包头地下综合管廊矩形顶管施工关键技术及地表变形特征 *

李育发，李永江

(包头新都市建设投资运营管理有限公司，内蒙古 包头 014010)

截止2017年年底，我国已建管廊4 700 km，十三五末开始以每年2 000 km的速度建设，计划最终规模为12 000 km，我国成为城市综合管廊超级大国指日可待[1，2].包头市是全国十大“地下综合管廊”建设试点城市之一.市内某综合管廊下穿建设路采用多刀盘土压平衡矩形顶管法施工[2]，矩形顶管管廊隧道穿越砾砂地层，该种地层具有流塑性差、自稳性差、成拱效应差、出土困难、土舱压力波动敏感等特点，没有可靠的经验可借鉴.

近年来，国内学者针对土压平衡顶管土体改良技术[3]、浅埋矩形顶管的“整体背土效应”[4]、施工工艺等问题进行了钻研，并取得了许多重大的研究成果.此外，有些学者[5，6]采用解析法分析矩形顶管施工与地表变形的关系，提出了致使矩形顶管施工地层变形的 3 个主要原因，其中，施工区域前部的地层隆起主要由摩擦力和开挖面附加应力主导致，施工区域后部的地层沉降主要由于土体损失导致.

本项目中矩形顶管隧道施工引起的地表变形主要为隆起变形，与目前文献报道中的地层以沉降变形为主的现象有很大的差别.然而，针对砾砂地层条件下，矩形顶管隧道施工引起的隆起变形规律及隆起原因等问题尚不清楚.为此，基于包头市新都市区综合管廊工程中的现场监控量测数据，对大断面矩形顶管关键施工技术及地表的隆沉变形规律进行研究.

1 工程概况

1.1 工程简介

此工程(二期)某项目，位于210国道以西，建华路以东，110国道以南及哈屯高勒路以北(如图1所示).顶管顶进长度为85.35 m，覆土深度6.2 m，位于③层砾砂土层中，采用矩形顶管工艺实施，最大顶力为2 308 t.矩形管廊内截面规格为6 000 mm×3 300 mm，外截面规格7 000 mm×4 300 mm，每节长1.5 m，壁厚500 mm，共57节.

1.2 顶管施工地层条件

矩形顶管管廊隧道所处的地层从上到下分别为：第①单元层以填土为主，含少量砾砂、碎石块，平均层厚0.997 m；第②单元层粉砂为稍密状态，砂质一般，该层分布连续，发育稳定，平均层厚2.307 m；第③单元层砾砂颗粒不均匀，含有圆砾、角砾岩，分布连续，发育稳定，平均层厚7.385 m；第④单元层粉砂呈中密状态，砂质一般，颗粒不均匀，该层分布连续，发育稳定，平均层厚4.307 m.如图2所示.

1.3 工程特点

(1)双仓矩形管廊顶推技术国内首次应用于砾砂层，顶进施工如何能顺利进行，工程的进度、质量如何保证，是本工程的重难点之一[7].

(2)矩形顶管管廊埋深为5.4 m，地层成拱效应差，穿越土层为有大量砾砂、孤石、漂石的砾砂层，具有土层空隙大，渗透系数高的特点.在该种地层中顶进施工时，容易对四周地层造成较大的扰动，导致顶进速度缓慢、影响顶进效率，而且使刀盘磨损更加严重，同时片石之间的夹杂砂土层黏聚力小、自稳性差、易造成螺旋机排土不顺畅，导致大面积土体下陷.然而，在该种地层条件下，矩形顶管机施工参数的选择还没有可以参考的经验.

(3)矩形顶管隧道下穿的建设路属于城市主干道，车流量大，施工风险极大，对地表沉降变形控制要求高.

2 管廊矩形顶管施工技术

2.1 矩形顶管机设计参数

本工程采用大、小刀盘组合设计的矩形顶管机，由中心1个大刀盘和四角4个小刀盘组成，大、小刀盘前后错开可使切削面积达90% 以上.其外形尺寸为4 850 mm×7 020 mm×4 320 mm.如图3所示.

刀盘的破碎刀具有破碎功能，可以把大粒径石头破碎为粒径在 20 cm 以内的小石头.为保证只有粒径在 20 cm 以内的石头可以进入土仓内，刀盘前后间距控制在 20 cm.在顶管机四周刃口设有铲齿，可以有效铲碎前方的砂石.螺旋输送机叶片的直径为 670 mm、螺距为454 mm，确保能排出粒径250 mm的卵石.

2.2 矩形顶管关键施工技术

2.2.1进洞施工

采用高压旋喷桩将进出洞位置4.5 m 范围内的土体改良并进行加固，以确保矩形顶管机能够安全进洞.同时，要放慢顶管机进洞时的顶进速度，保证刀盘和周边刀能对水泥土进行有效切削[7]；其次，加固区水泥土比较硬，造成螺旋机开挖过程困难，此时，可以通过加水来软化和润滑土体.

当加固区基本排出水泥土、全断面原状土从螺旋机内出来后，应适当提高顶进速度，防止顶管机出现“磕头”现象，从而减少对土体的扰动以及避免会发生的地面沉降，使正面土压力略大于理论值.

2.2.2土仓砾砂渣土改良技术

土仓渣土改良效果是矩形顶管机能否顺利顶进的重要条件.矩形顶管机穿过的土层为砾砂层，该土层有自稳时间短、刀盘上方小范围土体极易形成粘聚力小、成拱效应差、易塌方、流塑性差、出土困难、土舱压力波动敏感、土压舱与工作面土压的动态平衡控制困难等特征.为了建立开挖面土压平衡，必须对土仓内渣土进行改良，使其具有良好的塑性、流动性、抗渗性、高压缩性和低摩擦性.为此，在顶进过程中对土仓内的渣土进行改良，由黄黏土、膨润土、CMC 外加剂、水构成土体改良配备的浆液材料，配合比根据在顶推过程中测试到的摩阻力进行动态调整.

2.2.3减摩泥浆套技术

高效可靠减摩泥浆套的形成与否直接决定着矩形顶管长距离顶进的成败[8].为此，在顶进过程中，在矩形管节与地层之间注入减摩泥浆材料，一方面，可以减少管节与土体之间的摩擦力，降低对周围地层的扰动；另一方面，泥浆材料可以填充管节与地层中的空隙，起到填充支撑作用，减少地层损失.

考虑到砾砂地层注浆时扩散效果好的特点，注浆量取理论值的5～8倍，具体注浆量需要根据土质情况、顶进状况、地表隆沉监测数据进行及时调整.

2.2.4严格控制开挖量与出土量平衡

顶进过程当中，严格控制出土量，出土量要与开挖量保持一致，当出土量大于开挖量时，土仓内欠压，进而引发地表沉降；当出土量小于开挖量，土仓内过压，将引发地表隆起变形，适当的隆起变形对于矩形顶管隧道后期沉降的控制是有益的.出土量与开挖量一致的关键是如何使顶进速度与螺旋机转速相匹配.

2.2.5控制顶推速度

顶推过程中，顶管机顶进速度要控制好，保证施工的连续性与均衡性，避免因长期停机或待机而造成前方土体塌陷或隆起.初期顶推速度一般控制在 5～10 mm /min，在顶管机离开工作井加固区，到达原状土层后，顶进速度及地表现场监测数据正常时，顶进速度可控制在10～15 mm /min.

2.2.6顶管结束浆液置换

矩形顶管机进洞后，要做好洞口的封堵工作，将洞门与管节间的间隙闭合后，选用双液浆进行首尾3环的填充注浆.管节施工完毕后，将水泥浆液注入注浆孔管道外壁置换减摩泥浆，注浆压力由水土压力确定，将通道外土体加固，降低管廊运营阶段时产生不均匀沉降的可能性.

3 监控量测方案及变形控制标准

3.1 监控量测方案

在顶管隧道上方路面表面及地表布置变形观测点，目的是及时掌握矩形顶管顶进过程中地表纵向与横向变形的动态演化规律，根据监测数据及时调整矩形顶管机的施工参数，将地表变形值控制在允许的范围内.

根据研究需要、第三方监控量测规范以及综合考虑工程现场条件，共布设10条监测断面，共38个地表变形监测点.具体监测点布置如图4所示.[8]

用浅埋标志分析地表沉降观察点的标志与埋设，如图5，6所示.用普通水准标石或直径25 mm螺纹钢作为浅埋标志，埋深宜为1～2 m，标石底部埋于冰冻线之下.

3.2 监控量测频率及控制标准

根据顶管机施工进度、监测断面距开挖面的距离和沉降速率来确定监测频率.如存在异常情况，则需增加监测频率.一般情况下可选用表1所示监测频率.

表1 顶管施工监测项目监测频率

地面竖向变形的控制标准为：隆起控制值10 mm，沉降控制值25 mm，速率控制值3 mm/d；报警值为控制值的70%，隆起报警值7 mm，沉降报警值17.5 mm.

4 矩形顶管施工过程中地表变形分析

4.1 各监测点隆沉分析

为了研究矩形顶管机各测点在顶进过程中的变形规律，根据现场实测资料，对各测点的地面变形进行了统计.如图7所示.

(1)当顶管机顶进10个管节时，即顶进距离为15 m，中线测点D3和D8表现为微隆起，其余测点尚未受到顶管施工的影响；

(2)当顶管机顶进20个管节时，即顶进距离为30 m，中线测点D3，D8，D12和D16的隆起量很大，说明这4个测点受到顶管施工的影响很大，其余测点尚未受到顶管施工的影响；

(3)当顶管机顶进30个管节时，即顶进距离为45 m，中线测点D3，D8，D12和D16的隆起量很大，D20和D23表现为微隆起，其余测点尚未受到顶管施工的影响；

(4)当顶管机顶进40个管节时，即顶进距离为60 m，中线测点D3，D8，D12，D16，D20和D23的隆起量很大，测点D26，D29，D33和D37表现为微隆起，此时，顶管区间的所有测点均受到顶管施工的影响；

(5)当顶管机顶进50个管节时，即顶进距离为75 m，中线上所有测点的变形规律全都表现为隆起，且隆起量很大.

由上可知，该工程中矩形顶管施工引发的地面竖向变形形式为隆起，且隆起量很大，最大隆起量为36.4 mm，最小隆起量为5.24 mm.D3，D8，D12，D16，D20，D23，D26和D29的隆起量全部超过了规定的控制值.根据现场巡视发现，测点附近已经发生了隆起开裂破坏，如图8所示[8].

4.2 顶管施工中单测点的隆起响应

为探索矩形顶管顶进过程当中测点随顶进距离的纵向变化规律，选择代表性的D12监测点为例，对顶管开挖面与监测断面不同距离时的监测点地表纵向隆起规律进行统计，如图9所示.

如图9可知，随着顶管机的顶进，工作面与D12的距离大于10 m时，顶管施工对D12的地表变形没有造成影响；工作面与D12的距离小于10 m但尚未到达D12时，地表变形表现为快速隆起，此时，顶管机的开挖面推力、顶管机的摩擦力和后续管节的摩擦力都对地表变形有影响；当工作面到达D12时，地表的隆起量达到了31.7 mm，工作面通过该点7.7 m后，该点的变形值回落到约15 mm，随后保持稳定.

4.3 地表横向地表隆沉规律

选有代表性的D12监测断面，分析地表横向沉降规律.如图10所示.

由图10可知，顶管机未达到监测断面时，地面变形为隆起，顶管机的工作面离监测断面越近，隆起量越大，顶管机通过监测断面时，隆起量为最大；随着顶管机远离监测断面，隆起量开始回落，但是，已经回落不到原始状态，而是回落到一定的隆起值，随后保持稳定.同时发现，地表横向沉降槽并非完全对称，这主要由于开挖面左右部土仓压力不对称导致.

5 结论

文章以包头市新都市区某综合管廊工程，基于现场监控量测数据，对大断面矩形顶管关键施工技术及地表的隆沉变形进行研究，主要得到以下结论：

(1)矩形顶管关键施工技术解决了顶管机工作过程中可能出现的问题，保证了施工各个环节高效、有序的进行；

(2)选取代表性的D12测点进行分析，顶进过程中地表隆起的最大值为31.7 mm，隆起范围为40 m，随后地表变形值回落到15 mm并保持稳定；

(3)将矩形顶管顶进施工引起的地表纵向变形过程划分为缓慢隆起阶段、快速隆起阶段、沉降阶段和稳定阶段这4个变形阶段，得出使得地表隆起过大过快的阶段是快速隆起阶段，进而针对该阶段地表隆起的原因进行分析；

(4)地表横向隆起槽左右呈非对称状态，主要由于开挖面左右部土仓压力非对称导致.