泥水平衡顶管施工对地下管线的影响

葛以衡

(上海市第二市政工程有限公司，上海市 200065)

0 引言

顶管施工往往会穿越煤气、污水等地下管线。顶管顶过会造成地层损失，如果地层损失过大，会造成地下管线破坏，引起工程事故。

一般认为如果施工参数得当，控制措施合理，可以把地层损失率控制在3%以内。如果采用3%的地层损失率控制是否能满足管线的变形要求还有待于工程验证。

本文通过一个工程实例，说明通过加强监测，控制顶管施工参数，有效控制地层损失率，可以使顶管施工引起的地下管线变形控制在允许范围内。

1 工程概况

耀华地块纬一路一雨水管道穿越已有耀华支路，设计采用顶管施工，为泥水平衡掘进机。顶管管道管径DN1000，埋深为8.7 m，长度为68.3 m。管材为F型钢承口式钢筋混凝土，每节长3.0 m。纬一雨5#工作坑尺寸为8.3 m×3.7 m；纬一雨4#接收坑尺寸为5.4 m×3.7 m。

本工程地下管线情况复杂，有大量规划保留、新建及在建的重大市政设施，具体包括：现状耀华支路下规划保留的合流二期2-2 400×2 400污水箱涵（埋深约3.2 m）、DN1200煤气管道（埋深约2.0 m）。污水箱涵及DN1200煤气管施工期间需监测保护。具体顶管及地下管线相对关系剖面布置图见图1，平面图见图2。

顶管穿越耀华支路段分布的土层自上而下可划分为五大层七个亚层，一个透镜体。其中①1层为人工填土，①3层为江滩土，②1层～⑤3层为全新世Q4沉积层。场地地基土的物理力学参数见表1。

表1 各土层的物理力学参数表

2 施工监测

为保证顶管顶进过程中煤气管线及污水箱涵的安全，需要在管线上布置管线沉降监测点，同时，在沿顶管轴线上布置地面沉降观测点。施工前，测得初始值，作为监测的初始依据。监测布置图见图3，具体监测点说明见表2。

表2 顶管监测点位说明及预警值

场地内的煤气管及污水箱涵管径大、压力高，对变形控制要求较高。对该类管线的测点布置，在条件允许的情况下尽量布设直接监测点。但是，采用包裹法布设直接点需要开挖大面积道路，在交通主干道上将无法实施。因此，将采用小型钻进设备钻穿道路硬土层，将测点插入到管线上部的软土层中，然后加设套管，具体见示意图3。

施工过程中要求第三方监测单位严格按照施工方案对顶管周围环境进行监测。如果发现本次位移沉降或累计位移沉降超过预警值，应及时通知施工单位,在采取保护措施后才可进行施工。管线及周围环境预警值见表2。

3 顶管施工控制

3.1 施工准备

顶管进场后，由设备管理员对机头及顶进装置进行验收，验收合格后方可下井。机头顶进前，首先进行调试，机头及顶进装置调试完毕无任何异常后，开始顶进。

3.2 顶管施工及管线沉降控制措施

为确保污水箱涵及煤气管的安全，采用以下管线保护方案：

（1）开挖暴露，吊托保护。由于DN1200煤气管埋深较浅，顶管穿越前一天开挖暴露出穿越段2 m长度的管线，卸载覆土压力，减少沉降，如监测达到预警值，即采用吊托保护。

（2）顶管穿越污水箱涵段，由管内预留注浆孔对整个穿越段进行压密注浆，加固范围为顶管上方2 m范围。

（3）精心监测，优化顶管参数。顶管顶进初始阶段，精心组织地表及管线变形量监测，根据地表及管线的变形量对施工参数进行调整和优化，指导后续施工。

顶管顶进之前在污水箱涵两侧开挖样洞，确定污水箱涵无围护结构后，顶管开始顶进。为确保污水箱涵及煤气管的安全，顶管开始时顶进速度控制在2.4 m/h左右，顶力不大于3 000 kN。当顶进距离20 m时开始在管道预留孔内注膨润土，作为润滑剂。顶管施工参数见表3。

表3 顶管施工参数

4 顶管穿越对上部管线及箱涵影响

顶管顶进前首先取得初始值，每个测点从顶管切口达到前30 m开始监测。煤气管、污水箱涵及地面累计沉降量随时间变化见图4、图5、图6。各次监测时顶管顶进距离见表4。其中，煤气管监测点最大沉降点M4位于顶程50 m处；污水箱涵沉降监测点最大沉降点位于顶程35 m处。

表4 各次监测的顶管施工工况

由监测数据可知：顶管机头距离监测点（-30 m～+20 m）时，对管线及地面影响较大。当顶管顶进30 m，管线及地表变形速度开始增大。当顶管穿越过既有管线之后，管线沉降达到最大值：煤气管在最大沉降量为-7.66 mm，此刻煤气管纵向变形见图7；污水箱涵最大沉降量为-3.26 mm，此时污水箱涵纵向变形见图8；地面最大沉降量为-10.93 mm，沉降稳定后地表沉降纵向变形图见图9。最大沉降量均发生在第六次，主要是因为机头在穿越箱涵及煤气管过后，顶进速度加快,但监测数据都没有引起报警。在9月27号顶管进洞后，立即进行封洞，开始在管道预留口处注水泥浆，之后管线及地面沉降量趋于稳定。

另外，监测还表明：顶管的穿越对污水箱涵的影响并不大，而煤气管出现了较大的变形。分析原因主要是污水箱涵刚度相对较大，并且，顶管与污水箱涵斜交；顶管顶进后及时对污水箱涵下进行了压密注浆。煤气管相对刚度较小，穿越污水箱涵后，顶进速度加快，对煤气管沉降也有一定的影响。

由图7、图8可知，在煤气管及污水箱涵的监测点M4及WS3达到最大变形值时，管线的纵向变形并不大，说明通过采取必要的措施可以把变形值控制在容许范围内。

5 地层损失率反分析

由于该工程保护既有管线较为成功，且监测数据全面，通过现场实测数据反分析实际地层损失率对工程实践有一定的指导意义。

采用Peck公式反分析。首先计算沉降系数：

式中，Z——地面至顶管中心深度；

R——机头半径；

i——沉降系数。

根据Peck公式，可得到反算地层损失率的计算公式：

根据上式，地表最大沉降处的地层损失率为3.4%，地表最小沉降处的地层损失率仅为0.9%，污水箱涵处地层损失率为1.2%。施工结果说明，把地层损失尽量控制在3%以内就可以有效地保证地下管线的安全。

6 结语

本文分析了小直径顶管的穿越对已有管线及污水箱涵的影响，为以后相同施工条件的顶管穿越工程提供了参考。根据本文研究，顶管穿越既有管线时，应注意以下几点：

（1）顶管穿越对周围管线的影响未必只在管线的正下方，本文工程影响范围为-30～20 m；

（2）对既有管线进行系统的监测，根据监测结果，调整顶管施工参数，可以把顶进施工对管线的影响减到最小；

（3）在顶管顶进结束后，应及时对变形较大的管线进行压密注浆保护，以减少沉降。

[1]陈卫明.特殊地段顶管施工沉降控制技术 [J].非开挖技术,2005,22(1):34-36.

[2]周顺华，廖全燕，刘建国，王炳龙，凌国石.矩形顶管隧道顶进过程的地层损失 [J].岩石力学与工程学报,2001,20(3):342-345.

[3]余芳，吴献.大口径顶管施工过程中对附近居民危房的保护措施[J].建筑施工,2008,30(2):131-132.

[4]房营光，莫海鸿，张传英.顶管施工扰动区土体变形的理论与实测分析[J].非开挖技术,2005,22(1):22-26.