地下顶管施工中顶管线沉降问题研究

杜　君　张开银　陆　曼

(武汉理工大学交通学院　武汉　430070)

地下顶管施工中顶管线沉降问题研究

杜君张开银陆曼

(武汉理工大学交通学院武汉430070)

摘要为了研究地下顶管施工引起的地表沉降规律，根据具体施工情况及监测规范，在顶管推进线上布设横纵向监测断面，结合地表沉降理论和现场实测数据，得出管线在不同阶段时的沉降原因。通过监测得出地表沉降大小随时间和顶管推进距离的变化曲线，呈现出管线地表的沉降机理，并提出顶管施工建议。

关键词顶管实时监测地表沉降

1工程慨况

南京定淮门大桥过街通道属于江东北路定淮门大街节点改造工程的一部分，为龙津路北端定淮门大街交叉口过街通道，垂直下穿定淮门大街，共设置2处出入口，北侧出入口位于定淮门大桥西端北侧，清江花苑南门外；南侧出入口位于南京市鼓楼区人民检察院北侧绿地内。主通道长约42 m，采用顶管法施工。通道所处地下水位较高，地下水埋深为1.8～3.2 m。采用矩形管节尺寸为6.50 m×4.30 m，壁厚50 cm，单节纵向长度为1.50 m，顶管段顶板最大覆土5.71 m，管道位于淤泥质粉质粘土中。顶管施工地质断面见图1，土层物理力学参数见表1。

图1　顶管施工地质断面图(单位：m)

土层名称厚度/m含水量/%重度/(g·cm-3)孔隙比液压指数压缩系数压缩模量/MPa泊松比淤泥质粉质粘土13.2237.51.841.0991.180.6043.60.42粉砂2.6830.21.860.8890.820.3725.40.30粉质粘土7.6831.31.850.9300.850.4694.30.40

2测点布置原则

每个独立的监测网应设置不少于3个稳固可靠的基准点，理应设置在沉降变形影响范围以外的稳定位置，便于长期保存，工作基点也应设置在比较稳定的位置[1]。对观测条件较好或观测项目较少的项目，可不设立工作基点，在基准点上直接测量沉降变形。

沉降变形观测测点应设立在沉降变形体上能反映沉降变形特征的位置处[2]。

综合考虑，自始发井沿顶管轴线每5 m布设1个地表沉降点(DB13-2～DB19-2)，且在DB13～DB19处设置7个垂直于顶管轴线的监测横断面，每个横断面上设置3个监测点，顶管线地表监测布点见图2，其中“DB”表示地表监测点。

图2　顶管线地表监测布点图

3实测数据分析

3.1　顶管横断面地表沉降

取顶管线中部的一个监测断面DB15为研究对象，断面DB15距始发井仅17 m,表2为顶管横断面DB15工况。

表2　顶管横断面DB15工况表

备注：表中“s”为监测点距顶管中轴线距离；“DB”为地表监测点

由表2可知，顶管施工监测从顶管机刀盘距监测断面5 m处开始，前期由于顶管机刀盘振动和切削作用，开挖面失稳[3-4]，监测断面DB15地表会有少量沉降，即地表沉降前期波动阶段。顶管向前推进距监测断面7.5m处，监测断面DB15地表开始隆起且隆起速率较大，即隆起阶段，此阶段中由于施工技术和地质差别等各方面的原因，位于同一断面的监测点DB15-3较DB15-1稍晚进入隆起阶段，各监测点隆起峰值平均20 mm；随着顶管机的继续向前推进，刀盘经过监测断面DB15，监测点地表位移开始以较大速率下沉，且沉降速率基本与第二阶段地表隆起时的速率大小相同，即施工期沉降阶段，6月12日顶管机刀盘距监测断面10 m远处，各监测点地表沉降速率明显减小，直至6月18日，顶管管片拼接完成，主通道贯通，监测点DB15-2累计沉降量最大，达到-34.38 mm，各监测点的累计沉降量平均-32 mm；此后管片附近的土体不再受顶管施工的扰动作用，由于土体的固结作用，各监测点地表会持续沉降一段时间，但沉降量和沉降速率沉降曲线都趋近于平缓，沉降基本稳定，即后期固结沉降阶段[5]。数据分析表明施工期间的地表沉降量约占总沉降量的90%。横断面DB15随顶管推进沉降曲线见图3，横断面DB15地表沉降累计变化量曲线见图4。

图3　横断面DB15随顶管推进沉降曲线

图4　横断面DB15地表沉降累计变化量曲线

3.2　顶管纵断面地表沉降

取顶管轴线上由监测点DB14-2～DB17-2组成的纵断面为研究对象，根据工况表3和监测曲线图5、图6可知，6月9日上午，顶管机掘进至监测点DB14-2附近，监测点DB14-2已经进入隆起阶段，且由于顶管机刀盘的切削和振动作用，顶管机前方轴线方向的土体体积收缩[6]，监测点DB15-2～DB17-2地表开始有少量沉降；6月9日下午，顶管机刀盘经过监测点DB14-2，此时监测点DB14-2垂直位移达到峰值27.35 mm；至6月10日下午，监测点DB14-2进入施工期沉降阶段且沉降变化量最大，与此同时监测点DB15-2也进入隆起阶段并在顶管机刀盘经过其下方时垂直位移达到峰值22.84 mm；6月9日下午至6月10日上午，顶管机继续向接收井方向推进，监测点DB16-2，DB17-2也依次进入隆起阶段且垂直位移分别达到峰值39.07 mm和36.18 mm，之后均以较大沉降速率进入施工沉降期。顶管施工前期由于管片周围泥浆中水份流失过快且后续注浆量不足，导致管片周围泥水压力过小，造成监测点DB14-2的地表沉降量较大，后经过调整，监测点DB15-2～DB17-2在施工期沉降阶段的地表沉降量较DB14-2明显减小；直至顶管施工结束，监测点DB14-2～DB17-2地表沉降速率大幅减小，趋近平缓[7]。数据分析表明，随着顶管机的推进，各个监测点的地表沉降规律基本相同，其中沉降主要发生在施工期沉降阶段。顶管纵断面工况见表3；纵断面地表沉降累计变化量曲线见图5；纵断面地表随顶管推进曲线见图6。

表3　顶管纵断面工况表

备注：表中“L”为监测点距始发井水平距离；“DB”为地表监测点。

图5　纵断面地表沉降累计变化量曲线

图6　纵断面随顶管推进沉降曲线

4结论

(1) 顶管施工过程中顶管推进方向上的地表沉降会经历4个阶段：前期波动阶段、隆起阶段、施工期沉降阶段和后期固结沉降阶段。

(2) 由监测数据可知：①前期波动阶段发生在顶管机距测点较远时，此阶段中由于顶管推进姿态良好，从而造成的地表沉降较小；②隆起阶段发生在顶管机接近监测点时，此阶段中地表隆起值较大，表明顶管机顶进速度过快或者泥水压力设定值偏大;③施工期沉降阶段发生在顶管机到达并经过监测点直至顶管施工结束这段期间，此阶段中地表沉降变化量最大，沉降量约占整个施工过程中总沉降量的85%～90%，由于前期顶管推进过程中后续注浆不足，导致管片周围泥水压力偏小，个别地表监测点沉降量过大;④后期固结沉降阶段发生在顶管施工结束之后，此阶段中地表沉降趋于稳定，但由于管片周围泥浆中水份的逐渐流失和土体的固结作用，将会有一段时间的后续沉降，沉降量约占总沉降量的10%～15%。

(3) 对监测数据分析可知，隆起阶段和施工期沉降阶段造成的地表沉降变化最大，应重点关注此阶段，其中顶管机的掘进姿态、注浆量、后续注浆等因素都会对顶管施工的地表沉降造成影响，为保证顶管施工的安全稳定进行，应在顶管机接近监测点时适当调整顶管机的操作和掘进速度等，以保证顶管机良好的掘进姿态；其次，泥土压力偏大会造成地表隆起，偏小会造成地表大幅度沉降，建议同步优化注浆量和后续注浆，保证泥土压力的正常稳定，从而保证顶管掘进及周边环境的安全。

参考文献

[1]土木学会.隧道标准规范(盾构篇)及解说[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2]王斌.公路隧道施工监测检测技术及实践[M].北京：北京交通大学出版社，2010.

[3]张岩，王万德.隧道工程施工技术[M].沈阳：东北大学出版社，2010.

[4]方从启，王承德.顶管施工中的地面沉降及其估算[J].江苏理工大学学报，1998，19(4):106-109.

[5]郑跃，丁文其，陈立生.受顶管施工影响的土体扰动分析与实测研究[J].地下空间与工程学报，2010(5): 1015-1017.

[6]李伟.注浆技术在高速公路桥梁施工中的运用[J]．交通科技，2015(2)：80-82.

[7]陈伟军.盾构隧道工后地表固结沉降研究[D].杭州：浙江大学，2011.

Research on the Problems in Pipeline of Underground Pipe-Jacking

DuJun,ZhangKaiyin,LuMan

(Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Abstract：Ground settlement due to underground pipe jacking construction was researched. The horizontal and vertical monitoring cross sections were laid according to the construction situation and monitoring specification. The reasons of pipe jacking settlement at different stages are got in combination with the theoretical knowledge and measured data. The settlement mechanism is clearly exhibited through the settlement curve with time and distance. And reference opinions to pipe jacking construction are provided ultimately.

Key words:Pipe jacking; monitor; ground settlement

收稿日期：2015-09-18

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.020