大断面矩形顶管施工中的土体沉降规律分析

上海隧道工程股份有限公司 上海 200062

1 工程概况

郑州市纬四路下穿中州大道隧道工程起点为纬四路金水河桥，沿纬四路向东，下穿中州大道，至CBD商务外环后，再沿CBD商务外环向南，至黑庄路（商务西五街）（图1）。工程全长909 m，其中隧道段全长775 m，顶管段110 m。

图1 纬四路下穿隧道平面

下穿隧道分为敞口段、明挖暗埋段和顶管段，敞口段和明挖暗埋段采用明挖顺作法进行施工，顶管段采用土压平衡式矩形顶管法进行施工，包括2 条大顶管隧道和2 条小顶管隧道，大顶管机断面10.4 m×7.5 m，是目前国内最大断面的矩形顶管机，施工难度大，许多先进技术在全国同类工程中首次采用。

下穿中州大道段为双向四车道+两侧非机动车道，隧道两侧均设置地面辅道和人行道，在中州大道两侧设非机动车道出入口，与地面辅道相接。

2 工程建设环境

2.1 工程地质

根据勘察资料，施工场地勘探深度为45 m范围内的地层结构及分层、时代划分，范围内基本分2 套地层：第四系全新统（Q4）、第四系上更新统（Q3）地层。顶管施工过程中主要穿越土层为粉土和黏性土。

2.2 下穿隧道对周边构筑物的影响

拟建隧道两侧多为商铺及居民住宅楼，周边建筑物距隧道基坑边线和结构距离最近在6 m左右，且隧道要穿越车流量接近饱和的中州大道，对地面沉降的控制要求极高。现有中州大道下方，地下雨污水管道、军缆、燃气管道及自来水管道等市政设施众多，分布复杂，除雨污水管道埋深较大外，其他管线埋深一般不大于1.5 m，顶管机顶进过程中须制定管线保护措施。

3 大断面矩形顶管机顶进施工进况

南侧矩形顶管施工，于2014年1月16日正式始发。隧道总长为110 m，采用预制钢筋混凝土管节，外形尺寸为7.5 m×10.4 m，管壁厚0.7 m，长度为1.5 m，管节总计73节。覆土厚度为5.1～5.4 m，坡度5‰，自东向西顶进。根据工程地质剖面图，顶管顶进通过的土层为②号粉质土、③号粉质土及④号粉质土。

截至2014年3月25日，顶进里程109.8 m。

4 大断面矩形顶管机施工监测

顶管顶进过程的监测范围，断面宽度为顶管底埋深的2 倍，在此范围内的周边道路地面沉降、路面变形、地下管线变形均需要布设测点。每隔20 m 布1 个监测断面，每个断面布置5 个测点，测点间距5 m。

由于本工程的特殊性，顶进过程中州大道不中断交通，因此在不同区域采用不同的监测方法。在围场内和非机动车道采用人工监测为主，在机动车主干道采用全站仪自动化监测。

5 土体影响规律分析[1-6]

南侧矩形顶管施工始发后要先后穿越加固区、施工围挡、人行道、非机动车道、机动车辅道、绿化带到达中州大道主干道，穿过中州大道后，再依次穿越西侧绿化带、机动车辅道、非机动车道、人行道最后进入施工围场内。

根据郑州地区小顶管的施工经验，顶管机在进出洞过程中沉降量最大，因此在顶管进出洞段均进行了土体加固，并增加降水井点，防止水土流失。

图2 纬四路隧道土体沉降趋势

根据土体沉降趋势图（图2）可以看出：

（a）由于出洞段采用双排SMW加固，加固距离较短，且型钢拔出后未进行浆液填充，在顶管顶进过程中不断扰动，造成出洞段的沉降较大，达到100 mm；

（b）顶管机进入非机动车道后，各项施工参数已经根据郑州地层情况进行了调整，均已趋于稳定，同时泥浆套保压效果逐步体现，沉降得到了控制，但由于顶管机在出洞后进行了2 次停机转接，沉降值依然较大；

（c）到达机动车道后，通过二次注浆填充土体间隙和泥浆套保压，顶管沉降得到明显控制，在里程64 m以后沉降值基本都在30 mm以内，达到设计要求；

（d）在顶管机到达西侧非机动车道后，顶进速度逐步放慢，在进入施工围场后，由于施工重载车辆的碾压，沉降值又有所增大，最后到达加固区后，沉降迅速收敛。

图3 纬四路隧道64 m断面处土体沉降变化曲线

根据64 m断面处5 个测点土体沉降变化（图3）可以看出：

（a）在顶管机到达64 m测量断面之前，由于顶管机对土体的挤压作用，前方土体有5 mm的隆起；

（b）在顶管机切口到达监测断面位置后，土体由隆起5 mm逐渐变为沉降7 mm；

（c）顶管机通过监测断面过程中，沉降出现了突变，由沉降7 mm变为35 mm。主因是顶管机高7.55 m，而管节高7.5 m，顶管机与管节之间的间隙为25 mm，泥浆套未及时填充缝隙并形成良好的保压效果。

（d）当盾尾离开监测断面之后，泥浆套已经逐步填充管节与土体间的缝隙，沉降趋于稳定，不过在顶管继续顶进过程中，由于管节移动的原因仍然会有波动。

另外，根据65.5 m断面处5 个测点土体沉降槽曲线可以看出，土体沉降在顶管机上方10 m区域内沉降最大，在两侧逐渐收敛，形成明显的沉降槽。

6 结语

郑州下穿中州大道大型顶管隧道工程是在传统顶管施工基础上的一次重大突破，通过对第一条大顶管施工经验进行总结，得出顶管施工对郑州地区土体影响的相关规律，指导顶管机下一阶段的顶进施工：

（a）顶管机在进出洞和停机转接过程中土体沉降最大，在进出洞区域根据环境要求须进行必要的土体加固，并且尽量减少停机转接时间，同时及时补浆，减少土体沉降。

（b）在沉降控制的敏感区域内，可通过二次注浆弥补泥浆套保压不足的问题，稳定土体沉降。

（c）由于顶管施工的工法造成管节持续移动，对土体造成连续扰动，沉降不可避免。但应减小管节与土体直接的间隙，规避顶管机与管节衔接处的沉降突变。