泥水平衡法顶管施工穿越高速公路的沉降监测

摘要:本文结合大管径顶管穿越高速公路工程实例,分析了施工沉降主要原因,对工程沉降进行预测,提出控制沉降技术措施,并经实际沉降监测得到验证.工程施工沉降量各项指标满足要求,项目取得了良好的社会效益和经济效益.

一、工程概况

广州市北部水系建设白云湖引水渠工程途经广清高速公路和两条收费匝道，项目设计采用倒虹吸结构下穿高速公路。整个倒虹吸结构总长267米，最大埋深9.5米。两侧采用箱形闭合结构和U形开口结构与引水干渠顺接，下穿高速公路采用四条直径2.8米的钢筋混凝土管，采用泥水平衡式顶管掘进工艺。四条顶管并排，施工难度较高，沉降影响着公路行车安全，公路管理部门对顶管施工沉降控制要求极高，必须控制在30MM范围之内。

倒虹吸结构布置在高速公路的路堤以下的原状土中，全断面位于中粗砂层中。砂层级配一般，粒径3~5mm，干密度1.66g/cm3，比重2.65，标贯击数N=14（平均）。地下水位在原地面以下1.5m左右。地下水主要富存于砂层中，受大气降水或地表水补给，水量丰富。

图1：倒虹吸结构穿越高速公路示意图

二、顶管施工沉降预测

为较为准确合理地预测顶管施工对广清高速路面沉降的影响，采用MIDAS－GTS2.0岩土与隧道大型有限元分析软件对位于广清高速道路下顶管的进行二维平面建模分析，见图2。其土体参数及水位高度均采用实测值，路面荷载采用20kN/m2。为了更好的模拟施工阶段对广清高速的影响，将计算过程分为两个阶段：阶段一，地基初始阶段，即隧道开挖前整个岩土体应力位移分析，并将位移清零；阶段二，施做顶管，顶管外径3.4m，厚度0.3m，并考虑顶管外壁与周围土体之间存在3cm的触变泥浆，见图3，图中青色网格外轮廓线为顶管外壁，黄色网格为触变泥浆。

图3 顶管与触变泥浆数值模型

图4为顶管过程中的模型竖向位移DZ即沉降，由图中可知，路面的位移最大值出现在顶管正上方，其值为5.5mm；管顶位移最大值出现在顶管正上方，其值为11.2mm。

图4 施加顶管后竖向位移（DZ）图

三、沉降位移监测

观测工作分两个阶段，第一阶段是施工监测期，主要任务是监测顶管施工期间地表的沉降量以及基坑水平位移是否满足设计要求；第二阶段是稳定观测期，目的是跟踪工程完工后施工影响范围内的地表和地表设施的沉降趋势，了解工程的最终影响是否结束。

图5：顶管施工监测点布置图

1、 观测点安装

观测点的布设（见图5），地面沉降监测点合计39个，基坑水平位移监测点31个，材料采用长10厘米，直径1厘米的圆顶不锈钢，安装在监测主体高速公路路沿上（见图6）。

图6：监测点安装示意图 图7：基准点埋设示意图

2、 基准网的设置

沉降观测基准网：基准点点数不应少于3个，位置应选在变形区影响范围以外，且稳固易于长期保存的地方，施工期间监测网须每月复测。本项目首级监测网设置3个高程基准点，测量途中埋设4个工作基点。基准点的标石埋设（见图7）在原状土层中，采用浅埋式砼基本水准标石，要求远离影响区。

3、沉降观测

沉降观测按三等几何水准测量方法往返测量，采用莱卡N3精密水准仪配合合金钢尺进行观测。每次观测时采用相同的图形（观测路线）和观测方法，使用同一仪器和设备，并固定观测人员，在基本相同的环境和条件下观测。

4、 观测周期

监测期第一阶段是顶管施工期间，每天监测3次；第二阶段是施工后期，每天监测1次。两个阶段监测过程均未发现沉降异常。最终共完成了水平位移监测500点.次；垂直位移2599点.次。

6、观测成果

顶管施工期间，48个监测点的沉降速率中有25个监测点大于0.04mm/d，最大沉降速率为0.056mm/d。实测施工时段顶管位置高速公路沉降测点最大沉降量为17.2mm（见图8）。

图8：施工期间顶管公路段沉降观测记录

四、沉降分析及技术措施

顶管施工过程中，前方土体受到挤压有向上向前的移动趋势，顶进速度控制不当易产生地表面隆起，如果超挖或泥水开挖导致管道外壁与土体之间形成一定空隙，周围土塌落，则产生地面沉降。高速公路发生地表面隆起或沉降均影响交通安全，采用技术措施如下：

1、地基处理减少沉降敏感区域：经过计算现状高速公路主线下方的承载力比较高为735.7kPa，路基两侧下方的持力层承载力较低，为238 kPa，路基相对主线对沉降较敏感。为减少顶管差异沉降，处理措施采用旋喷桩基础处理，布置桩径为0.6m，间距为1.5m旋喷桩。处理后复合地基承载力达到382kPa，承载力达到设计要求。

2、触变泥浆控制

触变泥浆在泥水平衡顶管施工中起到减少摩擦阻力，填充空隙和支承土体的作用。触变泥浆用膨润土，纯碱，CMC以及水按不同的比率配置而成的，顶管期间需随时检测调整触变泥浆的配置质量。实践总结触变泥浆最佳配比为膨润土：CMC：纯碱的重量比等于1000：60：8，膨润土：水的重量比为1：6。

3、顶进速度压力控制

顶进过程可通过操作台控制顶进速度和顶进压力，使迎面土压力保持在主动土压力和被动土压力之间，当压力控制适当，地面沉降及隆起量能得到有效控制。

4、顶进后注浆填补土体空隙

在顶管完成后，特别要加强道路路基下方的补浆，可通过顶管上方的注浆孔注入水泥砂浆，填补道路路基基础四周土体的空隙，并使地面沉降尽量恢复到顶进前的状态，以保证现有道路的使用安全可靠。

五、结语

顶管工程穿越高速公路，工程沉降影响着公路行车安全，公路管理部门对顶管施工沉降控制要求极高。本项目利用有限元分析软件对沉降进行预测，通过在设计阶段采取方案优化；在施工阶段强化管理、质量控制等一系列措施，最终将施工期路面沉降量控制在允许范围内，主要技术指标均满足了要求。为今后的同类项目施工积累了经验，有一定的借鉴价值。

参考文献：

【1】《广州市北部水系建设引水渠穿越广清公路倒虹吸工程位移监测分析报告》（穗水科测字〔2010〕01号），广州市水利科学研究所，2010 年07月

【2】《广清高速主线扩建路基对顶管影响分析报告》，广东省建筑设计研究院2008年3月

【3】余彬泉、陈传灿，顶管施工技术，人民交通出版社，北京，2003年

【4】广州市北部水系建设广清顶管设计书，广东省建筑设计研究院，2007年

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。