软弱地层浅埋矩形顶管沉降控制技术研究

陈 志

（中铁十二局集团第七工程有限公司 湖南长沙 410000）

1 工程概况

（1）项目简介

徐州市某地铁车站邻近市政府，周边为商务区，高楼林立，环境敏感。1号出入口需下穿市政主干道，出入口过路通道段采用土压平衡矩形顶管法施工。通道长52.5 m，预制钢筋混凝土矩形管节外轮廓为7×5 m，壁厚0.5 m，每段管节长1.5 m，共设35段，如图1所示。

图1 纵断面示意（单位：cm）

（2）地质水文条件

现场位于黄、淮河冲积平原区，地势平坦。通道管顶覆土厚度3.76～4.37 m，顶管处于地下3.76～9.37 m之间，地层自上而下主要为1-1层杂填土、2-4-2层粉质黏土、2-5-3层粉土、2-5-4层粉土、2-6-3层粉砂。顶管穿越的地层主要为粉土层，少部分穿越粉质黏土和粉砂层。地层物理力学参数见表1。

表1 岩土力学参数

地下水分别为上层滞水和潜水。上层滞水水位埋深2.0～5.5 m，潜水水位埋深5.5～8.5 m，主要接受大气降水补给，动态季节性变化显著。

（3）管线情况

对顶管影响较大的主要地下管线：道路中央分隔带内有1根φ120 cm承插型钢筋混凝土污水管，与顶管垂直，距顶管顶净距约40 cm；沿顶管上方纵向有1根φ30 cm中压燃气钢管，与顶管顶净距约190 cm。

2 建模计算与结果分析

（1）计算模型和参数

通过数值假定和力学模拟建立计算模型，如图2所示。其中，1为顶管隧道，2、3分别为污水管和燃气管道。模型物理力学参数见表2。

图2 土体管节模型（单位：m）

表2 模型力学参数

（2）地层变形计算

顶管施作完成后地表沉降云图见图3，各特征断面地表沉降见图4。沉降最大值出现在距离始发井0 m的断面，沉降峰值－9.61 mm；在顶管施工前10 m、后15 m范围内，地表沉隆值变化较大，且顶管经过时不同断面隆起峰值基本稳定在3 mm以内，小于规范值10 mm。

图3 竖向变形云图

图4 特征断面地表沉降曲线

（3）管线位移分析

管线竖向位移和地表变形规律基本一致。在顶进至管道断面前污水管道产生隆起，最大值1.98 mm，通过后管道缓慢沉降，最大值－3.92 mm。燃气管道隆起极值2.19 mm，沉降极值－5.93 mm。变形最大值均小于设计值10 mm；差异沉降量分别为0.002 9%与0.008 5%，亦小于规范设计值0.25%。

（4）结果分析

基于各种边界条件和数值假定建模分析得出的结果偏于安全。实际上，开挖面完全的压力平衡很难达到，同时背土效应的存在，带来更多不确定性。施工中，更需要总结经验、贴合实际，分析可导致沉降的各种原因，借助监测手段，针对性采取各种综合措施，有效控制地表沉降和管线变形。

3 地表沉降机理分析

3.1 背土效应

矩形顶管机头、管节上表面为水平面，上部土体的卸载拱作用不明显，部分土体坍塌覆于顶管机或管节上表面，在摩阻力作用下向顶进方向发生压缩变形或移动，为矩形顶管特有的“背土效应”［1］。根据以往工程经验，背土最容易在机头前端产生，若处理不及时，或泥浆套失效，可延伸至管节，导致连续、继发性背土产生。背土前方隆起，后方沉降，并有逐渐扩大的趋势。

3.2 地层损失

按照Peck公式的假定，在不考虑排水固结和地层时间效应的前提下，地表沉降槽体积等于地层损失的体积。地层损失主要体现在开挖面、机头后方、始发与接收端。

（1）开挖面破坏了地层原有平衡状态，引起地层损失和扰动周边土体、地下水位变化，土体剪切破坏、重塑、再固结。地层损失与土舱压力、顶进速度、出土量等有关。

（2）机头后方开挖土体与管节之间存在2 cm间隙，通过注入触变泥浆填充。若泥浆注入不及时，或胶体性能、触变性能差，水分快速散失而发生聚沉和离析，无法起到支撑地层的作用，则机头后方发生急剧沉降。

（3）始发与接收端，一方面易因洞口密封不严发生渗漏，导致水土流失；另一方面始发或接收状态未及时建立土压平衡或土压平衡失效。二者均可导致地层损失。

3.3 其他

本工程穿越的饱和粉土、粉砂层，液化等级中等，顶管导致周边土体不可避免地经历液化－再固结循环。液化后重固结的体积变化也会直观反映到地面的沉降；每段管节顶进到位，需安装新的管节，退回主油缸，若已顶进机头、管节与土体摩阻力不足以平衡开挖面土压力，则会导致机头和管节后退，前方土体变形下沉；现场施工中，顶进是否连贯、工序衔接是否紧密，甚至作业人员技术水平，均影响沉降控制效果。

4 沉降控制措施

4.1 设计优化

（1）围护结构及端头加固

为降低始发、接收风险，降低水土流失，将始发、接收端基坑围护结构钻孔灌注桩加止水帷幕的设计优化成φ850＠600SMW工法桩，并采用纵、横向搭接的满堂三轴搅拌桩进行端头加固，见图5。

图5 围护结构优化及端头加固（单位：mm）

始发阶段，无需破除洞门围护结构，刀盘顶到SMW工法桩，拔除H型钢，启动掘进，可快速建立土压平衡；接收阶段，刀盘顶到接收端SMW工法桩，拔除H型钢，前壳体快速到达接收洞门橡胶帘布，达到保压的目的，降低施工风险。

（2）管底加密注浆孔

根据本工程易液化地层特点，在每段管节底部增设2排，共16个半透注浆孔，见图6。

图6 管节底部注浆（单位：mm）

在顶进过程中，根据监测数据反馈，可及时打穿半透孔，加密压注浓稠的膨润土浆液，提高土体黏粒含量，降低可液化性能。若液化、管节整体下沉趋势较为严重，则将半透孔作为洞内地基加固的孔道，往土体内注入半惰性浆液，提高地基承载力，消除液化。

顶进完成后，通过半透孔向下打入花管，压注水泥浆液，整体加固地层，控制工后沉降。

4.2 设备适应性设计

投入到本工程的顶管主机及主推进系统，制造费用约1 400万元。兼顾对本工程的适应性和类似工程的通用性，采用模块化、信息化设计。

（1）刀盘和搅拌棒

采用国内相对成熟的圆形刀盘，6刀盘组合，开挖面积34.81 m2，切削面积31.85 m2，切削率91.5%。壳体前端均布斗齿110个，起辅助切削作用。刀盘结构采用辐条式，对刀具、刀盘进行加强，应对可能存在的建筑垃圾、漂石等异常地质，见图7。

图7 刀盘配置

在刀盘背面、隔仓面板设置主动和被动搅拌棒共48支，总搅拌面积29.07 m2，搅拌率83.5%，可起到较好渣土搅拌和土体改良效果。

每个刀盘均采用3台30 kW变频电机驱动，可实现带载启动，无级调速。通过PLC实现每个刀盘转向及转速单独、灵活控制。通过不同的刀盘转向、转速组合，能辅助实现机头姿态微调功能。

（2）螺旋出土器

整机设置2个直径550 mm螺旋出土器，理论出土量可达80 m3／h。出土器尾端设置液压平板闸，中部设泥浆注入管路，防止喷涌。

（3）PLC 控制系统

控制系统是顶管设备的中枢，由人机界面、控制单元、执行部件、传感器等部分组成。PLC系统采用分布式IO控制网络，主控室设置于地面。土舱压力、刀盘转速和方向、机头姿态等参数及主顶推系统油缸行程及顶力，均实时反馈至主控室。操作司机根据各种数据和姿态的反馈，可快速响应、及时调整掘进参数。

（4）防背土设计

前壳体顶部，增设横向通长注入槽，保证触变泥浆连续、均匀分布于壳体顶部。

4.3 沉降监测

沉降监测是判断顶进技术措施是否合理、优化施工参数、采取各项控制措施的科学依据。因本工程埋深浅、地层自稳性差，监测断面沿顶进轴线5 m间距加密布置，燃气、污水管线加密设置深层监测点；加大监测频率，及时将监测结果反馈给操作人员动态调整掘进参数，并指导各部位注浆。

4.4 触变泥浆

触变泥浆在顶管施工中起到润滑减阻、填补和支撑地层的作用。根据高毅等［2］“整体背土效应”概念和预判理论，在工程条件不变的情况下，减摩措施的实际性能是影响整体背土效应的关键因素。

在不同的地层、部位、工况下，灵活调整触变泥浆水、膨润土、CMC、纯碱、PHP等材料配比，以达到理想性能，并掌控好注入量和注入时机［3－5］。

（1）前壳体顶部防背土泥浆，壳体与地层间无空隙，小流量、持续注入，主要保证较好的流动、分散、减阻性能。

（2）后壳体与第一管节连接处，随着管节顶进，管节与土体间形成约2 cm间隙，需持续注入泥浆填充。注入速率在理论注入速率的2.1～2.8倍为宜，泥浆性能以满足快速填充、支撑地层为主，粘度大于25 s，比重大于1.2。

Across the Atlantic,Dr.Donald Ross,who trained under Lord Russell Brock,performed the first heart transplant in the United Kingdom.The patient,a 45-year-old man,survived for 46 days before succumbing to infection.He performed 2 more unsuccessful transplants before a moratorium was declared[53].

（3）顶进过程中管节壁后注浆采取压力与注入量双控，确保触变泥浆保持一定压力降低地表沉降，同时避免引起背土效应。

4.5 掘进参数分析

4.5.1 设定原则

掘进参数设定原则主要包括三个方面：一是掘进过程中地层竖向位移满足设计和规范要求；二是保证既有管线安全；三是提升掘进效率［6－8］。

4.5.2 参数设定

（1）土舱压力值设定

土舱控制压力包括土压力、水压力、预备压力。

①土压力：采用朗金理论计算土压力，根据地表监测情况在限值内动态调整。

静止土压力：σx＝k0×σz＝k0×γh

被动土压力：σp＝σz×tan2（45°＋φ／2）＋2ctan（45°＋φ／2）

式中：σz为深度z处的地层自重应力；c为土粘着力；φ为地层内摩擦角。

②水压力：σw＝qγh

式中：q为经验数值，砂土 q取0.8～1.0，黏性土 q取0.3 ～0.5；γ 为水容重；h为地下水位距离刀盘顶部高度。

③预备压力：按施工经验，在理论计算的基础上再考虑0.1～0.2 kPa预备压力。

（2）推进系统与出土系统参数设定

地层敏感，原则上采用满舱建压掘进模式维持开挖面压力平衡，主要掘进参数设定：推进速度20～25 mm／min，出土量38 m3／m，刀盘转速0～1.5 r／min，刀盘最大扭矩570 kN·m。推进速度、推力值联合控制。

（3）姿态控制与纠偏

矩形断面纠偏困难，过程中顶进姿态控制尤为重要。主要注意三方面：一是顶管机前重后轻，有栽头的趋势，需根据地层抬头始发；二是勤纠偏、缓纠偏，以免造成管节破坏和过度的地层扰动；三是定期校核激光导向精度。

顶管机主要控制前后壳体之间的纠偏油缸进行纠偏。前壳体重量远超后壳体，纠偏时容易出现前壳体未动而后壳体向相反方向位移的情况。为解决该问题，将后壳体和相邻几节管节用型钢纵向连接成整体，增加后壳体配重，保证纠偏精准控制［9－11］。

4.5.3 参数修正

掘进参数动态调整，根据推进速度、出土情况、顶进姿态、监测成果及时进行相应调整，确保成形通道质量、地表沉降及管线安全［12］。

4.6 地层补偿

由于各种因素，局部沉降超限无法完全避免。对应超限地层损失，提出“地层补偿”概念，其原理是结合监测值，利用土砂泵将流塑状浓泥通过管节预留孔强制注入沉降土体，补偿地层损失，将沉降部位抬起。

4.7 其他措施

（1）机头及管节止退

在始发托架上安装止退架，防止管节安装过程中机头在掌子面水土压力作用下回缩，进而造成地表沉降。

（2）管节承口钢套环防渗

管节制作完成后在钢套环与砼接口处涂刷环氧树脂，对可能存在的渗水通道进行封堵。

（3）始发接收措施

顶管始发、接收阶段洞门土体失稳的风险大。施工中加强端头加固质量，提前降水，始发时土舱及早保压，接收前3环在机头周边注入浓泥、聚氨酯等材料，接收时利用钢丝绳拉紧压板，现场备足应急物资以确保施工安全。

5 结束语

大断面矩形顶管越来越广泛地应用于敏感环境、软弱地层、超浅覆土、下穿高风险管线等复杂条件下地下管廊、过街通道、地铁出入口等方面建设。通过建模分析、设备选型优化、高频率量测反馈、顶进参数动态优化、控制措施协同联动等手段，较好控制了地表沉降和管线变形，安全、优质、高效完成施工任务，对类似工程有较强的借鉴和指导意义。