王義 梁詔斌 江閃閃

南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 210000

引言

城市內(nèi)新建或改建各類(lèi)地下管網(wǎng)時(shí)，受限于城市交通、市容環(huán)境等因素，往往采用非開(kāi)挖技術(shù)。頂管作為一種中短長(zhǎng)度非開(kāi)挖技術(shù)，適用于各類(lèi)地下管線，具有管徑覆蓋范圍廣、布置較為靈活、技術(shù)相對(duì)成熟、經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越的特點(diǎn)，使用越來(lái)越廣泛。由于城市地下管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高，為營(yíng)造更大、使用功能更好的管線空間，大直徑頂管的使用也逐步增多［1，2］。

頂管作為非開(kāi)挖技術(shù)，在實(shí)施過(guò)程中對(duì)周邊和前方地質(zhì)狀況缺乏直觀了解，在實(shí)施過(guò)程中往往受到各種不良地質(zhì)條件的限制，影響工程的順利開(kāi)展，甚至造成工程事故，影響頂管工程本體和周邊環(huán)境的安全［3，4］。

河流沖積平原地區(qū)的河漫灘，常存在深厚砂土地層，沉積年代短、密實(shí)度低、滲透性強(qiáng)、地下水位高，成為地下工程建設(shè)的難點(diǎn)。

本文結(jié)合在松散砂性土層中實(shí)施的大直徑頂管工程實(shí)例，在公式法和數(shù)值法計(jì)算預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，分析了頂管始發(fā)后造成地層塌陷的原因，提出有針對(duì)性的處置方法和后續(xù)復(fù)頂施工措施，保障了該工程的順利完成，并根據(jù)分析研究結(jié)果給出類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)和施工建議。

1 工程概況

某大型電力電纜通道建設(shè)工程，為避免施工影響城市交通，采用頂管工藝建設(shè)主管道結(jié)構(gòu)。頂管建設(shè)場(chǎng)地緊臨繞城高速公路油坊橋立交，該立交為城區(qū)重要交通樞紐。頂管線路全長(zhǎng)約139m，頂管內(nèi)徑2.6m，外徑3.12m，頂管下穿該處立交的地面匝道及下層地面道路主線。頂管下穿道路位置，管道上方覆土厚度約9m，頂管穿越的路徑范圍內(nèi)無(wú)其他相交或平行的地下管線，平面位置如圖1 所示。

圖1 頂管平面位置（單位： m）Fig.1 Plan location of pipe jacking（unit：m）

頂管采用泥水平衡封閉式機(jī)頭掘進(jìn)，刀盤(pán)開(kāi)口率約9%，刀盤(pán)上配置的刀具主要為刮刀和貝殼刀，采用人工造漿作為渣土改良泥漿，渣土改良泥漿經(jīng)處理后循環(huán)使用。頂管本體采用企口連接的預(yù)制鋼筋混凝土管節(jié)，接口采用鋼環(huán)橡膠止水，管節(jié)管壁上預(yù)設(shè)注漿孔，實(shí)現(xiàn)減阻泥漿和工后置換注漿的實(shí)施。

2 工程地質(zhì)概況

建設(shè)場(chǎng)地隸屬長(zhǎng)江河漫灘地貌，沿線地勢(shì)總體起伏不大。頂管下穿高速匝道位置從上至下土層依次為：①2層素填土（包含道路面層和基層），稍濕，松軟，以黏性土夾少量碎石及植物根莖組成，欠固結(jié)；②1粉質(zhì)粘土，可塑，含少量鐵錳質(zhì)氧化浸染，稍有光澤，韌性、干強(qiáng)度中高；②2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，軟～流塑，偶夾薄層粉土，水平層理不明顯，含腐殖物碎片，稍有光澤，韌性、干強(qiáng)度中高；②3粉砂夾砂質(zhì)粉土，粉砂飽和，稍密狀為主，顆粒組成中等均勻，砂質(zhì)粉土很濕，稍密狀為主，搖振反應(yīng)迅速，干強(qiáng)度及韌性低；②4粉細(xì)砂，飽和，稍密狀為主，礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，云母次之，顆粒組成中等均勻；②5細(xì)砂，飽和，中密狀為主，局部夾少量粉砂及中砂，礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，云母次之，顆粒組成中等均勻；③細(xì)砂，青灰色，飽和，密實(shí)狀為主，局部夾少量粉砂及中砂，礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，云母次之，顆粒組成中等均勻。土層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical indexes of soil layer

場(chǎng)地巖土層分層狀態(tài)明顯，地下水位較高。粉土砂土層相對(duì)較為松散，剪切擾動(dòng)將造成其物理力學(xué)性質(zhì)迅速發(fā)生變化，外界擾動(dòng)引起的超孔隙水壓力也將劣化土體結(jié)構(gòu)。

3 頂管與周邊環(huán)境的位置關(guān)系

3.1 頂管下穿的道路

頂管下穿的道路為高速公路匝道和地面主線，其中頂管始發(fā)后穿越的匝道為單向雙車(chē)道加緊急?？繋У孛婢€，匝道全寬約9m，隨后穿越的地面道路主線全寬約60m。該匝道及道路主線均為填方路基，建成約8 年，平時(shí)車(chē)流量較為飽和，穿越節(jié)點(diǎn)位置道路下方無(wú)其他市政管線。

3.2 頂管所在地層位置

根據(jù)匝道下方頂管埋深，結(jié)合該處地層分布分析，頂管本體位于②4粉細(xì)砂和②5砂層內(nèi)，頂管頂部距離道路結(jié)構(gòu)層之間為②3粉質(zhì)粘土和②2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，屬于力學(xué)性能較差的軟土。

頂管始發(fā)井外圓周范圍及洞門(mén)外徑向范圍設(shè)計(jì)采用三軸深攪樁進(jìn)行土體加固處理，圓周加固區(qū)范圍2.5m，徑向加固區(qū)徑向長(zhǎng)度7.5m，寬度10m，豎向保障頂管管節(jié)上下各不小于3m。加固施工超前頂管始發(fā)約60 天。頂管本體和地層的位置關(guān)系如圖2 和圖3 所示。

圖2 頂管-地層橫剖面（單位： m）Fig.2 Pipe jacking-stratum cross section view（unit：m）

圖3 頂管-地層局部縱剖面（單位： m）Fig.3 Pipe jacking-local profile of longitudinal（unit：m）

4 頂管頂進(jìn)中引發(fā)地基塌陷

本工程頂管機(jī)頭通過(guò)始發(fā)井外洞口加固區(qū)后，僅僅掘進(jìn)了不到10m即引發(fā)了較為明顯的地基塌陷，塌陷反應(yīng)極為迅捷，在采取有效控制措施前塌陷區(qū)擴(kuò)大發(fā)展的趨勢(shì)較為顯著，僅3h 就形成了超過(guò)60m2的地面塌陷坑。

4.1 地基塌陷的發(fā)展過(guò)程

4 月22 日約12：00 頂管始發(fā)，4 月23 日約21：00 頂管機(jī)頭通過(guò)加固區(qū)，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)均正常。機(jī)頭進(jìn)入原狀土之后繼續(xù)掘進(jìn)，由于原狀土強(qiáng)度低，掘進(jìn)速度迅速提高。至24 日凌晨1 時(shí)，3h內(nèi)掘進(jìn)約10m。

24日凌晨2 時(shí)左右已掘進(jìn)頂管上部地表出現(xiàn)鍋底狀沉降，目測(cè)可辨。約4 時(shí)，地表瀝青路面開(kāi)始破裂，隨即地表出現(xiàn)塌陷，至5 時(shí)左右形成面積約8m ×8m、最大深度約0.7m 的坑洞，坑洞有緩慢持續(xù)擴(kuò)大的趨勢(shì)。施工單位采用碎石緊急回填坑洞，以防止坑洞周邊土體進(jìn)一步坍塌。為防止頂管機(jī)頭抱死，每隔半小時(shí)間斷性啟動(dòng)一次。

4.2 地基塌陷原因分析

結(jié)合場(chǎng)地地質(zhì)狀況、頂管施工過(guò)程以及地基塌陷發(fā)展?fàn)顩r，分析本工程頂管引發(fā)地基塌陷的主要原因如下：

（1）頂管本體位于高含水粉細(xì)砂地層內(nèi)，該層土體密實(shí)度相對(duì)較低，極易受施工擾動(dòng)，施工擾動(dòng)引發(fā)孔隙水壓力升高，土體結(jié)構(gòu)性急劇弱化。頂管上部覆土為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低的淤泥質(zhì)松軟土，自身成拱能力差，無(wú)法抵御深部土體變形向地表的發(fā)展。

（2）頂管機(jī)頭通過(guò)加固區(qū)后進(jìn)入原狀砂層，由于土體性質(zhì)變化，機(jī)頭姿態(tài)糾偏幅度過(guò)大過(guò)頻，掘進(jìn)速度過(guò)快，造成施工超挖量過(guò)大，施工記錄數(shù)據(jù)顯示，在加固區(qū)外10m范圍內(nèi)的出渣量折算頂管機(jī)頭掘進(jìn)時(shí)超挖量在20%以上。

（3）渣土改良泥漿品質(zhì)控制較差，由于沒(méi)有采用泥砂分離設(shè)備，循環(huán)使用的泥漿粘稠度、密度均未達(dá)標(biāo)，泥水艙壓力不足。

4.3 頂管引起地基沉降的計(jì)算分析

1.沉降槽理論計(jì)算

目前在頂管工程設(shè)計(jì)階段，一般通過(guò)公式法預(yù)測(cè)估算頂管法施工引起的地面沉降，主要采用Peck提出的地面沉降槽理論進(jìn)行預(yù)測(cè)［1］。該理論假定施工引起的地面沉降是在不排水情況下發(fā)生的，所以地表沉降槽的體積應(yīng)等于地層損失的體積，并根據(jù)這個(gè)假定給出了地面沉降量的橫向分布估算公式：

式中：φ為土的內(nèi)摩擦角（°），對(duì)于本工程多層土的情況，按土層厚度取加權(quán)平均值；H 為管道中心至地面的覆土厚度（m）；Smax為頂進(jìn)軸線上方的最大地面沉降量（m）；Vs為超挖量，對(duì)于本工程泥水平衡機(jī)頭超挖量取5%V，其中V 為開(kāi)挖斷面面積（本工程刀盤(pán)直徑約3.2m）。

該方法計(jì)算頂管軸線上方由于頂管掘進(jìn)施工引起的地表沉降約為30mm。

2.數(shù)值模擬計(jì)算

為了與理論計(jì)算相互驗(yàn)證，并對(duì)照工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，反映數(shù)值分析與工程實(shí)際的吻合度，參考文獻(xiàn)［5］通過(guò)巖土工程有限元軟件對(duì)本次頂管掘進(jìn)引起的土體變形進(jìn)行了數(shù)值模擬。頂管管道結(jié)構(gòu)為預(yù)制鋼筋混凝土材料，在計(jì)算中定義為線彈性材料，主要物理力學(xué)參數(shù)如表2 所示。

表2 數(shù)值計(jì)算模型參數(shù)Tab.2 Parameters of numerical calculation model

圖4 數(shù)值計(jì)算模型Fig.4 Numerical calculation model

土體材料選用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。計(jì)算模型取三向各50m，為簡(jiǎn)化計(jì)算，考慮土層均水平分層分布。本工程數(shù)值計(jì)算模型如圖4 所示。

頂管掘進(jìn)中通過(guò)泥水艙的壓力平衡開(kāi)挖面的泥水壓力，平衡壓力按照靜止水土壓力標(biāo)準(zhǔn)確定。數(shù)值模型中通過(guò)定義襯砌的收縮值來(lái)模擬開(kāi)挖引起的頂管周?chē)耐馏w體積損失。本次計(jì)算中分別考慮了正常情況的土體損失5%和較大的土體損失10%，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 5%地層損失下土體沉降變形（單位： mm）Fig.5 5% formation loss soil deformation（unit：mm）

圖6 10%地層損失下土體沉降變形（單位： mm）Fig.6 10% formation loss soil deformation（unit：mm）

計(jì)算結(jié)果表明頂管掘進(jìn)過(guò)程中超挖5%，保障泥水艙有效平衡掌子面水土壓力時(shí)，造成管頂投影正上方地面沉降最大值約為23.2mm，地面沉降量較為顯著的沉降槽寬度約12m，對(duì)地面道路的影響較小。

對(duì)于采用泥水平衡工藝的頂管掘進(jìn)，超挖量達(dá)到10%的情況屬于超挖量偏大，頂管掘進(jìn)造成管頂投影正上方地面沉降最大值約為40.3mm，地面沉降量較為顯著的沉降槽寬度約20m。由于覆蓋層較厚，且路面結(jié)構(gòu)存在一定的剛度和強(qiáng)度，尚不至于引發(fā)較大范圍地基塌陷。

4.4 緊急處理措施

本工程頂管所處地層為密實(shí)度較低的砂層，現(xiàn)場(chǎng)施工已經(jīng)產(chǎn)生了較為明顯的地基塌陷情況，結(jié)合數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，提出了緊急處理措施。

1.頂管上部土體注漿處置

針對(duì)頂管上部覆土相對(duì)松散，但是砂土便于注漿固化的特點(diǎn)，首先對(duì)土體進(jìn)行注漿處理，提高頂管掘進(jìn)影響地層的結(jié)構(gòu)整體性，避免受擾動(dòng)連續(xù)坍塌。注漿深度從頂管頂面以上1m 至路面結(jié)構(gòu)層下方，水平范圍為頂管左右各1 倍管徑，漿液內(nèi)摻入適量水玻璃，提高固化效果。

2.嚴(yán)格控制渣土改良泥漿品質(zhì)

嚴(yán)格使用高性能商品膨潤(rùn)土人工造漿，配置泥砂分離設(shè)備對(duì)出渣泥漿進(jìn)行分離處理。泥水艙壓力按照掌子面靜止水土壓力標(biāo)準(zhǔn)控制，泥水艙壓力升高至靜止水土壓力的1.15 倍時(shí)方可排渣。

3.復(fù)頂施工工藝控制

復(fù)頂施工后，控制頂進(jìn)速度，初始復(fù)頂頂進(jìn)速度30cm／h ～60cm／h，達(dá)到正常時(shí)頂進(jìn)速度控制為0.6m／h ～1.2m／h。采用微欠挖工藝，控制排土量不超過(guò)理論排土量的98%。

4.強(qiáng)化管壁外二次注漿

及時(shí)進(jìn)行管壁外的二次注漿，適當(dāng)提高二次注漿的注漿量至理論注漿量的300% ～500%左右，注漿壓力提高到注漿位置靜止水土壓力的2 倍。通過(guò)及時(shí)充填管道和環(huán)境土體之間的空隙，避免地層損失的影響擴(kuò)散，從而造成地面沉降。

對(duì)于松散砂性土，壓密注漿預(yù)處理具有良好的處理效果和性價(jià)比，在周邊環(huán)境允許時(shí)還可以通過(guò)降低地下水位來(lái)提高松散砂層的密實(shí)性。地層預(yù)處理方式還可選用深層攪拌或高壓旋噴法。本工程后續(xù)約120m 頂管在地層預(yù)處理措施的保障下于兩周內(nèi)順利完成。

本工程復(fù)頂之前在距離頂管始發(fā)井31m處的頂管上方地表橫向測(cè)線上取6 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置如圖7 所示。圖8、圖9 顯示了上述這6 個(gè)測(cè)點(diǎn)在復(fù)頂后的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，本工程頂管施工實(shí)際造成的地面沉降均大于Peck 法和通用性巖土工程有限元軟件計(jì)算預(yù)估的結(jié)果。筆者分析認(rèn)為Peck 法計(jì)算沉降槽，主要假定土體為不排水狀態(tài)的連續(xù)介質(zhì)，通用性巖土工程有限元軟件對(duì)土體的假定也認(rèn)為其是連續(xù)介質(zhì)，對(duì)于透水性較好的松散粉性土和砂性土，其連續(xù)性相對(duì)較差，地層損失造成的開(kāi)裂和連續(xù)坍塌，使其局部乃至整體喪失了作為連續(xù)介質(zhì)的計(jì)算假定，計(jì)算與工程實(shí)際的吻合度相對(duì)較低。對(duì)于松散性砂土地層，由于其結(jié)構(gòu)較差，且頂管擾動(dòng)造成的孔隙水壓力升高會(huì)進(jìn)一步削弱土體的結(jié)構(gòu)性，引起土體損失的持續(xù)擴(kuò)大。顯著影響范圍大于傳統(tǒng)認(rèn)為的1.5 倍管徑。綜合上述原因，本工程發(fā)生了計(jì)算預(yù)估值明顯偏小的情況。

圖7 復(fù)頂后典型測(cè)量斷面位置（單位： m）Fig.7 Typical measurement section position after topping（unit：m）

圖8 復(fù)頂后典型測(cè)線地面沉降曲線Fig.8 Typical ground settlement curve of survey line after toppling

圖9 復(fù)頂后典型測(cè)線橫向地面沉降分布Fig.9 Distribution of lateral land subsidence on typical survey line after topping

5 結(jié)論

本文結(jié)合某松散砂土地層內(nèi)頂管施工造成地基塌陷及其后處理的工程實(shí)例，對(duì)施工病害事故產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析并通過(guò)Peck 法和數(shù)值法對(duì)施工引發(fā)的土體變形沉降進(jìn)行了計(jì)算。

在理論分析和工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算結(jié)果，本文提出有效的緊急處置措施，保障了后續(xù)復(fù)頂施工的順利進(jìn)行，主要研究結(jié)論如下：

1.對(duì)于類(lèi)似工程如受限于功能和規(guī)劃，頂管路徑無(wú)法規(guī)避松散砂土地層，應(yīng)綜合考慮松散砂層物理力學(xué)特性和場(chǎng)地施工條件，在頂管實(shí)施之前對(duì)松散砂土地層進(jìn)行預(yù)處理。

2.密實(shí)度不高于中密的砂土地層中頂管作業(yè)極易引發(fā)持續(xù)性土體流失，在施工記錄不嚴(yán)謹(jǐn)時(shí)難以覺(jué)察。

3.為有效控制泥水艙的壓力，機(jī)頭壓力傳感器數(shù)量應(yīng)不少于3 個(gè)，分布在機(jī)頭不同位置，便于實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)壓力水平。

4.超挖量控制是控制頂管施工擾動(dòng)的重要參數(shù)，砂層中一般情況下建議采用微欠挖工藝，或控制超挖量不超過(guò)5%。超挖量超過(guò)10%時(shí)將產(chǎn)生較為嚴(yán)重的不利影響。

5.對(duì)于松散砂土中頂管造成地面沉降的預(yù)估計(jì)算，建議設(shè)計(jì)人在總結(jié)類(lèi)似工程數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)頂管設(shè)計(jì)中常用的Peck 法預(yù)估的地面沉降值放大1.5 倍～2.0 倍。

綜上所述，在砂性或粉性土層內(nèi)實(shí)施頂管作業(yè)，當(dāng)土層密實(shí)度相對(duì)較低時(shí)，土體極易受到施工擾動(dòng)而持續(xù)流失，進(jìn)而引發(fā)地層塌陷。工前需要準(zhǔn)確調(diào)查地層信息并熟悉頂管施工工藝，強(qiáng)化施工過(guò)程控制，結(jié)合公式或數(shù)值計(jì)算預(yù)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)在該類(lèi)地質(zhì)條件下的頂管順利施工。本文通過(guò)工程實(shí)例的分析，可對(duì)類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)和施工提供有益的建議。