矩形顶管隧道施工引起地面变形的控制措施

姜洪建 朱 坤 蔡 松

(1.华北水利水电大学地球科学与工程学院，河南 郑州 450046； 2.深圳市勘察测绘院有限公司，广东 深圳 518028)

1 概述

伴随着我国城镇化进程的加快，地下空间的开发和利用越来越受到建设者的青睐。顶管施工作为继盾构施工之后发展起来的一种非开挖施工工艺受到了广泛的运用[1]。与圆形截面相比，矩形截面有效利用面积达20%以上[2]。但矩形顶管法存在一个重要的施工难题，就是如何有效控制施工引起的地面变形[3]。本文对顶管施工引起的地面变形破坏形式进行了简要探讨，进而着重研究了施工引起地面变形的控制措施。

2 顶管施工引起地面变形破坏形式

顶管施工引起地面变形的破坏形式，主要有以下几个方面[4]。

2.1 地面沉降及隆起破坏

矩形顶管施工引起的地面沉降或者隆起可能会造成结构物整体下沉或上升。如果这种变形比较小且均匀，对结构物的稳定性和使用功能不会产生大的危害，但过大的变形会使砌体结构的结构物产生水平裂缝现象，影响其防水功能，发生地下水的渗漏。这对于高速铁路、高速公路等敏感性工程，其施工要求更高，标准更严格。

2.2 地面倾斜破坏

由于地层的岩性存在差异，以及地层的起伏性，顶管施工引起土体的不均匀沉降。不均匀沉降延伸到地表会产生倾斜，造成结构物的歪斜，从而引起附加应力重分布，当某些部位应力过大造成基底土体塑性损坏，引起整个结构物的破坏。此种破坏对建(构)筑物的危害最大。

2.3 地面曲率破坏

矩形顶管施工引起的地层不均匀变形造成水平地面形成曲率，地面曲率对建(构)筑物产生较大的影响。地面曲率根据沉降和隆起分为正曲率和负曲率两种。在负曲率的情况下，结构物中部隆起量大，两端部分隆起量小，结构物中央部分悬空，两端受剪切，墙体产生的破坏为正“八”字形裂缝。反之，在正曲率情况下，结构物墙体产生倒“八”字形裂缝破坏。

2.4 地面水平变形破坏

地面水平变形分为拉伸和压缩变形。由于结构物抗拉伸强度远小于其抗压缩强度，所以结构物对地面的拉伸变形反应十分敏感，所以地面水平变形破坏的主要因素是拉伸变形。当结构基础侧面受到外向水平推力的作用下，很容易产生开裂现象，严重者导致建筑物破坏影响其正常使用，降低了建筑物使用年限。

在实际的工程中，地面变形对建(构)筑物的破坏形式，是多种破坏形式共同作用的结果。例如，当地面拉伸变形和正曲率同时存在时，压缩变形和正曲率也同时发生。

3 顶管施工引起地面变形控制措施

顶管技术解决了在城市密集地区采用非明挖施工，减少对城市交通影响的问题，但其施工过程不可避免的对周围环境产生一定的影响，当这种影响较大时会导致建筑物丧失使用功能，道路中断、管线开裂、人身伤亡等。因此，在工程建设中，采取措施控制地面变形，将顶管施工引起的危害降到最低程度。

3.1 控制开挖面稳定

控制开挖面稳定可降低对地层的扰动，是控制地层损失、减小地面变形的有效措施。保持开挖面稳定是通过土仓压力来平衡开挖面前方压力。

从理论上分析，在管节顶进的过程中，如果土仓压力P小于所处地层主动土压力PA，开挖面支护力不足，造成地面沉降。反之，如果土仓压力P大于所处地层被动土压力为PB，开挖面支护力过大，造成地面隆起。如果把土仓压力控制在PA

3.2 控制推进速度

推进速度与出土量是影响地面变形的主要因素。当推进速度过快时，土压力增大，地面会产生隆起，此时需要增加螺旋输送机的转速，提升出土速度，来保持切土量与出土量的均衡，同时适当降低推进速度。如果推进速度过低，土压力较小，地面会产生沉降，此时需要减小螺旋输送机的转速，降低出土速度，到达切土量与出土量的平衡，同时适当增加推进速度。由此可见，推进速度和出土量在控制地面变形是两个相辅相成的影响因素，同时保持切土量与出土量相对平衡，才能控制对管节周围土体的扰动程度和地面变形量的变化，尤其要防止出现出土量过大的现象。

在开始阶段顶进速度不宜太大，顶进速度一般控制在5 mm/min～10 mm/min，正常推进阶段速度可控制在10 mm/min～20 mm/min。通常情况下，出土量控制在理论值的98%左右。在工程实际操作中，将地表沉降的监测结果及时反馈给顶管机中控室操作人员，从而调整出土量和推进速度，将地面变形控制在安全合理的范围内。

3.3 控制同步注浆

同步注浆可以有效的控制地面变形。可见，在顶管施工过程中，泥浆有非常重要的作用。主要表现在三个方面：

1)减阻作用，由于顶管管节与周围土体存在接触面，顶进过程会相互之间产生摩擦阻力，注浆后起到润滑作用，减少顶进阻力；

2)填充空隙作用，管节顶进后与周围土层存在空隙，注浆能很好的充填到这些空隙中；

3)控制地面变形作用，在注浆压力作用下稳定了周围土体，有利于减小地面沉降。在一段顶管施工结束后，需要进行泥浆置换，加注混凝土泥浆，起到更加稳定周围土体的作用。如今大断面矩形顶管机配备有泥浆套压力自动控制系统，可以有效控制注浆压力和注浆量，根据后期地面变形的情况及时进行二次注浆。

3.4 控制顶进方向及纠偏

矩形顶管机按照隧道指定的设计轴线开挖是最理想的施工状态。但是顶管机施工是一个复杂的多工序系统，顶进过程中，轴线偏差一旦增大，其纠偏难度将变大，因此轴线控制是矩形顶管施工的一大难题。推进轴线与设计轴线发生偏差，就要进行纠偏，纠偏过程中会使一侧土体受到挤压而隆起，另一侧土体产生缝隙而沉降，从而造成地层损失的增加，地面变形量增大。为了减小纠偏造成的地层损失影响，应避免产生大角度的纠偏，同时按照“多测量、多纠偏、缓纠偏”的原则合理操作，这样才能确保顶管机准确、顺利、安全的施工。

3.5 其他控制措施

除以上控制措施外，还有其他控制措施。

施工前控制措施：

1)合理设计顶管管径和埋深：两者是影响地面变形的重要参数，两者的选择是考虑工程投资、功能以及施工环境综合确定的；

2)选择适当的顶管机类型：顶管机主要包括土压平衡式、泥水平衡式、气压平衡式顶管机，不同顶管机适合的地层不同，其在施工参数的控制精细度上也存在差异。应根据不同工程地质条件选择适合的顶管机。

施工中控制措施：

1)进、出洞控制：由于工具管外径小于洞口直径，在工具管进、出洞口的过程会有空隙，地下水、泥砂进入工作井中，引起上部土体发生坍塌，影响结构物的安全。可以在洞口附近一定范围内采取高压旋喷、注浆、冻结、深井降水等加固措施；

2)管节防水、止水技术：管节防水采用两道防水形式，第一道密封是在两管节之间设置橡胶胀圈，第二道密封是在端面之间注入混凝土浆液，使管节之间形成整体，起到防水、止水效果。

4 结语

矩形顶管施工是一个复杂综合的系统建设工程，控制地面变形的措施不是单一因素决定的，而是需要各控制措施相互之间协调，将工程的施工对环境的影响降到最低，从而取得良好的社会和经济效益。