顶管近距离下穿对污水管竖向变形的现场实测研究

刘敬亮 李海沙 钱 晖 林 思

1. 杭州市城市建设发展集团有限公司 浙江 杭州 310020；2. 杭州市城市基础设施建设发展中心 浙江 杭州 310006；3. 浙江大学建筑工程学院 浙江 杭州 310058

顶管法作为一种非开挖施工技术，近年来不断应用到城市地下人行通道及综合管廊中。采用该方法可以摆脱工程环境的限制，施工时地面道路交通可以正常运行，不必拆迁上方地下管线。

但顶管法是边开挖土体边接长管道的顶进方法，施工过程中由于机头的切削顶进作用及开挖卸载、掌子面反力和机头土压力的不平衡、超挖或欠挖以及顶管的摩阻力等因素的影响，对周围土体产生较大的扰动作用，改变了原土层的力学性质，使土体产生较大范围的变形，从而造成周围地下管线的安全隐患。因此，顶管施工产生的影响一直是广大学者研究的热点及难点。

在众多研究方法中现场实测法是最直接反映顶管施工对土体扰动特性的方法。尽管顶管施工现场实测研究较多，但大多数研究集中在土压力、孔隙水压力、深层土体位移、地下水位以及地表变形的变化跟掘进机与测试断面之间的距离的关系[1-4]，从而探究顶管施工对土体扰动的大小及扰动范围的规律等方面，少数研究涉及顶管施工对路堤、路基以及桥梁桩基[5-6]的监测数据分析，针对顶管施工对地下管线的实测数据分析则很少。

因此，本文以杭州市德胜路综合管廊下穿污水管顶管段为背景，分析现场监测数据，研究顶管施工对污水管的竖向变形的影响及扰动影响区，并提出顶管施工过程中的监测及变形控制建议。

1 工程概况

杭州市德胜路综合管廊下穿污水管顶管工程位于杭州市下沙地区，地层以砂土层为主。根据地质勘探资料，顶管区域穿越地层由上至下依次为：①01杂填土、①1黏质粉土、①2砂质粉土、②粉砂夹粉土、③1淤泥质黏土、③2淤泥质黏土、④1黏土、⑤黏土。

新建管廊分左右2条，间距3 m，顶进长度106.5 m，标准混凝土管节71节，强度等级C50，每节长1.5 m。管节采用7.5 m×5.4 m矩形断面，壁厚550 mm。采用土压平衡顶管机进行施工，顶管掘进机长6.2 m，截面尺寸7.52 m×5.42 m。顶管覆土9.53～9.83 m。

顶管与上方污水管斜交，夹角约为30°，两者最小间距为4.25 m。污水管采用预应力钢管混凝土材料，内径2.20 m，外径2.64 m，底面标高0.45 m。其中新建管廊位于②粉砂夹粉土层，污水管位于①1和①2层中。

施工时考虑到顶管施工所处地层为②层，左线施工时为避免施工引起砂土发生管涌流砂等，施工前进行井点降水。随后由于污水管变形较大进行打土补浆，尽管沉降稳定下来，但却引起污水管局部不均匀沉降过大，因此右线施工不再进行降水及注浆。

基于此，本文对该顶管工程引起污水管变形的实测数据进行分析。污水管的沉降监测点布置如图1所示。以顶管掘进方向为x方向，以垂直于顶管掘进方向为y方向，深度方向为z方向。

图1 污水管沉降监测点布置

2 监测结果分析

2.1 变形特性

考虑到右线仅有顶管施工这一工况，有利于分析顶管施工的影响特性，所以对右线实测数据进行分析。将右线始发时累计竖向变形设置为零。

以污水管的最大沉降测点（东侧污水管测点16、西侧污水管测点49）为例，研究污水管竖向变形随顶管掘进长度的变化规律。如图2所示， 远离污水管的过程中，总共包括5个变形阶段。

1）轻微扰动缓慢沉降阶段。距离测点所在断面较远时，由于刀盘切削等作用引起土体轻微扰动，污水管竖向变形在零点附近波动下沉。

2）轻微隆起阶段。在距离测点所在断面约15 m（2D，D为埋藏深度）范围内，土体受到千斤顶推力挤压作用引起的隆起量大于土体开挖卸载引起的沉降量，最终污水管竖向变形表现出轻微隆起。

3）快速沉降阶段。从掘进机到达测点所在断面到掘进机穿出15 m左右（掘进机尾部穿出9 m），由于掘进机外径与后续管节之间的管径差，污水管开始快速沉降。

4）持续沉降阶段。掘进机继续向前顶进，由于已完成管节依然向前移动，将对已穿越位置的土体造成持续扰动，进而使得周围的污水管竖向变形持续增加。

5）稳定阶段。掘进机穿出测点所在断面将近30 m（4D）时，污水管的竖向变形趋于稳定。

因此在顶管施工过程中，需要着重关注快速沉降阶段和持续沉降阶段。

如图3所示，沉降段1显示的是由于掘进机尾部空隙引起的沉降，沉降段2显示的是由于掘进机穿出后继续顶进带来的持续扰动引起的沉降。对于东侧污水管而言，最大沉降速率与最大沉降在同一位置即测点16，沉降速率约为0.65 mm/m，持续扰动产生的沉降速率为0.23 mm/m。在顶管边界处沉降速率最大，随着逐步远离顶管边界，沉降速率逐渐减小，在约距离边界15 m（2D）以外，沉降速率恒定在0.2 mm/m左右，增长较慢。依据这一数据可以预测长距离顶管施工引起的污水管竖向变形。

图3 污水管沉降速率与测点所在断面距离关系曲线

2.2 影响区

以西侧污水管为例，当顶管施工至45.0、52.5、60.0、67.5、75.0 m时，污水管各位置累计变形随距离开挖面远近的关系曲线如图4所示，开挖面后方测点的沉降随着与开挖面距离的增大逐渐增大，到峰值后沉降逐渐减小，最后趋于零点；开挖面前方测点隆起逐渐增大，到峰值后逐渐减小，最后在零点附近摆动。同时，顶管施工引起污水管发生变形的主要范围为开挖面后方4D范围到开挖面前方2D范围内。

图4 污水管累计竖向变形与距离开挖面距离关系曲线

右线贯通时，如图5所示，污水管沿垂直于顶管掘进方向即y方向呈“V”形分布。最大竖向变形位于顶管轴线上方，略偏左一点，这是由于右线施工引起左、右线之间土体二次扰动，从而使得污水管的最大竖向变形出现在顶管轴线左侧；随着与顶管轴线距离逐渐增大，污水管的竖向变形逐渐变小，在距离顶管轴线15 m（即2D）之外，污水管竖向变形趋近于零，可认为顶管施工对污水管的横向影响范围为2D。

图5 右线贯通时污水管累计竖向变形与距离顶管轴线距离关系曲线

2.3 监测及施工建议

为了保证污水管的安全，一方面需要加强监控，另一方面严格控制施工工艺。具体如下：

1）在顶管施工中需要建立完整的监测体系，做到边监测边施工，随时根据现场发生的具体情况积极改进施工方法、施工工艺及施工参数。监测时横向尤其关注顶管轴线2D范围内，纵向尤其关注顶管施工至污水管下方到穿出污水管4D范围内。

2）顶管施工过程中，严格控制地层损失量。一方面严格控制出土量，且保证开挖面土压力平衡，避免超挖；另一方面做好注浆减摩工作，减少顶管与土体之间的摩擦力，防止因摩擦力的存在，导致土体随着顶管向前移动，引起地层损失，同时注浆减摩可以降低顶管施工持续扰动的影响。

3）顶管施工完成后建议进行工后沉降监测，直到沉降变形基本稳定为止，从而更全面保证地下管线的安全。

3 结语

通过对杭州市德胜路综合管廊下穿三污干管顶管段的污水管现场实测竖向变形进行分析，得到如下结论：

1）污水管的最大竖向变形出现在顶管轴线左侧，随着顶管逐步向前推进，污水管竖向变形分为5个阶段：轻微扰动缓慢沉降、轻微隆起、快速沉降、持续沉降、稳定。

2）污水管的最大沉降速率出现在顶管轴线左侧，为0.65 mm/m；顶管施工的持续扰动产生的沉降速率约为0.23 mm/m。

3）顶管施工引起上方污水管发生变形的横向影响区为顶管轴线两侧各2D范围；纵向影响区为开挖面后方4D到开挖面前方2D。这一区域需作为重点监测区域。

4）顶管施工过程中，严格控制出土量，做好注浆减摩工作，减小因顶管施工引起的地层损失以及顶管顶进引起的持续扰动，从而保证污水管的安全。