地铁出入口矩形顶管法沉降控制技术研究

陈 兵

（中铁十一局集团城市轨道工程有限公司，湖北 武汉 430074）

地铁站主要修建在人员密集、交通量大的城市繁华区域，地铁出入口多数下穿城市主干道，道路两侧城市管线布置较多，周边环境复杂。明挖法施工对地下管线、周边建筑物及交通出行带来一定的影响。顶管法施工同明挖法施工对比避免了对原地面的大量开挖及地下各类管线的迁改，减少了对地表构筑物和周围环境的破坏，在地铁施工中得到广泛的应用，但顶管施工也不可避免地造成地下土地的沉降。房营光等[1]对Peck的地表沉降理论计算式进行了修正；王晓睿等[2]揭示了矩形顶管掘进过程中地表变化规律；陈聪等[3]分析得出了地表沉降位移影响范围为3倍的洞径；林强强[4]揭示了地层损失是引起地层移动与地表变形的根本原因；王斌等[5]揭示了顶管轴线以上土体扰动后强度降低，土体发生扰动后固结是地表引起沉降的内因；许有俊等[6]系统地研究了矩形顶管施工扰动引起的地表沉降变形特征。

目前，针对矩形顶管施工扰动地层变形沉降的研究较多，但对矩形顶管引起的地表沉降的控制技术研究较少。文章结合翱翔路站1号出入口顶管施工工程实例对矩形顶管顶进引起的地表沉降进行分析，并在此基础上提出控制地表沉降的技术，为矩形顶管的安全施工提供控制措施。

1 工程概况

翱翔路站是郑州机场至许昌市域铁路工程的第五座车站，位于航空港区华夏大道与翱翔路交叉口处，1号出入口位于车站西侧。华夏大道西侧有南北走向的DN800混凝土雨水管、军用光缆、DN250材质为PE管的低压燃气管、DN273材质为钢管的次高压燃气管等管线。雨水管、军缆、燃气管等管道横向穿过车站主体与1号出入口之间的区域，为了减少明挖对管道，特别是燃气管的扰动，下穿低压、次高压燃气管的施工区域采用地层扰动小的组合式多刀盘土压平衡式矩形顶管法施工。

1号出入口的地层从上到下主要包括回填土、杂土层、粉砂层、黏质粉土层。顶管时主要穿越粉砂层、黏质粉土层，覆土厚度约4.6m。顶管上部有雨水管、低压燃气管、次高压燃气管，雨水管距顶管垂直距离为3.16m，低压燃气管、次高压燃气管距顶管垂直距离均为2.28m，如图1所示。

图1 燃气管位置图

2 矩形顶管施工工艺

矩形顶管施工主要是借助于工作井安装的主顶装置的顶推力将顶管机及管节顶推至接收井，顶进过程中将改良后的泥土从工作井吊出的非开挖式敷设地下管道的施工方法。矩形顶管工作系统主要包括工作井顶进装置、注浆减阻系统、管片姿态控制系统等。顶管工作井的布置主要包括定位安装基础及导轨、安装后靠背、安装主顶装置、吊装顶铁以及固定洞门橡胶帘布等；注浆减阻系统主要包括注浆泵及其配套管路、注浆材料；管片姿态控制系统主要包括激光经纬仪、纠偏油缸系统等。

3 顶管段监测点布置

顶管顶进施工前在顶进隧道中心线上及两侧范围内布设变形监测点，在洞口位置设置主测断面，隧道中心位置设置一个断面，每个断面布设8个监测点，如图2所示。在隧道掘进区布设三道变形监测点，同时在低压燃气管、次高压燃气管上方加密布设两道变形监测点，监测燃气管区域地表沉降。

4 地表沉降机理分析及控制技术

4.1 机理分析

顶管机的外径比顶入的钢筋混凝土管节的外径大20mm，顶管时在顶入管节与土体之间存在一定的空隙。顶管机掘进时对上方的土体产生剪切作用，管节顶进时沿着轴线方向往复移动，使管节四周的土体多次受到扰动。管节与地层间的空隙造成地层损失以及管节四周受到多次扰动的土体在固结沉降的综合作用下最终造成地表沉降。

图2 顶管区域监测点布设

4.2 控制技术

（1）顶管施工时为减少地面沉降及顶管机、管节与土体之间的摩擦阻力，将具有一定黏度和良好流动性的触变泥浆充填至管节土体间的空隙，使机体及管节外壳形成完整的泥浆套，顶进过程中将管节与土体间的干摩擦变成湿摩擦，有效地减少了顶进阻力。（2）利用优质黏性土拌制不易失水的浓泥，将浓泥泵送至管节与土体间的空隙充填，防止触变泥浆失水引起的地层损失。在管节的顶进过程中及时动态跟踪补注浆，补充泥浆套保压不足造成的地层损失。（3）顶管施工结束后用水泥浆将管节与土体间的空隙内的浓泥及减阻泥浆置换，充填管节与土体间的空隙。同时对管节四周受多次扰动作用的土体进行注浆加固，提高土体的密实度，减少管节覆土的沉降。

5 监测数据分析

第1阶段地表沉降是由于顶管机顶进过程中刀盘进行姿态调整，开挖面超挖，开挖面土体流失引起地表沉降，最大沉降值达45mm，同时由于顶进过程中顶管机机壳对土体的顶推力，导致局部隆起；第2阶段由于顶管机掘进过程中纠偏机壳与周围土体的摩擦，触变泥浆注入量不足，导致地层沉降，最大沉降值达80mm；第3阶段顶进过程中注入的浓泥及减阻泥浆将管节与地层间的空隙充填，将地表沉降控制在10mm以内，有效地控制了地表沉降，如图3所示。

图3 顶管顶进过程中地层变形图

6 结论

（1）根据监测数据分析，发现地表沉降主要发生在顶进过程中及顶进结束后一段时间，最大沉降值可达80mm。（2）对顶管顶进过程中地表沉降的原因进行深入分析，得出顶管机及管节与土体间的多次扰动时造成的地层损失是造成地表沉降的根本原因。（3）顶管过程中采取注触变泥浆及浓泥减少地层间隙，顶进结束后采用水泥浆置换触变泥浆及浓泥，同时对受多次扰动的土体进行注浆加固，可将地表沉降值控制在10mm以下，有效地控制了地表沉降。