顶管工程施工监测技术分析

方旭维

摘要：文章以罗北路（罗宁路～潘径路东侧150m）道路新建工程C02标段顶管穿越部分工程为例，对顶管工程施工的过程中，对正在施工的管道的纵向、环向钢筋应力、管道的接触压力以及接缝纵向变位的监测，探究了顶管工程施工在管道内力中产生影响的规律，在此基础上分析了顶管工程对管道产生扰动的机理，并提出了降低扰动的措施，为以后的其他的类似工程提供一定的监测技术指导。

关键词：顶管工程；施工；监测技术

中图分类号： TU74 文献标识码： A

引言

顶管施工是继盾构施工之后发展起来的一种地下管道施工方法，至今已有100多年的历史，引入我国也有50年的历史。该方法不需要开挖面层，便能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物，以及各种地下管线等。与盾构法相比，顶管法具有掘进无需衬砌，节省材料；挖掘断面小，出碴少；作业人员少，故工程造价相对较低；工作井与接收井占用面积少，公害低；地面沉降量低，比较安全；工期较短；隐蔽性好，有战略意义等优点。

因此，在城市的软土地区开挖沟槽，在管道埋深较大、交通干线附近和周围环境对位移、地下水有严格限制的地段实施的管道工程，以及在排污、引水、煤气等管道工程中广泛采用顶管法。下面是罗北路（罗宁路～潘径路东侧150m）道路新建工程C02标段顶管工程中相关的施工技术与经济分析。

1 工程概况

罗北路（罗宁路～潘径路东侧150m）道路新建工程C02标段顶管穿越部分工程，位于宝山区罗泾镇。该管道全长120m，采用加重混凝土管，管内径1.25m，埋深5~8m。工程管线穿越断面10 m深度以内的地层主要由粉土、粉砂、中砂、粘性土、砾砂等组成。稳定水位埋深0.3~0.4 m，地下水属潜水类型，主要由河水补给。

2 施工方案

该工程采用泥水平衡钢顶管法施工，根据顶管施工的特点，将该工程施工划分为5个阶段，即设备选购、人员培训、设备安装调装、管道顶进、竣工阶段。关键的施工工序为，施工准备、沉井施工、顶管机井下拼装调试、顶管机掘进施工、顶管机到达掘进施工、顶管机拆卸退场、全线测量、竣工验收，具体流程见图1。

图1 施工工序流程图

2.1 施工准备

2.1.1人员配备

选派施工、设计、科研等部门有丰富经验的人员组建精干、高效的项目经理部，成立综合作业、管道加工、顶管施工及机械维修4个作业队，并合理划分各作业队的施工任务。

2.1.2“三通一平”

本着少占耕地及河道、防洪、文明施工及确保安全的原则，做好场地布置、临时设施修筑及临时供电、供水、供风工作。

2.1.3 测量放样

按I级导线做成施工控制网进行放样。

2.1.4 顶管机选型

顶管机是保证顶管顺利施工的关键。该工程具有埋深大(5~8m)、顶管穿越地层含水量大(渗透系数)、地层地质条件差(中砂层呈单粒状结构，成拱性差，易坍塌)等特点，在详细分析了顶管机穿越土层的土壤参数、土的有效粒径及土壤渗透系数等参数后，结合上述工程特点选择了泥水平衡顶管机及其配套设备进行施工。

2.1.5 顶管工作井设置

根据工程特点、地质条件及工期要求，设计采用出发工作井1座，内径1.4m，外径1.7 m；接收工作井1座，内径1.3m，外径1.6 m。出发井与接收井的结构型式均为圆形的预制钢筋混凝土沉井。

2.2 重点工程施工方案

2.2.1 筑岛沉井

(1)主要施工方法与流程

①施工方法

先筑岛、旋喷注浆形成有底大“护筒”，然后再就地分节浇注沉井，分节开挖下沉。

②工艺流程

筑岛、铺垫、拼装刃脚、安装支撑排架及底模、立内模、安装钢筋、立外模、灌注底节混凝土及养护、抽垫、下沉、基底水下清理、水下灌注混凝土封底、填充及灌注内部结构。

(2)主要技术措施

①围堰筑岛

根据井位中心桩进行放样；按井孔大小测出围堰内外边位置，然后按围堰设计断面进行围堰砌筑施工；在砌筑围堰的同时，在围堰内进行填土筑岛作业。

②模板

制作、安装模板时主要控制3点。一是外模的支撑、拉杆、外箍等须牢固，防止灌注混凝土时产生变形；二是控制模板的安装顺序；三是对于井孔尺寸相同的沉井，采用整体拼装式模板，可加快施工进度。

③混凝土浇注及拆模

分节浇注，单节长度范围为3.0~3.5 m。混凝土采用现场拌制，卷扬机、吊车提升或泵送混凝土，沉井周围进行分层均匀浇注。当混凝土强度达到设计强度的25 %时侧模；当混凝土强度达到设计强度的70 %以上时，拆除刃脚斜面的支持及模板。

④抽垫

采取分区、依次、对称、同步方式进行抽垫。抽垫前须清除井孔内所有杂物，然后掏挖垫木下的填砂，通过敲拖将垫木抽出。抽垫过程中，应注意回填量，并随时观测下沉量。

⑤沉井周边土体注浆防液化处理

因沉井所处位置为砂层，应对其周边进行深层注水泥浆加固，防止在沉井下沉时砂层发生液化。

⑥沉井下沉

根据该工程的地质及水文情况，沉井下沉采用不排水下沉(部分排水)方法，井内出土方式是抓泥或吸泥方式。下沉的辅助措施主要为高压射水、压重、抽水。

⑦沉井封底

采用不排水垂直导管法灌注水下封底混凝土，钢制导管内径为300 mm，管底至基底面30~40 cm，导管间距为3~5 m。

2.2.2 泥水平衡顶管施工

(1)施工流程(见图2)

图2 施工流程图

(2)主要技术措施

①顶进前施工测量

一是地面控制测量，即对所给导线点、水准点及其他控制点进行复测；二是竖井联系测量，即利用全站仪配合1/200 000投点仪，按极坐标法，将地面坐标及方向传递到出发井中，同时利用水准仪将高程传递到井下固定点；三是顶管顶进控制测量，主要有井下平面控制测量及水平测量；四是顶管机顶进测量，主要是利用顶管机自带的激光定向仪、经纬仪、电子测距离仪、水准仪等组成的测量系统进行。五是贯通后的联测，联测地上、井下导线网、水准网，确保顶管施工的高精度。

②高度重视初始顶进工作

顶管机初始顶进是顶管施工的关键环节之一，主要工作内容是出洞口前地层降水和土体加固、设置顶管机始发基座、顶管机组装就位调试、安装密封胀圈、顶管机试运转，以及拆除洞门临时墙、顶管机贯入作业面加压和试顶等。顶管机在出洞后顶进的前3 m作为顶进试验段。通过试顶可以熟练掌握顶管机的操作方法、各项参数的调控及管道安装焊接工艺、触变泥浆注浆工艺，以及测试地表隆陷、地中位移、管道受力等，以便及时反馈调整施工参数，确保全段顶管安全顺利施工。

③顶进施工

一是合理确定顶进速度、泥水比重、泥水仓压力、泥水流量及排泥流量等参数；二是利用经纬仪、水准仪等测量仪器，连续测量顶管机的轴线偏差，监测、控制顶管机的姿态；三是通过严防顶管机后退及同步注浆等手段，确保顶管机土压力的平衡和地层的稳定。

④进出洞段地表沉降控制

加强钢管壁后及洞口处的注浆，采用水硬性材料，达到迅速控制地表沉降的目的。

3 现场监测

3.1 监测内容以及方法

后续施工管道的顶进过程，为了保证施工的安全，需要对附近的管道施行跟踪监测，监测的内容包括钢筋应力、管段间接缝的纵向变位以及管土的接触压力。

3.1.1 管道钢筋应力以及土压力测试

在管道的纵向、环向钢筋上进行钢筋应力的传感器的安装，便于钢筋应力值的测读，同时用土压力盒进行试管道外壁面上的接触压力的直接测试，以此获得管道所承受的水土压力。

3.1.2 管段间接缝纵向变位测试

若进行管段接缝纵向变位的测试，首先要进行纵向变位测点的布设，变位测点的具体不设方式如图3。

图3接缝纵向变位测点布设方式

由于接缝处的混凝土的表面十分粗糙，同时接缝纵向变位是以mm进行量级计算的，因此，在混凝土表面进行测量会产生很大的误差，为此，可以利用平整度比较好的PVC垫片以及刚度适合的弹簧制成一个“辅助元件”，再用0.01mm的游标卡进行接缝纵向宽度的读取，运用此种方法进行结果的测试能够有效控制误差。

3.2 监测测点布置及监测频率

3.2.1 管道钢筋应力及接触压力监测

在南线管道处设计5个监测断面，每节管道的有效长度是2.5m，在第2节进行第一组测量元件的埋设，之后每隔2节管进行一组测量元件的埋设。

每个断面设置4个测点，每个测点进行一个压力盒和4个钢筋应力计的布置，如图4所示。进行管道钢筋应力以及接触压力监测的频率保持在1-2天测量1次。

图4测量元件布置示意图(l)

图5 测量元件布置示意图(2)

图6接缝纵向变位测试断面示意图

4 监测结果及分析

测试获得的数据即为钢筋应力，为了对管段的受力情况进行较好反映，需要转化钢筋应力，把钢筋应力换成管段所承受的环向弯矩以及纵向轴力。同时，能够借助标定曲线进行接触压力的测量，依据仪表读数得到压力值，通过数显游标卡尺读出接缝纵向变位。

4.1 监测结果分析

4.1.1 管道纵向轴力分析

图7所示为北线顶进南线#192断面纵向轴力的变化曲线，在北线的顶端推到#75环位置，这时南线#192的管道位于施工扰动区域II，其纵向的轴力保持在3800kN的水平；在北线顶部推到#75环位置时，南线#192管道就处于扰动区域I和IV，纵向轴力则浮动于3800——4000KN之间，波动幅度很小，则说明北线顶管的推进对南线管道的纵向轴力影响很小。

图7北线顶进中南线#l92纵向轴力时程曲线

4.1.2 管道环向弯距分析

通过图8可以看出，在南线#192断面处于施工扰动区域II时，每个点环向弯矩的变化都比较小，并且时程曲线几乎处于水平状态。在#192断面进入施工扰动区I和W之后，大大增大了扰动程度，掘进机的正面推进作用同北线管道同周围土体侧向摩擦作用所引发的附加应力促使南线管道A、B、C、D四点产生环向弯矩，其波动幅度为：47.48kN一m/m，101.61kN一m/m，54.62kN一m/m，42.66kN一m/m。

通过对其他四个断面环向弯矩时程曲线的观察能够得出以下结论：A、B、C三点的波动幅度比较小，B点的波动幅度较大，这是由于B点同北线距离最近，受扰动程度较大所影响的。

图8北线顶进中南线#192环向弯矩时程曲线

4.1.3 管道接触压力分析

通过图9能够看出，在南线#192的断面处在施工扰动区域II的部位时，接触压力值的变化比较小，同断面每个点所在地的水土压力值相差不多。在进入施工扰动区I和IV后，波动幅度会稍微增加。断面的其他每个点的波动幅度较小，表明北线顶进时对南线接触的压力较小。

通过对其他四个断面基础压力时程曲线的观察能够发现：在北线顶进的过程中，监测断面中的每个点，B、D点接触压力的波动幅度相对较大，A、C点的变化比较小，甚至为零。

图9 北线顶进中南线#192接触压力时程曲线

4. 1.4管道接缝纵向变位分析

通过图9能够看出，在北线进行顶进的过程中，南线#192的接缝变位会随着时间正负交错而发生变化，在南线#192的断面位于施工扰动区域的I时，A点会连续出现最大接缝正变位以及最大接缝负变位，C点也出现了最大接缝正变位0.49mm。产生此现象的原因在于：评价顶进的速度为2.5节/d，可见施工速度很快，同时注浆作业以及顶进工艺的不稳定加大了管土之间剪切摩擦阻力间的变化。

通过对其他断面接缝纵向变位时程曲线的观察能够看出：在北线顶进的过程中，通常情况下A点的接缝宽度的变化要比C点大，因此在北线顶推的过程中，在南线管段中靠近北线的A点的影响较大；其他的南线接缝纵向的变位除了个别的情况会出现2mm的变位外，其他的值都比较小，大部分处于2mm以内。

结语

在顶管工程施工的过程中进行监测，定期向监理等单位进行监测日报的提交，评价施工的稳定性与安全状态，对基坑的稳定性进行有效分析和预测，能够及时提出调整挖土参数、及时注浆等相应的施工建议。

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