大断面长距离土压平衡顶管施工沉降控制研究

大断面长距离土压平衡顶管施工沉降控制研究

Research on Settlement Control of Large Section and Long Distance Earth Pressure Balance Pipe

Jacking Construction

赵维刚¹梁晗²

Zhao Weigang ¹ Liang Han ²

中国水利水电第三工程局有限公司，陕西省，西安市， 710016

SINOHYDRO BUREAU 3Co.,LTD., Xi'an 710016, China

摘要：土压平衡顶管在施工过程中往往受土仓压力控制、管道纠偏、渣土改良等因素影响，在施工过程及施工后会发生地表沉降，对周围构筑物安全及正常使用造成影响。本文结合电子西街雨水管道工程实例，围绕土压平衡顶管施工沉降控制，在大断面、长距离、地下管线复杂等不利情况下，通过分析监控量测数据，采取同步及二次注浆、渣土改良及土仓压力控制、管道纠偏控制等措施，使地表沉降控制在规范和设计要求范围内。实践表明，在大断面长距离土压平衡顶管施工中采取上述技术控制地表沉降切实有效，对城市同类顶管施工具有一定的参考价值。

Abstract: Soil pressure balance pipe jacking in the construction process is often affected by the soil chamber pressure control, pipeline deviation correction, residuum improvement and other factors, in the construction process and after the construction will occur surface settlement, the safety and normal use of surrounding structures. This paper presents an example of electronic west street rainwater pipeline engineering, earth pressure balance pipe jacking construction settlement control, in the big cross section, a long, complicated underground pipeline, such as adverse circumstances, by analyzing the monitoring data, synchronization and secondary grouting, pressure control, improvement and residue in soil pipe rectifying control, make the surface subsidence control within the scope of the specification and design requirements. The practice shows that it is effective to adopt the above technology to control surface settlement in the construction of large section and long distance soil pressure balance pipe jacking, and it has certain reference value for the similar construction of urban pipe jacking.

关键词：大断面；长距离；土压平衡；顶管；沉降控制；

Key words: large section; Long distance; Earth pressure balance; Top tube; Settlement control;

1. 概述

本工程为西安市城区中心道路地下雨水管网的一部分，与城区主干路丈八东路相交，沿电子西街新建d2800mm雨水管，全长747m，管道埋深4.5~6m，采用土压平衡顶管法施工。管材采用D2800Ⅲ级钢筋混凝土管，外径3310mm，管壁厚度255mm，管节长度2.5m。沿线共设置顶管工作井1个，矩形断面尺寸为9m×6m；接收井1个，矩形断面尺寸7m×6m。

根据地质勘察报告，本工程主要地层岩性为第四系风积黄土地层：1-2素填土（Q₄^ml），主要由粘性土组成，含白灰渣及少量砖瓦碎块，疏密不均，该层层底埋深1.50m～3.20m；2-1黄土状土(Q4al+pl)，灰黄色～黄褐色，稍湿～湿，可塑，夹砂类透镜体或薄层，层底埋深7.90m～9.70m；2-3粉质粘土(Q4al+pl)，湿，针状孔隙较发育，层厚2.40m，层底深度16.10m。

勘探期间，稳定水位埋深约15m，标高约400.28m，属潜水类型。

2 .顶管施工沉降控制难点及重点

本工程为新建雨水管线，管道穿越区污水、电力、自来水、天然气等各类管线交错分布，且道路周边房屋密集，在顶管施工过程和施工后，地表发生的沉降会危及该类构筑物的安全及正常使用，因此，本工程顶管施工对地表沉降控制要求非常高。施工沉降控制的重点和难点在于：

（1）由于在实际掘进施工时，土质可能变化较大，完全按理论计算控制土仓压力往往有较大偏差，将造成土压失衡引起沉降。

（2）管道纠偏过程中形成的管道截面大于管道截面，造成外围空隙引起地表沉降。

（3）随着顶进深度的增加，出现渣土改良的不均匀性等风险概率增加，对开挖面的稳定带来不利影响。

3. 沉降监控量测

3.1监测目的

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2. 通过监控量测了解顶管各施工阶段地表沉降动态变化，分析其对周边建筑物和地下管线的影响程度。

3. 根据各阶段监测数据，分析研究顶管施工造成的地面沉降的应对措施。

3.2监控量测点布置

在顶管通过线路的地表每隔20m设置一个沉降观测点，在顶管影响范围内的既有构筑物埋设沉降位移观测点，每个构筑物不少于2处，并测得初始值。顶管初始顶进阶段需要根据监测数据对推力、推进速度和出土量等施工参数进行不断优化调整，因此，在顶管洞口沿顶进方向间距6 m布置2排监测点，之后每隔20 m布置1个监测点。

地表沉降、构筑物沉降控制指标按累计沉降12mm、沉降速率2mm/月控制。正常情况下地表沉降观测频率为1-2次/天，经数据处理分析，若地表沉降达到5mm以上时需对地表进行加固措施。

3.3沉降监测数据分析

根据监控量测数据，经整理分析，并参考相关文献，得出如下结论：

（1）在顶管顶进过程中，当机头到达并通过监测断面时，地表急速下沉；随着机头通过监测断面的距离增加，监测断面处地表沉降趋于稳定。

（2）当渣土改良效果不佳、出土量增大或管道纠偏部位地表沉降较大。

（3）施工停滞、强降雨会造成开挖面处地表在较短时间内发生沉降。

4.沉降控制技术措施

4.1同步注浆及二次注浆

为减小管道与地层之间摩擦力，在顶管过程中向管道外围灌注触变泥浆，起到润滑减阻、支撑地层等作用。

4.1.1同步注浆

混凝土管道每节布置注浆孔，如果不注浆或注浆效果不好，有可能会发生卡管等现象。本工程同步注浆管加设形式为“间一加一”；注浆孔设置位置为距管端口40cm，在管体内分0°90°270°分布设置。每段顶管端头增设一个调节管，便于顶进过程中的纠偏。

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2. 每环触变泥浆量采用下式计算：

V= K₀V₀L/( 1- ρ）

式中：V为每环触变泥浆量；K₀为安全系数，本工程取 4. 0；V₀为管节每米的理论注浆量，单位取m³；L为每环管节的长度，根据管材供应情况，本工程取2.5 m；ρ为触变泥浆收缩率，根据试验进行确定，本工程取0.05。

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3. 为保证触变泥浆稳定地注入地层，注浆设备选用压力稳定的螺杆泵，采用朗金土压力理论公式计算地层压力：

P=K₀γh

式中：P为地层压力；K₀为地层的侧压力系数，取0.55；γ为土的容重，取1. 4 x 10³ kg/m³；h为地层埋深，4.5~6.0 m。

4.1.2二次注浆

由于顶管推进过程中，随着顶进距离的增加，管节通过地层时会带走同步注浆时的管外泥浆和部分土层，形成管周间隙，不能有效支撑地层，因此有必要进行二次注浆，防止地表沉降增加。

本工程二次注浆的浆液配比与同步注浆浆液相同。在顶管顶进过程中，每顶进5~8节管道完成一次整条管道的二次注浆。在进口25m范围内，几乎所有管节均要通过此地层，在顶管推进过程中必须进行持续补充注浆。

4.2渣土改良及土仓压力控制

土压平衡顶管的渣土排出量必须与掘进的挖掘量相匹配，以获得稳定而合适的支撑压力值，使掘进机的工作处于最佳状态。良好的渣土改良效果可保证土仓压力的稳定，减小机头对开挖面的不利影响。施工中要求渣土具有良好的塑性，本工程通过按不同配比加入改良剂的土体进行塌落度试验，现场观察改良土的塑形状态，渣土表面有明显水的光泽，用手抓时能轻松抓取时为宜。考虑到成本、出渣效果等因素，最终确定采用泡沫剂的方法进行改良，其中泡沫溶液的配合比为水：泡沫剂=92%：8%，顶管推进过程每方渣土加入泡沫剂溶液200~300L。实际施工中，具体加入量还应根据地质条件及施工情况及时加以调整。

顶管推进过程中，根据顶管区域土质变化情况，结合地面监控量测信息，需要不断的优化和调整渣土改良质量，并掌握顶管机推力、推进速度和出土量的相互关系，合理控制顶管推进速度，保证土仓压力和开挖面压力平衡，减小地面沉降。

4.3管道纠偏控制

管道纠偏过程中形成的管道截面大于管道截面，会造成管道外围空隙引起地表沉降，因此必须予以重视。纠偏遵循“先纠高程，后纠平面，小角度连续纠偏”的原则。顶进过程中，技术及操作人员应随时监测各项数据的变化，在分析记录数据的基础上进行纠偏。

当测量发现偏差大于20mm，同时预测机头有向偏差大的方向发展趋势时，应立即进行校正。纠偏时开动纠偏千斤顶，每1m测量一次，并做机头和机尾数据比较，有回归趋势时，保持一段顶进距离后，应立即停止纠偏，防止机头左右摆动。

5.工程沉降控制情况及结语

电子西街雨水管道于2021年6月全部贯通，工程采用土压平衡顶管施工技术，在大断面、长距离、地下管线复杂等不利情况下，通过分析监控量测数据，采取同步及二次注浆、渣土改良及土仓压力控制、管道纠偏控制等措施，使地表沉降控制在规范和设计要求范围内，对城市顶管施工沉降控制具有一定的参考价值。

参考文献：

[1]魏纲，吴华君，陈春来等.顶管施工中土体损失引起的沉降预测[J].岩土力学，2007

[2]孙鹤明，靳志强．浅覆土大直径顶管顶进过程对周围土体影响研究[J].施工技术，2013

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[4]李达，孔恒，等．土压平衡矩形顶管施工引起的地表沉降规律研究[J].中国安全生产科学技术，2018

[5]杨惠丰．长距离土压平衡顶管工程设计与施工[J].煤气与热力，2014

作者信息：赵维刚，男，1984年生，本科，工程师职称

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