顶管掘进过程导致路面沉陷的实体检测及原因分析

张淼

【摘    要】：针对南水北调工程顶管穿越天津市外环线施工过程中导致地面产生过大沉降问题，通过监测数据分析、地质雷达探测与钻芯取样等手段，探明沉降范围及大小并对发生沉降原因进行分析。

【关键词】：顶管；沉降；无损检测；钻芯取样

【中图分类号】：TU990.3【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）03-12-03

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.03.004

Analysis of the Solid Detection and Road Surface Subsidence Caused

by Pipe Jacking Process

ZHANG Miao

（Tianjin Highway Development Service Center，Tianjin  300010，China）

【Abstract】：Aiming at the excessive settlement caused by construction of the South-to-North Water Diversion Project， which passes through the outer ring road in Tianjin. This paper uses these methods such as monitoring data analysis， geological radar detection and core drilling sampling to explore the scope and size of the settlement road and analyzes the causes that bring to the settlement.

【Key words】：pipe jacking；settlement monitoring； non destructive testing； core drilling sampling

顶管施工不需要开挖面层，能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下構筑物以及各种地下管线等[1]；因节约征地拆迁费用、减少对环境污染、降低道路的堵塞等方面具有显著的经济效益和社会效益，越来越多用于各种管线和通道的建设中。顶管施工中，特别是在粉土、粉砂地层中，一旦出现涌水、冒砂等施工问题时，如处理措施不当或处理不及时，将会引起的地层扰动，导致地面出现过大沉陷进而影响路面交通、破坏地下管线，严重时等导致道路坍塌等风险。

李军等[2]结合顶管穿越汉江干堤工程实例从地质、施工方法、施工过程控制等方面分析了顶管施工使堤防损坏的原因。田配琴[3]基于秀峰水系工程从顶管施工引起地表变形及特征、塌陷机理、地表沉降控制措施等方面研究了顶管施工的关键技术。李磊等[4]基于天津市区某顶管工程发生龙门口渗水流砂和地表沉降、冒浆等工程问题，对软土地层顶管施工技术及其引起地层环境问题进行分析，探求其工程事故处理措施。王鹏旋[5]采用地质雷达探测技术对某公路路基空洞进行探测，准确发现公路潜在病害。

目前，国内针对顶管出现风险事件的处理研究较多，但对发生事故的实体检测尚未见相关文献。天津市南水北调工程穿越外环西路出现路面沉陷，最大沉陷达到30 cm。本文通过检测数据分析、无损检测、钻芯取样等检测手段对引起环境破坏地段进行检测分析，对诱发沉降的原因进行分析并对涉路工程顶管施工给出了一定的建设性意见。

1 工程概况

天津市南水北调工程穿越外环西路工作坑位于外环西路外侧距外环西路侧石净距85.8 m，接收坑位于外环西路内侧绿地里距外环西路侧石7.1 m，顶管全长159 m，与外环西路夹角为80°，顶管外径2 580 mm，壁厚220 mm，采用的泥水平衡顶管机外径2 660 mm，管道处于粉土层。外环线路基宽度50 m、路面宽度41 m，沥青混凝土路面。勘察深度范围内依次为杂填土、素填土、粉质黏土、粉土、粉质黏土、粉土、粉砂、黏质粉土。见图1。

2021年12月27日8时，养护管理单位在日常巡查过程中发现外环线（K51+956）顶管穿越段路面呈全断面下沉，下沉区域路段长度约为28 m，宽度约为50 m；位于管轴线上方第3车道与第4车道分界线附近的内圈最大下沉深度约为105 mm；位于管轴线上方硬路肩侧石处外圈最大下沉深度为160 mm。至12月27日14时，位于顶管轴线上方第3车道与第4车道分界线附近的内圈最大下沉深度为135 mm，位于顶管轴线上方硬路肩侧石处的外圈最大下沉深度约为180 mm，沉降速率远超4 mm/d的控制速率。

为保证行车安全，采用压力注浆方式对顶管轴线两侧各17.5 m（共35 m）影响范围的路基进行水泥-水玻璃液浆加固。待路基注浆完毕且浆液强度基本稳定（注浆后至少24 h）后，对路面沉降路段进行路面三层衬补接顺处理。

2 现场实体检测情况

为保证后续修复工作的准确性和严谨性，对塌陷路段地表沉降观测资料进行分析并通过地质雷达检测和取芯检测等手段相互验证。

2.1 地表沉降观测资料

路表随管道顶进施工进度由外圈向内圈逐车道依次发生持续沉降，累计沉降和沉降速率自2021年12月23日以来均变化较大；截至2021年12月27日，外圈路表累计沉降量最大值为5.7 cm（硬路肩），内圈路表累计沉降量最大值为10.1 cm（第2车道），路表日沉降量最大值为3.7 cm（内圈第2车道），沉降速率较大。见图2。

2.2 地质雷达检测

为查明路面结构层及路基整体脱空情况，2021年12月27日对外环线K51+956处采用地质雷达进行了无损检测，测试范围长（沿行车方向）65 m、宽（沿横断面方向）约47 m，共布置19条测线。其中纵测线（沿行车方向）布置15条，分布在各车道的轮迹带及硬路肩中线处；横测线布置4条，分布在管轴线两侧，每半幅各2条。

地质雷达无损检测结果表明：内圈第1～4车道、外圈第四车道和硬路肩在路表以下约1.5 m、管軸线两侧各约4 m 的范围内疑似路面结构层明显脱空；内圈第1～4车道在管轴线两侧各约14 m 范围内存在路基或土层明显沉降。

截至2021年12月27日沉降观测数据，路表沉降速率仍较大，本次地质雷达检测所发现的路面结构层脱空和路基沉降的程度及范围后续还会发展。

2.3 取芯检测

结合地质雷达检测结果，在管道轴线处道路横断面的每个车道代表性位置分别钻取芯样，查看路基路面脱空情况，共钻取10处。由于带水钻孔作业且取芯深度仅为 1.5 m，深层松散、软弱土质路基无法进行钻取。取芯结果表明：顶管轴线上方内圈第1～4车道及外圈第4车道和硬路肩的路面结构层均存在不同程度脱空，其余车道尚未发现明显脱空，结构层存在破碎情况；内圈路面结构层脱空深度范围位于路表以下33～71 cm，脱空量为2～24 cm；路面结构层脱空最严重处位于第3车道，脱空量为24 cm（路表以下37～61 cm）；外圈硬路肩脱空量为20 cm（路表以下81～101 cm）。

3 路面塌陷原因分析

3.1 地质条件较差

顶管穿越断面土体主要粉土、粉砂、黏质粉土， 渗透系数达到1.79 ×10-4 cm/s， 穿越土层孔隙比较大，很容易在动水作用下产生流砂（土）。上部粉质黏土层渗透系数约3.48 ×10-7 cm/s，视为相对隔水层，顶管穿越范围土层的水带有承压性，土压平衡顶管掘进机和泥水平衡顶管掘进机均可使用，却又均存在一定风险性。

选用土压平衡顶管掘进机可能会因富水地层地下水通路没有阻断，泡沫、膨润土等添加剂使用不当，渣土改良不理想未能有效改变渣土渗透性，在水流量或者水力梯度大的情况下，极易出现土舱喷涌现象。选用泥水平衡顶管掘进机虽然能有效避免土压平衡掘进机带来土舱喷涌风险，却会面临泥水平衡压力难以很好建立的困境；而且在粉土、粉砂、黏质粉土复合地层中掘进，粉砂夹粉土容易将刀盘进土口、刀盘刀头之间的空隙全部堵塞，造成刀盘不进土。因此，本工程顶管穿越地层并不属于理想的施工地层条件。

3.2 施工方案针对性不强

虽采用大刀盘泥水平衡顶管掘进机穿越公路施工可较为精准地控制地表沉降；但在顶管机适应性选型时，考虑到穿越段土层强度较高和砂性土层的致密性，为避免施工参数控制不合理等各方面原因导致土体逐渐堵塞刀盘，进土口选用开口率高达56%的刀盘且刀盘外轮廓切口较盾体大2 cm，形成较大建筑空隙，客观上造成了掌子面土压力难以有效建立，地表沉降难以控制在要求范围内。

顶管施工中实际出土量按照理论出土量乘以1.25的松散系数进行控制，远远大于理论出土量。在顶管施工过程中未及时注入足量添加剂进行掌子面渣土改良，导致掌子面土的高渗透特性未得到改善，掌子面压力控制与实际偏差较大。

粉土、粉砂土层孔隙率偏大，不易形成完好的泥浆套且粉土、粉砂易造成注浆孔和球阀堵塞，对注浆质量造成不利影响；在顶管横穿段施工过程中，通常建议采用浓泥替代一般泥浆，浓泥应采用优质钠基膨润土：一方面可以起到普通膨润土泥浆的减摩作用；另一面能有效填充刀盘切口与盾体之间的建筑空隙，防止地面沉降；还能阻止掌子面前方的水通过刀盘切口与盾体间的空隙，从而避免出现因泥浆浓度降低，破坏泥套形成的情况发生。

3.3 监测未起到应有作用

为保证施工安全及周边环境稳定，顶管施工过程中，合理布设监测断面，根据变形监测点数据分析及时发现并处理顶管施工中的变形问题，有助于施工风险的控制。而顶管施工的特点是在顶管掘进机未完成接收前，机头后面的管道全部处于不稳定状态，监测布点时应考虑此特点。

第三方监测在布点时考虑到外环线交通繁忙、车流量大，为避免作业人员发生交通意外，仅在道路两侧布点，未在道路上布点，也没布设深层监测点，造成顶管在穿越道路时地面未有效监测。

根据顶管穿越公路施工要求，每完成一节管段施工就应进行一次数据采集。第三方监测单位未按要求进行每一节管段进行监测，仍然按一天一次的频率进行监测，未对监测数据进行分析，未根据速率变化趋势进行工程安全性预测。发现数据异常后，第三方监测单位没有及时通知公路主管部门、养管部门等单位。

4 结论和建议

1）施工前应针对地层特性进行顶管掘进机适应性选型，拟采用的机械各方面性能应与地层匹配，既能有效形成掌子面压力又具备防喷涌能力，同时能具有渣土改良系统。

2）施工过程中需要有经验的工程师根据渣土情况适时调整施工参数，同时选用性能优质的施工辅助材料。

3）在编制监测布点方案时应充分考虑路面结构下面已经脱空，而地面监测数据表现较小的遮蔽效应，在能布置深层水平位移监测点的地方一定要布置深层监测点；顶管在未完成接收前所有管段均处于动态平衡状态，应结合该特点加密地面监测布点；第三方监测单位应及时对数据进行分析、反馈。

参考文献：

[1]魏纲.顶管工程土与结构的性状及理论研究[D].杭州：浙江大学，2005.

[2]李军，徐峰，张晚祺.顶管施工导致堤防损坏原因的分析及修复措施[J].水电与新能源，2011，（1）：40-41.

[3]田配琴.顶管施工引起地表塌陷及关键技术分析[J].湖南城市学院学报（自然科学版），2014，23（2）：10-14.

[4]李磊，张建新.泥水平衡法顶管工程事故实例及分析[J].天津城建大学学报，2020，26（4）：266-270+311.

[5]王鹏旋.公路路基地质雷达探测及病害模拟分析[J].交通世界，2022，（35）：76-78.