富水软土地层大断面矩形顶管地表沉降监测分析

富水软土地层大断面矩形顶管地表沉降监测分析

王 超

（中铁上海工程局集团华海工程有限公司，上海市 201101）

摘 要：大断面矩形顶管技术作为技术成熟的非开挖技术，广泛应用于城市密集区地下工程。本文以南京地铁7号线东青石站地下通道矩形顶管工程为例，介绍了大断面顶管在富水软土地层施工所采取的地表沉降控制措施，并结合地表沉降监测数据，分析了顶管施工期间引起的地层变形规律，研究成果可为类似工程提供参考与借鉴。

关键词：大断面矩形顶管；沉降控制；地层变形

Study on the surface settlement of large section rectangular pipe jacking in water-rich soft strata

Wang Chao

(Shanghai Civil Engineering Co., LTD of CREC, Huahai Engineering Co., LTD, Shanghai 201101, China)

Abstract: As a mature trenchless technology, rectangular pipe jacking is widely used in underground engineering in urban areas. Taking the rectangular pipe jacking project of Dongqingshi Station of Nanjing Metro Line 7 as an example, this paper introduces the surface settlement control measures adopted by large section pipe jacking construction in water-rich soft soil layer, and analyzes the formation deformation law caused by pipe jacking construction combined with the surface settlement monitoring data. The research results can provide reference for similar projects.

Key words: large section rectangular pipe jacking; Settlement control; Soil deformation

0引言

近年来，随着国家经济的快速发展，对城市地下空间建设的需求不断提高。顶管法作为一种类似于盾构法施工的非开挖施工工艺[1]，该工法具有适应性良好、对地层破坏性较小的特点。矩形顶管衍生于传统圆形顶管施工工艺，广泛应用于行人过街地下通道[2-3]、地铁车站出入口过街通道[4]、高速公路[5]、地下车行通道[6]等市政隧道工程，此工艺具备污染低、施工周期短和截面利用率高等优点[7]。由于富水软土地层结构强度低，浅埋条件下大断面矩形顶管施工对于地层扰动影响较为显著，本文以南京地铁7号线东青石站4号出入口顶管工程为例，对大断面矩形顶管施工引起的地表变形特征进行分析，研究结果为相关工程提供参考依据。

1工程概况

1.1 设计概况

南京市地铁7号线东青石站路4号出入口顶管工程位于南京市建邺区梦都大街与泰山路交叉路口以北，主体结构下穿城市主干道梦都大街，采用矩形顶管施工。顶管隧道全长42米，顶管掘进为由北向南2‰的下坡，顶管埋深5.2 m，管片截面尺寸为6.9 m×4.2 m，宽1.5 m，共28节，见图1。

1.2 水文地质条件

出入口顶管施工穿越地层主要为②-2b4淤泥质粉质黏土。灰色、褐灰色，流塑，夹粉土薄层，局部互层状，切面有光泽，无摇振反应，韧性中等、干强度中等，夹少量腐质物，层顶标高7~22.7m，厚度为4.1~22.7m。场区地下水初见水位埋深1.10-3.00m，平均高程4.92m；稳定水位埋深1.20-3.60m，平均高程4.67m。 根据调查，场地地下水主要赋存于填土及新近沉积土层，水位年变化幅度1～2m，场地历史最高地下水位接近地表。

2施工沉降控措施

2.1 出土量

顶管施工过程中，需要严格控制土体切削掌握的尺度，进而控制管内的出泥量要与顶进的取泥量保持一致，以实现管道周围土体的稳定性。正常情况下出土量控制在理论出土量的97%～100%，结合本工程的结构尺寸可以推算出单节管节的理论出土量为37.7 m3，考虑额外加入触变泥浆用于减阻等因素，实际单节管节出土量控制在41 m3左右。

2.2 管节止退装置

矩形顶管机通过推进油缸施加顶推力以平衡开挖面富水软土地层形成的迎面阻力（所谓的土水压力），顶管机停机检修和拼装管节与换顶铁块期间，提供顶力的主顶油缸会局部回缩，此举会造成顶管机在迎面荷载的作用下出现后退现象，如不加以控制势必造成掌子面地层塌陷。本工程在顶管机始发基座两侧各安装一套止退装置来固定已施工管节，通过此方法实现管节后退力传递至止退装置的后支柱，以此达到控制管节滑移的目的。

2.3 土体改良

工程中采用土压平衡式顶管机进行施工，由于实际工况中顶管机穿越淤泥质黏土地层，该土层流变性较强且自稳性较差，因此，需要对掌子面前方土体进行改良，提高开挖地层稳定性。实现土体改良的核心是制备实际所需的改良剂，本工程主要采用膨润土制备改良剂，改良剂试验主要确定膨润土浆液、泡沫剂与土体的配比，拟定初始配比以指导顶管施工。改良剂材料中所配成的泥浆应具有较大的稠度，其C型粘度计值在7000～10000 之间，比重在1.30～1.50之间，泥浆的注入量在15%～30%之间。实际采用的主要配合比如下：膨润土97Kg、粘土392Kg、水712Kg。

3 地表沉降监测分析

3.1 监测点布设

本文选取沿顶管顶进方向三个监测断面共计15个地表沉降监测点参与分析，三个监测断面距离始发井的距离分别为5 m、20 m、35 m。其中，每个断面设置5个沉降点，分别以中线为中心向两侧以5、10m的距离设置地表沉降监测点，具体监测位置布置图如图2所示。

3.2 监测结果分析

各监测断面的累计地表沉降如图3所示，由图可知，DB30监测断面随着顶进环数的增加，整体表现为先急速下降，然后趋于平稳并最终小幅下降的趋势。前期沉降原因是顶管机刚刚到达DB30监测断面，加上顶管机停机检修，施工引起的地层损失迅速表现为地表沉降，致使沉降突然增大；后期出现沉降是因为前期注入的触变泥浆除了局部硬化的部分，其余均以消散至地层，进而导致前期超挖出现的地层损失逐渐显现到地表沉降。

DB31监测断面除了DB31-05、DB32-01监测点整体表现出趋于降低的趋势外，其余监测点整体表现为逐渐增加至趋于平稳。出现此现象主要是因为顶管机在调整至常规顶进速度后，整体顶推力偏高，作用在地层上的荷载非均匀分布，而淤泥质软土强度低，极易造成顶进施工期间出现开挖局部应力集中，进而表现为地表沉降与隆起规律的差异性。整个顶进施工期间出现的最大沉降和隆起值分别为10.8 mm和6 mm。隆起值整体偏高，需要及时调整推进油缸单次伸缩距离。

各监测断面横截面沉降图如图4所示，由图可知，随着顶进环数的增加，DB30、DB31两个监测点关于地表沉降的总体趋势大致相同，整体地表变形非传统形式的凹槽状。对于DB30断面，最大沉降位于DB30-04位置，而DB31断面监测点最大沉降均出现在两侧位置，最大沉降值为10.8 mm，中间部分表现出隆起，最大隆起值接近6 mm。出现上述原因主要是因为推进油缸单次伸缩距离不同，加上注浆压力的影响，顶管机出现一定程度的倾斜和偏离，引起顶管在掘进过程中迎面阻力分布与管壁周围摩擦力不均，加上淤泥质软土强度较低的基本特征，最终导致地表变形较大差异性。因此，相关人员需要及时对顶管机进行纠偏，控制地表沉降在合理的控制范围内。

4结语

本文依托南京地铁七号线东青石站路4号出入口顶管工程，通过工程监测结果，分析了富水软土地层大断面矩形顶管施工引起的地表沉降规律及控制方法，主要结论如下：

（1）顶管施工过程中，通过出渣控制、土体改良和增设止退装置，有效控制了顶管施工引起的地表沉降；

（2）由于顶管机姿态局部偏离和淤泥质粉质黏土的软弱性，地表变形出现明显的不对称性，两侧沉降较大，中心轴线表现为隆起，需要及时控制顶管机顶进姿态。

参考文献

[1] 任凤鸣,袁兵.顶管技术在城市环境保护中的应用[J].湖南师范大学自然科学学报,2007(01):115-118.

[2] 温锁林.大断面矩形顶管施工对环境影响研究[J].中国市政工程,2011(05):37-39+89-90.

[3] 宋杰,侯艳春.上海地铁9号线七宝站矩形顶管法应用与设计[J].山西建筑,2010,36(26):298-299.

[4] 孙亚峰.上海地区某大口径矩形顶管施工周边环境影响监测分析[J].城市勘测,2015(01):165-168.

[5] 刘宗钦,季向明,曹德万.超大截面矩形顶管沉降控制与监测[J].江苏建筑,2021(S2):7-9+21.

[6] 冯栋梁.软土地区超大断面矩形顶管施工地表沉降分析[J].城市道桥与防洪,2021(08):326-328+34-35.

[7] 彭立敏,王哲,叶艺超,杨伟超.矩形顶管技术发展与研究现状[J].隧道建设,2015,35(01):1-8.