復(fù)雜環(huán)境下頂管施工擾動控制

房 浩，徐偉忠，張瑞菊

（1.上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司，上海市 200065；2.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,上海市 201804）

復(fù)雜環(huán)境下頂管施工擾動控制

房 浩1，徐偉忠1，張瑞菊2

（1.上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司，上海市 200065；2.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,上海市 201804）

頂管法施工作為一種非開挖施工方法，可解決地下通道施工破壞周邊建筑物和堵塞道路交通等難題。首先，分析了復(fù)雜環(huán)境下頂管施工對周邊環(huán)境的不利影響；然后，提出了相應(yīng)的施工擾動控制措施；最后，依托淮安有軌電車深圳路站頂管下穿工程，對地下通道圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)值均小于其監(jiān)測預(yù)警值，表明頂管施工擾動控制技術(shù)的有效性。

頂管法；周邊環(huán)境；擾動控制；監(jiān)測；有效性

0 引言

在現(xiàn)代城市建設(shè)中，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口密度日益增加，地面資源及可開發(fā)的空間越來越少，易產(chǎn)生諸如交通擁堵、環(huán)境質(zhì)量差等許多城市問題。因此，合理開發(fā)和利用地下空間成為解決城市問題的一條重要途徑[1]。近年來，我國的地下結(jié)構(gòu)工程日益多樣化、復(fù)雜化，頂管施工作為一種非開挖施工技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。該方法不僅節(jié)約用地，對地面活動影響較小，而且能穿越地面或地下各種構(gòu)筑物，減小沿線的拆遷工作，節(jié)省大量投資和時(shí)間。但由于頂管施工自身特點(diǎn)，穿越周邊復(fù)雜環(huán)境時(shí)引起的地面位移不可避免。同時(shí)，開挖過程中存在超挖、偏位等不利的施工情況，對周圍土體產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動作用，造成地層中孔隙水壓力的變化及土層物理、力學(xué)指標(biāo)變化，引起管道周圍土體的位移和變形，影響周邊環(huán)境及臨近的已建構(gòu)筑物、地下管線等。因此，有必要對頂管施工引起的周邊環(huán)境擾動效應(yīng)及其控制技術(shù)進(jìn)行深入分析[2,3]。

1 頂管施工擾動分析

頂管施工由于在地下開挖，將引起土體的卸載作用，雖然后續(xù)管節(jié)起到支撐作用，但在開挖時(shí)開挖面四周的土體由于應(yīng)力松弛要向開挖面和隧道空間膨脹，產(chǎn)生地層損失。地層損失會引起土體移動直到地表，隧洞的地層損失將直接導(dǎo)致或表現(xiàn)為地面沉降。由于頂進(jìn)力對土體的擠壓作用以及管徑差，土體在掘進(jìn)機(jī)通過前后一般是先隆起，后沉降。地面或地下建（構(gòu)）筑物對一定范圍內(nèi)的土體位移是能夠承受的，但過大的地層位移將直接危害它們的正常使用。下面重點(diǎn)分析頂管施工對地表建（構(gòu)）筑物和地下管線的擾動影響。

1.1 對建（構(gòu)）筑物的擾動影響

頂管施工中由于地層應(yīng)力狀態(tài)的改變，相應(yīng)地引起地層和地表位移與變形。頂管施工對地表及建筑設(shè)施的損害可以分為直接損害與間接損害。位于主要影響范圍內(nèi)的對象所受的損害稱為直接損害；有些個(gè)別情況下，主要影響范圍以外較遠(yuǎn)的地方，也可發(fā)現(xiàn)開挖影響的存在，這種影響與頂管施工有關(guān)，稱為間接損害，如開挖管涌、流砂而引起大范圍地下水的變化對環(huán)境的影響等。

地表變形將會對上部構(gòu)筑物產(chǎn)生拉伸與壓縮[4,5]。壓縮變形使墻體產(chǎn)生水平裂縫，并使縱墻褶曲，屋頂鼓起。位于地表拉伸區(qū)的建筑物，其基礎(chǔ)底面受到來自地基的外向摩擦力，基礎(chǔ)側(cè)面受到來自地基的外向水平推力的作用，在不大的位伸變形下都足以使建筑物開裂。地表水平拉伸與壓縮變形對道路也會產(chǎn)生損害，如使路面開裂等。

頂管開挖更多情況下會引起地層的不均勻沉降。不均勻沉降將導(dǎo)致地表傾斜，使建筑物產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞裂縫，對建筑物的危害最大。地表傾斜還會使高聳建筑物發(fā)生重心偏斜，引起附加應(yīng)力重分布使建筑物喪失穩(wěn)定性而破壞。在負(fù)曲率(地表相對下凹)的情況下，建筑物中部沉降大，端部沉降小，建筑物中央部分懸空，端部受剪，使墻體形成正八字形裂縫，反之會產(chǎn)生倒八字形裂縫。

表1是一些國家對開挖引起地表變形引起建筑物破壞的容許變形值作出的規(guī)定，這些值可為確定地表允許變形值提供參考。

表1 建筑物容許變形值[6]

在實(shí)際施工過程中，建筑物變形開裂絕不是只受單一的拉伸或壓縮的結(jié)果，而往往是幾種變形同時(shí)作用的結(jié)果，在頂進(jìn)過程中偶遇障礙物并對土體產(chǎn)生較大擾動且覆土深度較淺的情況下，建筑物就可能先受到拉伸再受到壓縮的作用。

1.2 對地下管線的擾動影響

地下自來水管及煤氣管等壓力管道對其軸向的地表水平變形也非常敏感。過度的屈服、接頭滲漏和管的破裂通常會引起系統(tǒng)喪失功能。當(dāng)頂管施工在地下管道中產(chǎn)生的附加應(yīng)力或變形超出管道的允許應(yīng)力或變形時(shí)，管道就會被破壞。在拉伸變形作用下，可能會造成管接頭漏水漏氣，甚至接頭脫開。壓縮變形可以使接頭壓入而漏損，甚至可以使管道產(chǎn)生裂縫。頂管施工會引起周圍土體產(chǎn)生不均勻沉降或隆起，當(dāng)不均勻沉降或隆起值較大時(shí)，也可能會導(dǎo)致管線斷裂或接頭錯(cuò)位。地下管線損壞形式常表現(xiàn)為接頭部位松動、錯(cuò)位、脫節(jié)和管體斷裂等。

2 頂管施工擾動控制措施

2.1 選擇適當(dāng)?shù)墓ぞ吖?/h3>

頂管施工最突出的特點(diǎn)，是施工工藝的適應(yīng)性問題。針對不同土質(zhì)、不同施工條件合理選用頂管施工機(jī)具和施工方法，對于保證工程質(zhì)量，控制并減少地面沉降，降低工程造價(jià)，都具有十分明顯的作用。目前主要是根據(jù)地質(zhì)條件、地下水情況、施工場地大小、施工環(huán)境影響等選用合適的頂管機(jī)具[7]。

不管采用何種機(jī)具、工藝，均應(yīng)視具體情況而定，因地制宜才能充分顯示各種頂管機(jī)獨(dú)特的優(yōu)越性。具體可按以下原則進(jìn)行選擇：

（1）首先詳細(xì)了解工程概況、工程地質(zhì)條件、地下水位、頂管管徑、埋深、附近地上和地下建筑物、構(gòu)筑物及各種設(shè)施、管線的埋設(shè)情況等。對于頂管前方地下障礙物探查可采用地質(zhì)雷達(dá)探測，采用頂管前方超前預(yù)報(bào)的剖面與管線地基剖面探測相結(jié)合的方法，不會影響施工的正常頂進(jìn)。

（2）進(jìn)行技術(shù)方案比較，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

a.對于小口徑頂管，通常都采用泥水頂進(jìn)。當(dāng)頂進(jìn)長度較短、管徑較小且為金屬管時(shí)，宜采用一次性頂進(jìn)的擠密土層頂管法。

b.對于埋深較大的管段，可以從有無地下水及所處土層特性來考慮。若地下水位較低，土層較穩(wěn)定，可選用手掘式頂管；若地下水位高或者變化大以及土質(zhì)較松軟，則宜采用全斷面掘進(jìn)機(jī)施工。用手掘式頂管施工時(shí)，應(yīng)將地下水位降至管底以下不小于0.5 m處，以防其他水進(jìn)入管道。

c.對于地下障礙物較多的情況，應(yīng)選用具有除障礙功能的機(jī)械式掘進(jìn)機(jī)或采用手掘式頂管。

d.在粘性或砂性土層，當(dāng)無地下水影響時(shí)，宜采用手掘式或機(jī)械挖掘式頂管；當(dāng)粘性土層中必須控制地面隆陷時(shí)，宜用土壓平衡頂管法。

e.當(dāng)土質(zhì)為砂礫土?xí)r，可采用具有支撐的工具管或注漿加固土層的措施；在粉砂土層中，當(dāng)需要控制地面隆陷時(shí)，宜采用加泥式土壓平衡或泥水平衡頂管法。

f.在軟土層且無障礙物的情況下，頂管以上土層較厚時(shí)，宜采用擠壓式或網(wǎng)格式頂管法；在軟弱土層中宜采用土壓平衡或局部氣壓等施工，選擇土壓平衡工具管時(shí)，還要考慮其刀盤的適用情況和刀盤的切削面積。

g.在流砂層中頂管可采取局部氣壓施工或泥水平衡法施工。

2.2 減小糾偏角度

糾偏會不可避免地產(chǎn)生土體位移。糾偏角度越大對一側(cè)產(chǎn)生較大的擠壓，在另一側(cè)則形成間隙，這部分間隙需由上部土體來填充而產(chǎn)生土體位移。所以，應(yīng)在施工中盡量避免較大角度的糾偏操作。

為避免大角度糾偏可采用提高測量精度的措施來減小糾偏角度。急于糾偏將可能導(dǎo)致管道局部受壓過大，使管壁破裂而發(fā)生滲漏，同時(shí)加重了對管周土體的擾動。在實(shí)際施工中應(yīng)遵循“一勤、二少、三及時(shí)”的原則進(jìn)行糾偏操作?！耙磺凇本褪乔诩m，指不要等偏差大了才糾?！岸佟本褪巧偌m，指糾偏量要小。糾偏量大了，就會出現(xiàn)“大起大落”的超調(diào)現(xiàn)象，糾偏曲線變陡，給下一次糾偏帶來因難。“三及時(shí)”就是及時(shí)回零，指在糾偏過程中，偏差下降到某個(gè)合適值，就應(yīng)該使糾偏油缸回零，即先導(dǎo)頭傾斜角為零。對于矩形頂管，對管道的橫向水平要求較高，所以在頂進(jìn)過程中對機(jī)頭的轉(zhuǎn)角要密切注意，機(jī)頭一旦出現(xiàn)微小轉(zhuǎn)角，應(yīng)立即采取刀盤反轉(zhuǎn)、加壓鐵等措施回糾。

2.3 改善土體的物理力學(xué)性質(zhì)

頂管施工引起的地層損失和管道周圍受擾動土體的工后固結(jié)沉降是導(dǎo)致地表下沉的主要原因。施工結(jié)束后，由于施工荷載拆除，土體中總荷載減小，土體中的彈性變形得到恢復(fù)，但塑性變形不可恢復(fù)而成了永久變形。因此，在施工完成后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行二次注漿換填膨潤土漿液來增加土的屈服應(yīng)力，以減小土的粘塑性變形。在地下水較豐富及土質(zhì)松散的地方，采用注漿、深層攪拌、降水等方法加固土體，以改善土體的物理力學(xué)性質(zhì)，可減小頂管工后的固結(jié)沉降，從而起到保護(hù)環(huán)境的作用。

在注漿時(shí)，要適當(dāng)控制注漿壓力及注漿量。當(dāng)注漿壓力過大時(shí)，管道周圍土體受到注漿壓力的擠壓，向外移動，則會產(chǎn)生地面隆起；如注漿壓力過小，則土體向內(nèi)移動，產(chǎn)生地面沉降。注漿壓力一般為1.1～1.2倍的靜止土壓力，注漿量一般為理論注漿量的140%～200%。二次注漿是控制地表沉降的有效輔助手段，可大大降低施工后期的固結(jié)沉降與次固結(jié)沉降。

在頂管設(shè)計(jì)與施工時(shí)，由于周圍環(huán)境的影響，有些管路的施工必須采用曲線繞道施工。在這種曲線頂管施工時(shí)，曲率半徑越小，則每節(jié)頂管偏轉(zhuǎn)角度越大，施工的側(cè)向頂進(jìn)載荷越大，對側(cè)向土體產(chǎn)生擠壓與擾動越大，從而對周圍環(huán)境的影響也越大。因此，應(yīng)盡量選擇較大曲率半徑的曲線頂管。

2.4 保持開挖面的穩(wěn)定

開挖面的穩(wěn)定性可減小前方土體的擠壓與擾動。對于頂管施工要實(shí)現(xiàn)開挖面的穩(wěn)定，可控制工具管前工作艙里的壓力與土體壓力平衡，也可控制排土的速度。

現(xiàn)場實(shí)測研究表明，正面支護(hù)力（土艙壓力扣除開挖面靜止水土壓力）決定了前方土體受擠壓擾動的程度與范圍。如果正面支護(hù)力與自然土壓力相等，則土體不移動，便無地層損失與土體位移，理論地面沉降為零，但實(shí)際施工中這種平衡是達(dá)不到的。支護(hù)力增大，前方土體將受到較大的擠壓，土體前移并產(chǎn)生地表隆起；支護(hù)力不足，土體產(chǎn)生應(yīng)力釋放，土體后移并產(chǎn)生沉降。因此，應(yīng)合理地確定大刀盤的設(shè)定壓力，并使之有效地自動平衡調(diào)節(jié)，保持泥水壓力并經(jīng)常保持掘進(jìn)機(jī)的正確姿態(tài)。

開挖面土壓的控制。首先根據(jù)地層情況確定目標(biāo)土壓，然后在頂管推進(jìn)過程中，用壓力傳感器來監(jiān)測土壓力的變化情況，再通過調(diào)節(jié)出土量來維持目標(biāo)土壓力。目標(biāo)土壓力理論上等于土層壓力(開挖面靜止水土壓力的和)，可通過傳感器的測定值及排土量的變化來進(jìn)行適當(dāng)修正[8,9]。

2.5 穿越地下管線

工程頂管機(jī)口徑大，對土體有一定的擾動，如若擾動過大，勢必導(dǎo)致意外發(fā)生，所以施工中一定要控制好頂進(jìn)參數(shù)，在臨近管線前減緩頂進(jìn)速度，控制好排土量，加強(qiáng)地面的監(jiān)測力度。如發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測值變化量較大，可通過調(diào)整土壓力、出土量以及機(jī)頭注漿來有效控制。在頂管施工階段，合理組織施工流水，盡量一次性完成所有配套安裝，在頂管通道貫通后，對其影響范圍內(nèi)進(jìn)行注漿加固土體，以確保管線安全使用。

3 工程應(yīng)用及監(jiān)測分析

本文以淮安市有軌電車1號線工程深圳路站為例進(jìn)行工程應(yīng)用及監(jiān)測說明。深圳路站地下通道位于翔宇大道與深圳路交界口，地面車站形式為路中島式?；娱_挖9.25～10.7 m，覆土2.75～3.05 m，在翔宇大道兩側(cè)設(shè)出入口。站臺及兩側(cè)出入口結(jié)合暗埋段共設(shè)3個(gè)頂管工作井。暗埋段采用單箱矩形框架結(jié)構(gòu)形式，敞開段為U形塢式結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)調(diào)研和物探資料，站址處路北側(cè)，周邊較空曠，路中基坑位于中央分隔帶內(nèi)，并占用部分車道。圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工期間需永久遷改的管線主要有：DN300燃?xì)夤埽裆罴s2.6 m）和直徑800 mm的混凝土水管（埋深2.2 m）等。

為克服淮安砂質(zhì)粉土地層頂進(jìn)的困難，結(jié)合淮安頂管工程，需減小施工期間對地面道路交通、周邊建筑物及地下管線的影響。采用能全面適應(yīng)淮安地質(zhì)條件的組合多刀盤土壓平衡矩形頂管機(jī)用于淮安的頂管工程，施工過程中全面監(jiān)測頂進(jìn)機(jī)頭轉(zhuǎn)角及對周邊環(huán)境的影響，以保證施工規(guī)范和安全。

3.1 監(jiān)測方案

在基坑開挖和地下室施工期間開展嚴(yán)密的現(xiàn)場監(jiān)測可以為施工提供及時(shí)的反饋信息，做到信息化施工。監(jiān)測數(shù)據(jù)是現(xiàn)場管理人員判別工程是否安全的依據(jù)；通過對圍護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊建筑物、道路及地下管線等監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、整理和綜合分析，了解各監(jiān)測對象的實(shí)際變形情況及施工對周邊環(huán)境的影響程度。根據(jù)基坑的開挖深度、支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、所處的周邊環(huán)境條件，深圳路地下通道周邊環(huán)境監(jiān)測及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測內(nèi)容如下：

（1）樁頂圈梁的水平位移監(jiān)測點(diǎn)。沿支護(hù)樁頂共計(jì)布設(shè)36個(gè)樁頂水平位移監(jiān)測點(diǎn)（D1-D36）。

（2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測（測斜）。沿基坑四周支護(hù)結(jié)構(gòu)布設(shè)17個(gè)深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)（CX1-CX17）。

（3）基坑周邊地表沉降。在基坑周圍地表上共布設(shè)40個(gè)地表沉降變形觀測點(diǎn)（DB1-DB40）。

（4）周邊道路沉降監(jiān)測。沿基坑周邊道路共布置24個(gè)道路沉降變形監(jiān)測點(diǎn)（R1-R24）。

（5）坑外水位監(jiān)測。沿基坑四周共布設(shè)18口坑外水位觀測孔（SW1-SW18）。

（6）周邊建筑沉降監(jiān)測。沿基坑周邊建筑物共布置11個(gè)建筑沉降變形監(jiān)測點(diǎn)（H1-H11）。

各項(xiàng)監(jiān)測內(nèi)容的監(jiān)測元件布設(shè)點(diǎn)平面和縱斷面位置如圖1和圖2所示。

圖1 各項(xiàng)監(jiān)測元件布設(shè)點(diǎn)平面示意圖

圖2 各項(xiàng)監(jiān)測元件布設(shè)點(diǎn)縱斷面示意圖（單位：mm）

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

監(jiān)測結(jié)果報(bào)警值的確定，要以確保施工安全為前提，綜合考慮工程質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)等因素，減少不必要的資金投入。其確定原則有以下幾點(diǎn)：（1）滿足設(shè)計(jì)計(jì)算的原則，取設(shè)計(jì)值的80%作為預(yù)警值；（2）滿足監(jiān)測對象的安全要求，達(dá)到預(yù)警和保護(hù)的目的；（3）滿足各監(jiān)測對象的各主管部門提出的要求；（4）滿足現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程的要求，如《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》、《建筑變形測量規(guī)范》等。綜上，淮安頂管工程監(jiān)測控制要求見表2。

表2 監(jiān)測報(bào)警值表

深圳路地下通道的頂管施工過程中，監(jiān)測隨著基坑開挖的不斷加深和地下頂管施工的進(jìn)行，地下通道周邊環(huán)境監(jiān)測及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 圈梁頂部各點(diǎn)累計(jì)水平位移和位移變化速率

圖4 周邊道路各點(diǎn)累計(jì)沉降量和沉降速率

由圖3～圖6的監(jiān)測結(jié)果可知，地下通道施工期間支護(hù)樁最大水平位移為3.6 mm（報(bào)警值為5 mm），最大水平位移速率為1.2 mm/d；地下通道地表最大累計(jì)沉降量為3.55 mm（報(bào)警值為0.25%H mm），地下通道周邊道路最大累計(jì)沉降量為4.01 mm（報(bào)警值為10 mm），最大沉降速率為-0.26 mm/d（報(bào)警值為±2 mm/d）；圍護(hù)結(jié)構(gòu)（以CX8為例）在深層9.5 m處，水平位移最大為8.12 mm（報(bào)警值為0.3%H mm），在深度0.5 m處，水平位移變化速率最大為1.858 mm/d（報(bào)警值為3 mm/d）；坑外水位最大累計(jì)變化量為192.5 mm（報(bào)警值為1 000 mm），最大變化速率為11.15 mm/d（報(bào)警值為500 mm/d）。由此來看，各項(xiàng)監(jiān)測結(jié)果均小于其監(jiān)測預(yù)警值，故可作為現(xiàn)場管理人員判別工程施工安全的依據(jù)。表明該地下通道頂管工程的施工控制措施有效，對周邊環(huán)境的影響較小。

4 結(jié)語

本文分析了復(fù)雜環(huán)境下頂管施工引起的土體擾動對周邊環(huán)境的影響，提出了頂管施工對環(huán)境危害的施工控制措施，并依托淮安有軌電車1號線深圳路站地下穿越工程，對地下通道、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。結(jié)果表明：該工程的頂管施工是安全有效的，對周邊構(gòu)筑物的影響在承受范圍內(nèi)。因此，為減小頂管施工的環(huán)境危害，可在施工中采取相應(yīng)的施工控制措施，用以減小地層移動并且改善土體的物理力學(xué)性質(zhì)，使頂管施工符合市政施工規(guī)范，避免對周邊建筑物、結(jié)構(gòu)物與地下管線等環(huán)境造成過大影響。

[1]高乃熙，張小珠.頂管技術(shù) [M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1982.

[2]王承德.頂管[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1986.

[3]SAGASETA C.Analysis of undrained soil deformation due to ground loss[J],Geotechnique,1987,37(3):301-320.

[4]陽軍生.地鐵建設(shè)地表移動及變形研究[D].長沙：中南工業(yè)大學(xué)，1996.

[5]陽軍生.深基坑和隧道施工引起的地層移動及變形研究[D].長沙：湖南大學(xué)，1999.

[6]劉建航，候?qū)W淵.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[7]夏明耀，曾進(jìn)倫.地下工程設(shè)計(jì)施工手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[8]YAMAGUCHI I，YAMAZAKI I，KIRITANI Y.Study of ground tunnel interactions of four shield tunnels driven in close proximity,in relation to design and construction of parallel shield tunnels[J].Tunneling and Underground Space Technology，1998,13 （3）：289-304.

[9]MARK A M.Pipe-Jacked Tunneling:Jacking Loads and Ground Movements[D].British:Oxford University，1998.

U415

B

1009-7716（2017）10-0124-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.037

2017-04-29

房浩（1981-），男，江蘇泰州人，工程師，主要從事施工管理工作。