泥水平衡顶管下穿既有干道地表沉降因素分析与控制措施

泥水平衡顶管下穿既有干道地表沉降因素分析与控制措施

傅小利,史亚鹏

中国建筑第二工程局有限公司华东分公司 上海市  200135

摘要：基坑开挖过程中会产生土体变形，其中地表沉降变形直接影响基坑周边建构筑物的使用功能，选择合适地基坑开挖方式和开挖速率，对减少开挖时过大变形和基坑垮塌有重要意义。李淑等分析了北京地区深基坑墙体变形特性基于此，以下对泥水平衡顶管下穿既有干道地表沉降因素分析与控制措施进行了探讨，以供参考。

关键词：泥水平衡顶管；下穿既有干道；地表沉降因素分析；控制措施

引言

由于盾构工法施工效率高、环境扰动小和安全可靠性高,近年来,被广泛应用于城市地下基础设施的建设。但因常规隧道断面间隔有限,发展超大直径隧道已成为地下空间开发的重要趋势,我国已经建成了一批超大直径的城市地下道路隧道[1]。然而,超大直径盾构隧道的施工容易遇到复杂的环境,例如复合地层,超大直径复合地层盾构经常遭遇地表不均匀沉降等问题。在这方面,能够预测与沉降相关的开挖效应一直是岩土工程界的热点问题,而超大直径复合地层盾构开挖引起的沉降研究更是其中的重点与难点。

1泥水平衡顶管下穿既有干道地表沉降因素分析

盾构施工方法对周围土体和岩石有一定的影响，可能导致土体的重新固结。影响表面变形的因素主要有五个方面:(1)前进过程中刀前的土压力减少。如果土压力大于刀前的土压力，手掌表面上的土就会隆起。如果仓库土压力小于刀前土压力，手掌表面上的土可能会剥落。(2)盾构机工作时盾构机壳体与土体之间的摩擦力。盾构机周围的地质经验受到前进的力，土向前移动，盾构机后面会有空隙，前方土体受到压力，表面崩塌或隆起。(3)推进过程中，孔隙进入隧道，土层孔隙率压力降低，土壤有效应力增大，土体固结导致地表沉降。同时，隧道管雨水量增加，指标隆起。(4)隧道段和土体之间有一定的间隔，随着时间的推移，该间隔被填满，表面崩塌。(5)盾牌推进过程中存在一定的行驶方向偏差，因此可能会有动态校正。振动的推进增加了土壤扰动，增加了表面变形。在标定过程中，地层扰动大幅增加，曲率动态校正增加，地层损失增加，基本损失和表面变形增加。

2泥水平衡顶管下穿既有干道地表沉降控制措施

2.1既有干道沉降控制

对于顶管施工而言，通常通过人工方式启闭注浆阀门以控制外部注浆过程，这种操作无法保证控制精度和施工时效，该工程施工过程中既有干道属于正常运行道路，对地面变形量的要求较高，因传统的施工工艺无法保证顶进穿越过程中水土压力的动态平衡，而无法满足施工控制要求。为此，该工程段采用自动注浆顶管施工系统，通过加强注浆量的精确控制，避免既有干道出现沉降或隆起过大。再通过优化试验段注浆施工参数，确保注浆过程的相对稳定，每节管节设置有12个注浆孔，对应设置12个自动注浆控制阀。在顶管顶进施工期间，各阀门依次开启10s，并循环一圈，总注浆时间为2min，一次注浆量达到0.14m3。考虑到施工区域淤泥质土渗透系数小，故将注浆压力增大至0.30~0.35MPa。这种全自动注浆系统的应用即有效避免了人工操作可能产生的误差，又使顶管外壁和周围土体的摩阻力大大降低，有效控制施工过程中的地表变形。在顶进结束后，立即通过水灰比为0.45的纯水泥浆置换膨润土泥浆，置换后的注浆压力控制在0.2~0.5MPa，纯水泥浆注浆量按照0.3m3/m确定。

2.2顶管机出洞

在出洞前，应该对土体进行加固，以保证设备能顺利进入到其中。为避免在出洞后，水土沿着缝隙进入到工作井中，可以在洞口灌注水泥砂浆，加固的范围在顶管进出洞口的周围2.0m。顶管机状态的复核测量：在进入到隧洞前，掘进机要能先了解顶管的实际位置，这是能明确顶管实际情况并判定设备进出洞状态和拟定施工方案的重要基础，能保证设备在施工上始终按照施工方案进行操作，以良好的状态进入到隧洞中。出洞处理：出洞过程中，应该准备好稻草，并在出现流砂的情况下，就可以使用稻草来及时填堵，从而避免过量泥沙流出。在设备施工到具体位置上，应该使用预埋管来引出其中的水，并使用水泥来封堵。顶管机进工作井：在工作井壁破坏后，掘进机头应迅速、连续顶进管节，缩短出洞时间。顶管机整体进入工作井后，应尽快把机头和管节分离，并按要求处理管节和隧洞的接头，减少水土流失。

2.3控制结果监测

为进行顶管顶进施工期间以上应对措施实施后既有干道沉降监测，在顶管施工范围外3.0m、顶管中心轴线上方、顶管顶进范围外缘等处分别设置监测点，根据顶进距离进行顶进施工前后沉降情况的分析。根据监测结果，在顶管顶进至各沉降监测点前10m的位置时，各监测点均受到一定程度的影响，监测数据发生较大波动；而当顶管穿越相应的监测点后，沉降监测结果表现出逐渐稳定趋势。通过分析顶管中心轴线监测点监测数据发现，其沉降量结果明显比其他位置大，沉降量为7.1mm，隆起量为7.4mm，待顶管穿越后沉降量和隆起量监测值均回落，待顶管中心轴线监测点处监测结果趋于稳定后，其沉降量和隆起量分别为6.2mm和5.8mm。顶管顶进施工边缘位置沉降量和隆起量最大值分别为4.1mm和7.0mm。顶管顶进范围以外3.0m处的监测点所测得的结果显示，沉降量和隆起量最大值分别为6.0mm和7.2mm，且均在顶管穿越后趋于回落。在泥水平衡顶管顶进施工过程中土压力波动始终控制在±20kPa范围内，根据沉降量的监测结果，沉降控制措施实施后对既有干道沉降有较好的控制效果。

2.4顶管机泥水控制

泥水平衡工具管的基本原理是泥水护壁，在实际施工中，要确保挖掘面的自身稳定，可以向其中灌入一定的泥水。在压力的作用下能向内部渗透，从而形成泥皮。此外，泥水压力也能在泥皮作用下避免出现坍塌问题。（1）当掘进机停止工作时，必须要确保泥水不会从土层洞口流出，这样才能保证挖掘面的稳定，特别是在出洞上，要有效控制漏水问题。（2）在掘进工程中，要关注地下水压力情况，并针对实际情况，及时采取相应措施，以保证挖掘面自身稳定。（3）在顶进过程中，也要了解挖掘面是否稳定，并检查泥水的浓度和密度，观察流量和压力是否处于固定范围内，保证满足实际工程需求。

2.5数值模型

为了准确把握地面沉降特性，采用１５节点精确分析并加密基坑周边土体网格，取全断面予以分析，同时视为平面应变问题。基坑模型开挖深度为１６ｍ，宽度１２ｍ。为消除边界影响，经试算，取模型边界尺寸为深度３２ｍ，宽度６０ｍ。其中粉土平均厚度为８.０ｍ，余下为黏土。地下稳定水位取为４.０ｍ。数值模型边界变形条件为：模型左、右两侧水平方向位移为零，允许发生竖向变形，底部为固定边界（不允许发生变形）。

2.6水位设置

在定义施工阶段界面可以定义模型水位。潜水水位使用定义整体水位命令，直接输入地下水位高度或选择预先定义的水位函数设置水位，设置的水位适用于整个模型。承压水水位使用定义网格组水位，将含承压水的网格组输入承压水水位。模型输入了整体地下水位并定义了网格组地下水的情况下，计算时优先按网格组地下水位考虑，只在未定义单元网格组地下水位的网格组上按整体地下水位计算。在分析控制界面中勾选自动考虑水压力命令。

结束语

在盾构隧道经过断裂带且地下既包含潜水又包含承压水的情况下，承压水在隧道底以下的地表沉降量比隧道穿过承压水的地表沉降量小，承压水在隧道底以下的最大地表沉降量大约是隧道穿过承压水的最大地表沉降量的80%。

参考文献

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[2]龙明华,李培国,汤宇,周军强,王满谷.浅谈泥水平衡顶管施工技术[J].中国设备工程,2022(03):186-187.

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[4]白俊杰.基于地表沉降关键指标的冲击风险管控与实践[J].煤炭技术,2021,40(09):135-138.

[5]黄贤君.泥水平衡顶管施工方案选择[J].建筑技术开发,2021,48(08):30-31.