郑州市下穿中州大道超大断面矩形顶管隧道施工沉降控制技术

荣　亮, 杨红军

(中铁隧道股份有限公司， 河南 郑州　450000)



郑州市下穿中州大道超大断面矩形顶管隧道施工沉降控制技术

荣亮, 杨红军

(中铁隧道股份有限公司， 河南 郑州450000)

摘要：郑州市下穿中州大道矩形顶管隧道工程具有断面超大、覆土浅、4条隧道平行布置、净间距小等特点，地表沉降控制难度大。为有效控制地表沉降，采取同步注浆及二次注浆、渣土改良及出渣量、顶管机防背土、6刀盘控制及盲区处理、顶管隧道止退等关键技术。实践表明，超大断面矩形顶管在覆土浅、净间距小、地层多次扰动等复杂情况下，选择合适的注浆参数、精细化地控制出渣量及6刀盘操控、实施有效地止退等技术控制地表沉降是切实有效的。

关键词：超大矩形顶管； 沉降控制； 下穿城市道路； 小间距; 6刀盘控制； 覆土浅

0引言

随着经济的发展，城市交通变得越来越拥堵，地下隧道交通建设已成为城市发展的新方向。部分城市繁华市区，受周边建筑、地下管线、周围交通等诸多条件限制，地下空间不足，空间利用率较高的矩形断面隧道越来越多地用于地下隧道的建设。由于地下隧道多处于城市繁华区，对地层沉降要求相对较高。目前对圆形隧道地层沉降控制研究较多，而对矩形顶管隧道研究较少。文献[1-2]研究了顶管施工对周围土体的影响；文献[3-4]介绍了顶管施工造成地层沉降的规律及预测；文献[5-6]分析了顶管施工造成路基沉降的问题及路基面沉降规律；文献[7-8]介绍了曲线顶管沉降的监测及控制；文献[9-10]介绍了顶管施工中大堤、地下管线的沉降控制；文献[11-12]介绍顶管沉降的分析及控制措施。以上研究针对顶管施工沉降规律的研究较多，但对沉降控制措施的研究较少。本文以郑州市下穿中州大道工程为背景，介绍同步注浆及二次注浆、渣土改良及出渣量、顶管机防背土、6刀盘控制及盲区处理、顶管隧道止退、置换注浆等顶管施工沉降控制措施。

1工程概况

红专路下穿隧道起始点位于红专路与姚寨路交叉口处，沿红专路向东，下穿中州大道，终点位于红专路与龙湖外环路交叉口处，工程全长801.263 m。其中下穿中州大道段采用矩形土压平衡顶管法进行施工，长度为105 m。顶管段隧道为4条隧道平行布置，中间2孔断面为10.10 m×7.25 m，两侧2孔断面为7.50 m×5.40 m。顶管段隧道横断面图见图1。

图1　顶管段隧道横断面图(单位：m)

Fig. 1Cross-section of tunnel constructed by pipe-jacking method (m)

根据地质勘查报告，本工程所处地貌单元为黄河冲积平原，地形起伏较小。勘探深度范围内地基土属第四系(Q)沉积地层分布较为规律，其纵横向展布较均匀，起伏变化不大，主要为人工填土、第四系全新统(Q4)粉土、粉质黏土、粉砂及细砂等。顶管隧道纵断面见图2。

图2　顶管隧道地质纵断面图

Fig. 2Longitudinal profile of tunnel constructed by pipe-jacking method

本场地勘察期间，地下水位埋深在地表下7.7～9.0 m处。根据区域资料，场地地下水位年变幅为1～2 m。

2顶管机简介

4条顶管隧道采用2台顶管机进行施工，其中机动车道顶管机断面为10.12 m×7.52 m，非机动车道顶管机断面为7.52 m×5.42 m。顶管机出厂照片见图3和图4。2台顶管机均采用土压平衡模式，刀盘为6刀盘形式(3凸3凹)，采用两螺机出土、前盾设置“帽檐结构”(防背土装置)。

3顶管隧道特点及沉降控制重难点

1)断面超大。机动车道顶管隧道断面为10.12 m×7.27 m，为目前国内乃至国外最大断面矩形土压平衡直拱顶管隧道。

图3　大顶管机工厂组装照片

图4　小顶管机工厂组装照片

2)覆土浅。隧道覆土厚度在3.0～4.2 m，覆跨比仅0.3。

3)净间距小。4条隧道平行布置，隧道间净间距仅1.0 m，施工期间相互扰动大。

4)地表沉降控制要求高。顶管隧道下穿中州大道，中州大道总宽100 m，设计时速为80 km。

超大断面矩形顶管沉降控制的重难点在于：

1)顶管隧道断面为矩形，上覆土形成的受力拱拱面与顶管盾壳面间的面积较大，较大土体靠盾壳支撑，对地层扰动较大，地层变形大。

2)在埋深相同的条件下，随着顶管盾壳面积的增大，上覆土形成受力拱的作用大大减弱，上覆土发生沉降的敏感度大大增强。同时尽管存在泥浆套的减摩作用，盾壳与上覆土间的摩擦力也逐渐增大，“背土效应”也逐渐明显。

3)随着顶管开挖断面的增大，出现渣土改良的不均性、土舱内各点压力差别较大等风险的概率较大，对开挖面的稳定带来不利影响。

4)4条隧道平行布置，且净间距较小，施工期间相互扰动较大，且对地层进行多次扰动，地层沉降控制难度大大增加。

5)矩形顶管采用6刀盘开挖，顶管机的控制难度增加，开挖面可能出现局部超挖、压力控制不均等。

4沉降控制技术措施

4.1同步注浆及二次注浆

顶管施工与盾构施工存在一定差异性，顶管隧道在始发井内进行管节拼装，隧道掘进过程中整条隧道在地层中移动。为减小隧道和地层间的摩擦力，在顶管隧道贯通前，顶管同步注浆及二次注浆均不能采用水泥浆，注浆浆液为触变泥浆。触变泥浆在顶管施工过程中起到润滑减阻、支撑地层等作用。

4.1.1同步注浆

顶进时压浆要及时，确保形成完整、有效的泥浆套，必须遵循“先压后顶、随顶随压、及时补浆”的原则。

1)注浆量。每环触变泥浆注浆量

V=K0V L/(1-ρ)。

(1)

式中：K0为安全系数，一般为3.0～4.0，取4.0；V为管节每米的理论注浆量，V大=0.306 m3，V小=0.232 m3；L为每环管节的长度，取1.5 m；ρ为触变泥浆的收缩率，根据试验进行确定，取0.05。

将各值代入式(1)，得：

V大=4×0.306×1.5/(1-0.05)=1.93 m3；

V小=4×0.232×1.5/(1-0.05)=1.47 m3。

2)注浆压力。由于顶管隧道的覆土浅，仅为3.0～4.2 m，触变泥浆压入地层时的压力必须稳定、精确，以防触变泥浆击穿地层。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，同时在注浆孔端部安装压力传感器，以确保注浆压力的精确。采用Rankine压力理论公式计算地层压力，地层压力

p =K0γh。

(2)

式中：K0为地层的侧压力系数，粉土为0.4；γ为土的容重，取加权平均值为1.97×103kg/m3；h为地层埋深，3.0～4.2 m。

将各值代入式(2)，得：

p=0.4×1.97×103×(3.0～4.2)=0.023～0.033 MPa。

注浆压力(浆液注入地层时的压力)为地层压力的1.2～1.3倍，注浆压力控制在0.027～0.049 MPa，施工过程中根据覆土厚度、地表沉降等参数进行确定。

3)注浆范围及注浆管路。同步注浆的范围一般为顶管机后方3～5环管节，具体范围可根据地层情况、断面尺寸和触变泥浆性能指标等进行确定。本工程注浆范围顶管机后方4环管节，管节环与环之间以及管节内部注浆孔之间的管路均采用并联方式(见图5)，以保证每环和每个注浆孔的压力相同或相近。

图5　泥浆管路连接照片

4.1.2二次注浆

进行二次注浆的作用主要有2种，根据二次注浆不同的作用，其注浆位置、注浆浆液也不同。

1)保证触变泥浆套的完整。弥补同步注浆的不足，防止触变泥浆失水、固结造成泥浆套破坏，进而造成顶管推力增大，地表后期沉降加大。注浆范围为拼装完成的整条顶管隧道，注浆浆液与同步注浆浆液相同。在顶管推进过程中，每掘进10～15 m完成一次整条隧道的二次注浆，其注浆量可根据顶管推力、地层参数、泥浆性能、地表沉降等参数进行确定，一般为同步注浆量的0.2～0.3倍。其注浆压力和注浆方法与同步注浆类似。

2)补充地层的损失。由于顶管推进过程中整条隧道一直移动，管节通过地层时，会带走部分土体，造成掘进完成的地层渣土持续流失，必须进行地层补充，防止地表沉降持续增加。在始发洞门20 m范围内，所有管节均要通过此地层，造成地层持续损失，地表沉降较大。在顶管推进过程中必须进行持续补充注浆，注入浆液稠度越大越好，具体稠度根据注浆泵能力进行试验确定，每掘进一环的注浆量为0.6～0.8 m3。

4.2防背土效应控制

当顶管机与上覆土层之间的摩擦力较大时，地层部分土体黏附在顶管机上部，随着推进长度的加大，黏附土体越多，造成顶管推进困难，即“背土”效应(见图6)。随着顶管断面的增大，出现的概率越大。顶管产生背土效应后，造成推进阻力大，同时地层发生较大的垄沉，严重时造成上覆的坍塌，施工过程中必须防止顶管出现“背土”。防止“背土”现象最有效的措施是在顶管周围注入触变泥浆，形成良好的泥浆套，减小顶管与地层之间的摩阻力。

顶管机设计制造时，在顶管切口环处增加帽檐结构(见图7)，在帽檐结构内和铰接处预留触变泥浆孔，顶管掘进过程中，实时注入触变泥浆，形成良好的泥浆套，减小与地层的摩阻力。注浆方法与同步注浆相同。

图6　矩形顶管产生背土示意图

Fig. 6Sketch of soil carrying of rectangular pipe-jacking machine

(a)

(b)

4.3渣土改良技术

良好的渣土改良效果可保证土舱压力的稳定、连续、掌子面的稳定、出渣量的精确控制。渣土改良一般以水、泡沫剂、膨润土、高分子聚合物和添加为主，为得到渣土良好的流动性和塑性，通过综合实验平台对各种材料改良后渣土性能进行研究，考虑到经济、效果等综合因素，确定渣土改量采用泡沫剂+膨润土的方法进行改良。其中泡沫溶液的配合比为水∶泡沫剂=94%∶6%，膨润土溶液为水∶膨润土∶CMC= 93.7%∶

6%∶0.3%。顶管推进过程每方渣土加入泡沫剂溶液300～500 L，膨润土溶液15～30 L。具体加入量根据地质条件及施工情况及时加以调整，膨润土溶液必须充分膨化后使用。现场渣土改良照片见图8。

4.4出渣量控制

根据盾构施工经验可知，顶管推进过程中的出渣量控制是地表沉降和顶管推进施工安全的有效措施，在施工过程中必须严格控制出渣量。每环推进出渣量根据理论计算和试推进段取得的参数进行控制。

图8　现场渣土改良照片

4.4.1理论出渣量

机动车道隧道理论出渣量

V大=S大L大=67.7×1.5=101.55 m3。

式中：S大为大顶管开挖面积，设计为67.7 m2；L大为每环掘进长度，为1.5 m。

非机动车道隧道理论出渣量

V小=S小L小=38.5×1.5=57.75 m3。

式中：S小为大顶管开挖面积，设计为38.5 m2；L小为每环掘进长度，为1.5 m。

4.4.2过程控制

根据本工程试验段和郑州本地同类工程进行总结确定地层的松散系数为1.3，根据油缸的伸长量，严格控制每环出渣量，出渣量一般控制在理论出渣量98%～102%，盾构顶管顶进过程中小顶管出渣量控制在73.57～76.57 m3，大顶管出渣量控制在129.46～134.65 m3。同时在施工过程中根据顶管试掘段收集的推进参数以及渣车的每斗体积和每斗推进的长度及时调整出渣量。

4.5土舱压力的控制

顶管土舱上下左右及中部配置9个高灵敏度的压力传感器(见图9)，能够精确地显示土舱各部位的压力，进行土舱压力管理。

图9　压力传感器布置图(单位： mm)

顶管推进中根据不同土质和覆土厚度，结合地面监测信息，合理调整泥浆质量，并按推力、推进速度和出土量的相互关系，合理控制推进速度，保证土舱压力和开挖面水土压力平衡。当土舱压力出现不均时，及时检查渣土改良效果，同时转动刀盘搅拌土体，直至土舱压力均匀连续方可掘进。

4.66刀盘控制及盲区处理

为了保证顶管机的稳定以及减小顶管掘进过程中对地层的扰动，6刀盘控制的原则为“上下对称，左右对称”。顶管掘进过程中正常情况下必选采用如图10所示的4种掘进模式。当顶管隧道两侧沉降较大时，采用模式Ⅰ、Ⅱ；中部沉降较大时，采用模式Ⅲ、Ⅳ。

(a)(b)(c)(d)

图106刀盘控制的4种模式

Fig. 104 rotation modes of 6 cutter heads

大、小矩形盾构配置了6个辐条式刀盘，刀盘开口率70%以上，采用3前3后平行轴式布置,相邻刀盘的切削区域相互交叉，开挖覆盖率能达到93%～95%。考虑到开挖盲区，在前盾切口环全圆布置切刀，另外在土舱隔板上预留高压水接口及连接风钻的万向接口见图11，可实现对开挖盲区进行辅助切削或处理，使其开挖覆盖率接近100%。

4.7隧道止退技术

由于土压平衡矩形盾构顶管在顶进中前端阻力很大，即便顶进了较长里程后，在每次拼装管节时，主顶油缸一回缩，机头和管节就会一起后退20～30 cm，机头和前方土体间的土压平衡受到破坏，土体得不到稳定的支撑，易引起机头前方的土体坍塌。同时管节与管节间的压力释放，易造成管节承插口处渗漏，极易产生地表局部沉降。为此，在前基座上安装一套止退装置(见图12)，将管节和机头稳住，在管节环与环间安装止退销，以减小管节间的压力释放，从而使地面沉降量明显减少。同时管节止退销还起到管节拼装定位，运营过程中抗剪的作用。

(a)

(b)

图12　止退装置

4.8信息化施工

顶管掘进前，对中州大道情况进行详细地调查，并按照设计和规范要求进行地表、管线和建筑物进行监测点布置。监测布置见图13，主要监测内容见表1。在掘进过程中，根据监测数据和地表沉降情况，及时调整顶管掘进参数和注浆参数，确保地表沉降控制在设计和规范的要求范围内。

在每次完成一条隧道掘进后，及时收集原始数据，并汇总分析，总结施工经验，进一步优化施工参数，为下一步的顶管隧道掘进提供经验。

图13　顶管段横断面监测布置图(单位： mm)

4.9置换注浆技术

顶管掘进过程中，压注大量的触变泥浆，隧道贯通后，触变泥浆势必会失水、收缩和固结，造成地表后期持续沉降。为减小隧道贯通后的地表沉降、运营过程中的变形和保证隧道的整体防水，在顶管隧道贯通后及时从预留的注浆孔中压注水泥浆，置换或填充施工过程中压注的触变泥浆，固结隧道。置换或填充注浆顺序为： 环向为从管节的顶部对称向下部进行施工，轴向为从隧道的一个洞门处顺序注浆至另一个洞门。

5工程沉降控制情况

4条顶管隧道于2014年8月30日全部贯通，地表沉降控制在规范和设计要求的范围内，具体沉降曲线见图14。

图14　4条顶管隧道沉降曲线图

6结论与讨论

1)下穿中州大道隧道工程首次将顶管施工应用于城市主干道，在超大矩形断面、浅覆土、小间距、地层多次扰动等复杂情况下，地表沉降控制在规范和设计要求范围内，对顶管施工工法有很大的推广意义。

2)顶管施工过程中，选择合适的同步及二次补充注浆参数，做好渣土改良、出渣量控制、6刀盘操控及隧道止退，可有效地控制顶管隧道施工沉降。

3)顶管施工前，要进行触变泥浆试验，根据工程地质情况确定合适的触变泥浆配合比。

4)顶管施工过程中注浆、渣土改良配合比、出渣量控制等参数要根据工程概况、地质参数、现有条件等进行选取，并参照国内外同类工程。

5)随着顶管断面的加大，地表沉降控制难度增加，如何提前预测地层变形、地面沉降，提前采取控制措施有待进一步研究。

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Settlement Control Technology for Tunnel Crossing

Underneath Zhongzhou Avenue in Zhengzhou Constructed by

Super-large Rectangular Cross-section Pipe-jacking Machine

RONG Liang, YANG Hongjun

(ChinaRailwayTunnelStockCo.,Ltd.,Zhengzhou450000,Henan,China)

Abstract:The tunnel crossing underneath Zhongzhou Avenue in Zhengzhou has such features as super-large cross-section, shallow cover, 4 parallel tunnel tubes and small spacing between the tunnel tubes, therefore there is great difficulty in the settlement control. Countermeasures, including simultaneous grouting, secondary grouting, ground conditioning, muck discharge control, soil carrying prevention, control of 6 cutter heads, blind area treatment and backward movement prevention are taken to control the ground settlement. In the end, the settlement is well controlled. The practice shows that the countermeasures taken are feasible and effective.

Keywords:super-large rectangular cross-section pipe-jacking machine; settlement control; tunneling underneath existing urban road; small spacing; control of 6 cutter heads; shallow soil cover

中图分类号：U 455

文献标志码：B

文章编号：1672-741X(2015)12-1338-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.016

作者简介：第一 荣亮(1984—)，男，河南商丘人，2007年毕业于北京交通大学，土木工程专业，本科，工程师，现从事地下工程施工技术管理工作。

收稿日期：2015-06-20; 修回日期: 2015-10-20