mm，单节长度1.5m，管身混凝土强度C50P10。始发井与明挖段周边及顶管段沿线建筑物（天然基础）较多、地下管线密集，其中二、四、五层建筑物与顶管隧道的最小距离约8m，施工前对影响范围内的建筑物及地下管线进行注浆保护。

2.1 地质背景

项目范围内地质勘察报告自上而下分别为：人工填土层＜1＞、冲积～洪积砂层＜3＞、粘性土层＜4N＞、河湖相沉积土层＜4-2＞、坡积粉质粘土层＜4-3＞、花岗岩残积土<5h>。局部分布的淤泥层及砂层自稳性差，软土压缩易变形且强度低，而松散砂土存有易液化的不良地质现象，需提防地面沉降的影响。同时，花岗岩残积土主要是砂质粘性土，局部为砾质粘性土，水理性差，遇水易软化崩解，扰动后承载力会大幅下降，若水浸泡后易发流砂，甚至会造成塌方。此外，施工场地下水主要以基岩裂隙水为主，局部分布的砂层存有丰富的孔隙水，地下水较丰富。对于以上不良的工程地质及水文地质，虽然可应用岩土治理方法进行预防，但顶管施工开挖土体扰动有可能会造成水土流失，引发地面沉降或周边建筑物变形沉降等次生地质灾害，须严格加以控制。

2.2 地表沉降监测

本工程顶管需斜穿交通繁忙的广汕主干道，施工过程中不允许断交该地区的交通，更不能出现明显道路开裂及地面沉降。故此，为确保顶管施工期间不发生地表隆沉，须根据区间的监测条件和精度要求，采用地表和深层观测相结合的方法进行实时监控。地表变形和深层土体变形状况分别采用全站仪与分层沉降仪进行24小时跟踪监测，经数据处理分析后可以及时调整顶管机参数的依据，尽可能降低地表的沉降量，地面沉降控制在+10mm～-10mm的范围内。现场测点布置如图1所示。

图1 监测测点布置图

3 地表变形规律分析

为确保矩形大断面顶管工程的稳定安全，须充分考虑顶进期间土体纵、横向变形的变化规律。本工程在顶管机施工前，选取机头推进25.20m工况进行现场实测监测，将矩形断面等效为圆形断面，并结合Peck估算沉降经验公式进行隧道穿越顶进模拟。

3.1 纵向变形沉降

顶管顶进模拟，一般在开挖端面模拟施加荷载作用，以改变荷载量来控制开挖面的位移。而在实际顶进时，开挖面土压力存在不确定性，变化非常大，必须在土体切削尺度方面加以控制，确保实际出土量与计划取土量相同，尽可能降低土体位移。同时，顶管机头表面与前方土体的开挖端面又有一定的空隙，因而出现超挖或欠挖问题。尤其是本工程顶管在复杂的浅覆土中穿越，应对引起地层变形的机头欠挖作用、摩擦力以及土体损失的各因素影响进行研究。从图2的土体纵向变形曲线图可以看出，顶管顶进过程中引起地表的竖向变形不是各因素的简单叠加，而是在共同作用下出现隆起后再发生相对沉降。这是土层欠挖造成土体在推进面前方呈现隆起变形，然后在工具管处出现相对较小的沉降，而摩擦力的作用比较小，随着顶管向前不断推进，开挖面后方土体沉降随之增加，土体损失主导沉降变形。

图2 土体纵向变形曲线

3.2 横向变形沉降

从以上的土体纵向变形曲线可知，在顶管施工过程中发生地表沉降主要是开挖后，顶进使地表产生较大竖向位移。在矩形顶管顶进时出现地表沉降槽曲线，可采用Peck公式拟合数值模拟施工环境效应。从图3的拟合曲线和现场实测结果显示，横向地层沉降槽呈正对称，随着埋深的不断增加，沉降槽底部沉降量不断加剧。而地表沉降曲线顶部出现约2.5倍的顶管宽度向两侧出现先隆起后逐渐减小，最后趋于0。由于本矩形顶管工程穿越覆土较浅且断面较大，所以拟合所得函数与数值模拟结果的差值出现在地表沉降曲线的顶部。同时，矩形顶管底部面积是比较大的，进而释放了一定的应力，导致土体发生回弹；再者顶管底部的注浆压力是地层压力的2/3倍。所以，这也是顶管沉降曲线出现沉降槽外隆起的原因之一。

图3 土体横向变形曲线

4 地表沉降控制技术措施

根据矩形顶管推进模拟显示，本工程地面沉降监测各项顶进参数是可行的，土体纵、横向变形曲线的沉降值在+10mm～-10mm范围内，满足施工设计要求。不过，顶管施工前，还需对现场的地质条件和环境情况进行周密、细致的核查，并从多方面的影响因素进行考虑，制定切实可行的地表沉降控制方案，对开挖量、注浆压力、管道外壁空隙等采取相应的措施，以确保地面建筑物及路面交通的安全。

4.1 稳定流砂及淤泥土层

施工前需根据具体的施工环境、土层性质适时调配好触变泥浆，使浆液性能贴合工程需要。同时，结合泥浆水分的渗透损失情况，在顶管机头后20m区域内均设置补充注浆，往后的砼管每10m（即4节）继续进行设置注浆断面，尽可能确保顶进过程中浆液的连续性及完整性。当开挖面遇到含砂量过大的地层时，需加大注浆量，增加土体的和易性和稳定性，以平衡土体的压力，避免出现地表塌落。此外，排泥管的泥浆用量要控制好，因在泥浆流失和地下水等作用下，泥浆实际用量会比计划用量多，所以注浆量须按管道周围空隙大小和土层特性来确定，且每环控制在0.6～0.8m³/m的范围内，从而确保开挖面的前腔泥浆压力符合设计要求。尤其是淤泥软土，务必控制泥浆压力适当比土层地下水的压力大，不仅可防止开挖面侵入地下水，还能够预防土体损失或地下水流失，避免引起土体固结沉降。

4.2 适当控制注浆压力及土压

顶管顶进过程中，注浆压力要控制平稳均匀，须根据总压浆量与顶进距离的关系来确定泥浆压力是否符合要求。顶进时，结合以往的施工经验以及现场的状况，注浆压力通常比地下水土压力高些（约1.2～1.3倍），可控制在0.043～0.046MP_a以内。压浆开始时无需过高，如果压力太高，会导致冒浆问题或者出现地面隆起、开裂或冒注；相反压力不足，浆液无法压出管壁外成不了泥浆套，失去泥浆护壁作用导致管壁外土体容易扰动发生局部沉降，没有形成泥浆套失去润滑作用影响减摩效果。同时，顶进过程中须密切注意土仓中土压力P控制，即主动土压力P_a＜P＜被动土压力P_p；为防止土压力失稳，需根据现场土层变化、地表沉降监测等状况及时调整土压力，以免造成开挖面失稳发生地面沉降。

4.3 压注泥浆填充管外空隙

从设计角度来讲，为降低顶管顶进时的摩擦阻力和主千斤顶的顶力，工具头的外径会比顶入的钢筋砼管外径大10～20mm。这不可避免使顶管在隧道开挖时土体塌落到管外壁上形成空隙，加大了地表沉降的可能性。所以，为确保泥浆能及时压注填充管外与地层的空隙，顶进时必须严格按适时同步注浆、先注后顶、随顶随注、及时补浆的施工原则进行，使泥浆在填充管外空隙的同时，也形成完整的泥浆套，还可平衡顶管上方土体的自重，避免出现土体变形沉落。

4.4 合理运用等体积置换

矩形顶管施工过程中，会不可避免引起隧道周围土体的松动或塌陷，使地层损失或经扰动后出现固结，而造成地表沉降。所以，必须要密切注意出土顶进时保持等体积置换，每次顶进都需经过相关的计算，尽可能保持管内挖掘土方的体积Q_土完全等于顶入管子的体积Q_管（即Q_土= Q_管）。如果Q_土＜Q_管（超挖），会使地面出现隆起；若Q_土＞Q_管（欠挖），极易发生地表变形沉降。除了在施工顶进时用泥浆进行补充外，掘进完成后还需马上进行高压注入水泥浆液置换管道外壁的润滑泥浆，在加固通道外土体的同时填充空隙和提高土层的密实度，以消除出洞过程中产生不均匀沉降的影响。

5 施工效益

本地铁出入口站顶管工程从始发井开始顶进，期间根据区间布置的施工监测点精心组织施工，每天对矩形大断面顶管在富水软土地层隧道中穿越实时监控，使浅覆土过街顶进施工能够靠近建筑物及在不封道繁忙公路的特殊环境下预期顺利安全贯通，较好地实现了既定的质量安全和工期目标，并更好地取得了良好的社会效益和经济效益。

6 总结

该工程属大口径顶管、浅覆土，且开挖面为松软复杂土质，易引发流砂及固结发生地表沉降，为顶进期间不危及邻近建筑物及地面交通，采取了科学合理的相关措施和关键技术攻关：

（1）结合Peck正态分布曲线和区间断面监测测点实施顶管试推模拟，获取的沉降曲线能完全反映顶进时的土体扰动对地表沉降的影响。

（2）为防止不稳定砂层发生流砂或淤泥土层固结，顶管隧道穿越时需向开挖面压注已添加膨润土和添加剂的触变泥浆，以改善碴土的流动性及止水性。为本工程顺利完成顶进发挥了重要作用，既可以起到支撑作用，又能够降低地表沉降的风险。

（3）顶管时，必须控制好注浆压力及注浆量，适时填充管外空隙和等体积置换，避免土体造成损失，是控制地表沉降的关键所在。

参考文献

［1］GB50202-2002.建筑地基基础工程施工质量验收规范［S］.北京：中国计划出版社，2002.

［2］GB50497-2009.建筑基坑工程监测技术规范［S］.北京：中国计划出版社，2009.

［3］余彬泉， 陈传灿．顶管施工技术（第一版）［Ｍ］．北京： 人 民 交 通 出 版 社，１９９８．