山东省青岛市崂山区 中铁二十五局集团第五工程有限公司 266100
摘要：城市地下通道类工程受地面道路、管线和地质条件制约而难以采用明挖法或者矿山法施工时，大断面矩形顶管施工这种非开挖工艺具有显著的优势。在浅覆土条件下大断面顶管穿越城市主干道、地下管线、楼房等建（构）筑物时，需要严格控制地面、管线、建（构）筑物的沉降变形。基于青岛地铁首个顶管施工出入口通道工程实例，论述了浅覆土条件下较大断面顶管施工沉降控制技术要点，为地铁出入口、地下过街通道、综合管廊等顶管施工提供借鉴，有效地进行推广应用。
关键词：大断面；矩形顶管；沉降控制
1工程概况
1.1 工程简介
青岛市地铁四号线劲松四路站B出入口顶管工程为横穿辽阳西路的南北地下人行通道，由B号出入口明挖段始发向车站推进，共49.5m。结构断面内净空尺寸为6m×3.3m，覆土厚度约5.9m～7.0m，推进坡度为-2.02%。钢筋混凝土（C50，P12）预制矩形管节尺寸为6.9m×4.2m，F型接口，采用一道楔形橡密封胶圈止水装置。
B出入口通道下穿的辽阳西路为青岛市城市主干道，道路车流量极大。地下管线众多，包含通信、燃气、军用光缆、国际光缆、供水、电力和排水等14条重要管线。管线距顶管拱顶最小距离约3.015m。通道穿越土层为第⑪粉质粘土层、第⑫含黏性土粗砂层，其中第⑫层为承压含水层。详见图1顶管段地质剖面图及管线位置示意图。
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图1 顶管段地质剖面图及管线位置示意图
1.2 沉降控制要求
沉降控制值参照青岛地铁集团监测管理规定及有关规范给出。各监测项目控制值与警戒值见下表。
表1
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2工程特点
劲松四路站B号出入口矩形顶管通道断面较大（6.9m×4.2m），穿越土层主要为软土层，部分为承压含水层，土质灵敏度高，顶管机易产生磕头或抬升。顶管上方覆土较浅，施工时易发生卸载隆起。为保证顶管上方主干道和大量管线的安全、顶管顺利贯通，地面沉降控制是该工程的难点和重点。
针对项目的重难点，采取如下措施：顶管穿越加固区后设试验段摸索、检验所设定掘进参数的可靠性，在顶进过程中根据监测结果优化确定各项顶进参数。同时严格控制顶管机姿态，降低施工时的纠偏幅度，确保顶管缓慢连续完成穿越施工。必要时施行浆液固化并进行二次补压浆。通过重点保护区域时，增设监测点且加强监测。
3顶管施工前期控制措施
3.1 进出洞口加固
B号出入口顶管进出洞段位于粉质黏土层、黏性土粗砂层，且局部为承压含水层，易产生管涌。为防止始发、到达时水土流失造成洞口沉降甚至地面塌陷，对后靠土体及始发、到达区土体采取加固措施，增强土体强度。在后靠土体和始发洞口使用φ900@600三重管高压旋喷桩加固。加固纵向长度为6.3m、8.6m，加固深度均为冠梁以下15.03m。同时始发前，在洞口设置一道帘布橡胶板，防止顶管机始发时水土涌进工作井内和顶进施工时压入的减阻泥浆流失，保证形成完整有效的泥浆套。
受国际光缆及军事光缆影响，接收端无地表加固条件，采用洞内水平加固方式。利用主体结构钻孔桩桩间空隙埋设袖阀管，注浆采用后退式分段注浆，加固范围为顶管区域上下左右各3m，加固纵向长度为4.0m。加固后土体强度、渗透系数达到要求后进行后续施工。在洞口周围设置降水井，顶管机始发、到达前将水位降至洞门底以下1m。
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图2 B号顶管始发井洞门加固剖面图
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图3 B号顶管接收井洞口加固注浆管平面、横断面布置图
3.2 顶管施工参数确定
3.2.1 正面土压力的设定
根据现场条件和通道尺寸，选用ZY6900×4200矩形土压平衡式顶管机。根据Rankine压力理论计算土压力：
P上＝K0γZ上
P下＝K0γZ下
P上：管道顶部的侧向土压力
P下：管道下部的侧向土压力
K0：土层的侧向系数
γ：土的容重，取19.5kN/m3
Z：上覆土厚度
不同情况下，土压力值理论计算值如下表：
表2
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根据以上理论计算值设定不同情况下的土压力初始值，施工过程中，土压力值随实际顶进参数和沉降监测数据优化。
3.2.2 主顶力的设定
土压平衡顶管机的顶力F0计算方式如下：
F0=πD1Lfk+NF
其中: F0 ：总顶力标准值（kN） D1：管道的外径（m）
fk：采用注浆工艺的摩阻系数，一般取f=2～7kN/m2，暂按7kN/m2
L ：顶进长度（m） NF：顶管机的迎面阻力（kN）
NF=abγsHsab:顶管机的面积（m2）
rs:上覆土重度（kN/m3）
Hs:土的厚度（m），暂取最大值7.0m
根据上述公式进行理论计算，不同覆土厚度情况下，各区段迎面阻力及周边摩阻力值如下表：
表3
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由上述过程可得，B号顶管理论计算最大顶力约1365t。
顶管机机头出始发井，在进入原状土层且正面土压力未建立前，主顶力不宜过大。常规段施工时，主顶力随顶进距离加大而缓慢加大，不能有突变。常规段施工过程中主顶力控制在1200t～1600t之间。
3.2.3 顶进速度和出土量
顶进速度、正面土压力、出土量三者的匹配程度是影响顶管机的施工质量和工作状态的主要因素，因此要尽早找出不同顶进情况下的三者的最佳匹配值。根据地质情况和监测反馈，优化顶进速度，以保证土压力的稳定和出土量的均匀。同时严格控制出土量，保持出土量接近或略大于理论值，避免超欠挖，以免引起正面土体失稳、坍塌、隆起。顶管机开挖面的稳定通过PLC实现自动平衡，当传感器测出的土压力大于设定值，变频螺旋机会加大出土量；反之，减小出土速度。顶管机顶进至加固区域后推进速度控制在5mm/min～10mm/min，正常顶进段控制在10mm/min～12mm/min左右。管内的出土量与理论出土量（43.3m³）基本一致。
4 顶管顶进过程控制措施
4.1 测量和纠偏
顶管机在常规施工时，要高精度控制顶管姿态，确保顶进轴线和横向水平偏差在允许范围内。每管节施工完成后，测量机头姿态，如有偏差立即纠正，单次纠偏量宜小，以防土层出现过大的扰动或管节之间出现夹角。
4.2 管节减阻
为降低土层与管节间的摩擦阻力，在顶进时，利用管节注浆孔向土层中压注减阻泥浆，在管节外层形成一圈泥浆套起到减阻作用，并充实周边受扰动土层。如泥浆套形成效果不理想，不但无法起到有效的减阻效果，且对周边土体扰动很大，增加隧道顶进难度，造成路面及建构筑物的下沉量加大。针对该工程特点，顶管施工中采用厚浆和稀浆相结合的注入方式。厚浆起到支撑作用，稀浆起减阻润滑作用，较易形成完整的泥浆套，避免产生背土现象，可有效减小地面沉降。
稀浆的配比（按kg/m3计）如下：
表4
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厚浆的配比：
厚浆初定塌落度为14～16。初步配比为复合膨润土：水=1：1。
施工时，根据土层情况，试验后调整浆液配比。
稀浆注浆系统采用自动注浆系统+手动控制相结合。厚浆的压入，采用手动球阀控制。
为了确保注浆效果，在黏性土地层中顶进施工时应适当提高注浆量，取计算值的2～3倍。若顶管通道穿越的地层中含有砂性土还要适当提高注浆量，具体数值根据顶进过程中的实际情况进行调整。
V单节=（6.91×4.21-6.9×4.2）×1.5×（200～300%）=0.33～0.50m3。
穿越含黏性土粗砂层过程中单节注浆量调整为0.45～0.55m3，实际沉降符合要求。
同时用喷灯在管节表面烘烤、涂蜡，形成表面隔离层，避免土体粘结其上，有效的减小背土。
4.3 土体改良
隧道部分穿越黏性土粗砂层，根据地质条件和施工经验，采取如下主要技术措施改良土体，更好地建立正面平衡压力，确保顶进的顺利：
（1）在黏性土粗砂中顶进，分别向刀盘面和土仓内加注膨润土或泡沫来改良土层。在施工中根据刀盘扭矩及螺旋机出土的情况进行调整。
（2）穿越承压含水层，富含地下水，根据顶进情况，加大对螺旋输送机内注入的膨润土量，以便螺旋输送机形成土塞效应。涌水较大时，为防止喷涌，注入高分子聚合物。
4.4 设置止退装置
因大断面顶管施工前方阻力大，拼装管节或加垫块时，主顶油缸的回缩容易导致机头和管节后退，打破了机头和前方土体间的土压力平衡，易导致机头前方的土体塌陷，沉降量无法有效控制。在基座焊接H400*400型钢作为止退装置，使用管节侧边起吊孔插入销轴作为支撑点止退，能有效阻止管节的后退，防止土体失稳而造成地面沉降。
4.5 二次补浆
顶进过程中地面和管线可能因同步注浆浆液的收缩变形和沿土体裂隙流失而沉降过大，因此要对沉降过大区域，及时从管节预留的9个注浆孔采用打土泵由外向内分层压补混合浆液。根据监测数据调整二次注浆量，将变形量减至最低。
4.6 加密监测和动态调整
在顶管穿越期间，每4小时进行一次监测，必要时进行全时段跟踪监测，并实时反馈监测数据。若地面沉降监测值报警，根据现场情况和监测数据调整施工参数，操作手按指令推进，根据后续监测验证参数调整是否有效。顶进时信息传递必须及时顺畅，保证信息反馈、参数调整、调整后验证的连续性，形成动态机制，确保推进中沉降控制和施工质量。
5 顶管贯通后控制措施
顶管机头吊出接收井后，用预加工钢板将特殊管节上预留的钢环与钢洞圈满焊，并采用水泥浆进行减阻浆置换，实现浆液固化，防止施工后沉降。
6 顶管工程沉降数据分析
根据监测数据显示，顶管推进结束后，地表沉降和管线沉降均布设21个沉降观测点，最大变化速率为0.85mm/d，累计最大变化量-4.96mm，在控制值（+10～-20）mm之内。沉降数据处于可控范围内。
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图4 监测点累计沉降统计图
7 结语
劲松四路站B号出入口顶管工程通过上述沉降控制措施，成功有效的控制了穿越段道路、管线的沉降，且可达到平均日掘进3米的高工效，49.5m穿越段顶进15天顺利贯通，综合效率是矿山法和明挖法一倍以上，达到了良好的实施效果，充分证明了所采取的沉降控制措施是可靠的，为同类顶管施工积累了宝贵经验。
参考文献
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