控制机械顶管地表沉降技术

1　工程概况

马来西亚吉隆坡城市污水处理D43标（南区）顶管项目位于马来西亚吉隆坡市，是吉隆坡市政污水管网系统新建改造工程的一部分。吉隆坡位于马来西亚的西马，地处马来半岛南部，北与泰国接壤，南与新加坡隔柔佛海峡相望，东临南中国海，西濒马六甲海峡。本工程主要位于吉隆坡市北部的Kepong、Jinjang、Batu区。主要工程量如下：D43标段南区包括排水管线总长度约21.8km，其中顶管约18km、开挖埋管3.8km、顶管工作井及接收井271座、钢筋混凝土人孔268座，以及新建管线与现有管网进行连接配套工程。本工程重力管管材主要为钢筋混凝土管及釉面陶土管，压力管管材设计采用低碳钢管及球墨铸铁管。本标段管径300～1500mm共10种口径。

2　工程水文地质情况

本标段所在地吉隆坡市甲洞区，该区属于丘陵地区，土质情况以硬质砂性粉土为主，基岩较浅。本标段顶管深度范围在3～15m，初步的地质资料显示工程将穿越的地下20m以上代表性土层情况见表1。

表1　代表性土层地质分析表

岩石强度情况：本工程中EPC总承包商就南区部分共有16个探孔，所涉及的岩层均为石灰岩。地质勘察报告中无岩石强度检测报告，仅有岩心采取率TCR及岩石质量指标RQD两项数据。RQD值在30%～85%范围内，岩石质量较差、一般及较好均有，多为一般质量岩石，也有RQD为0的风化石灰岩。岩层深度在地表下7～28m均有出现，多数在13m以下，部分孔位勘测至18m未见基岩。

项目部在项目前期安排地质补堪，对每条管线的每个井位进行补堪及试挖，以确定地下现有管线分布情况，对井位设计进行优化。

3　机械顶管地表沉陷因素

通过查阅大量的文献资料，对泥水平衡管机顶进操作所引起的地表的沉降原因进行了统计和分析，得出了引起地表沉降的原因。主要是由于施工人员对泥水平衡缺乏有效的控制，同步注浆操作不当，中继间密封性能不符合要求和纠偏不当等原因。在引起地表沉降的几个因素中，可以借助一些科技攻关活动来对“中继间密封失效”和“纠偏不当”两种因素进行有效的解决，并且对其操作进行规范化。采用上述方法只能解决上述两种因素所引起的问题。通过对数据信息进行分析和收集，可以从人员、机械设备、物料、法律、环境和测量等方面来对数据信息进行分析，出现“泥水平衡控制不当”和“同步注浆不当”的原因主要是由于施工人员选择的浆液配合比不符合要求和对出土量未进行有效的控制。

4　机械顶管地表沉降控制措施

4.1　采用泥浆套

采用泥浆套不仅能有效地减少管道和顶管机之间的摩擦力，而且还能有效地确保土体的稳定性。一般顶管机外径比管道外经大，在实际的施工过程中能有效地减少其对地质产生的磨损。此外，由于管节在制作和安装过程中存在一定的误差，管节外侧存在一定的凹凸不平，使得顶进摩擦阻力大大增加，在顶进过程中存在一定的纠偏，导致顶管机后面的管节在前进过程中会携带泥土，从而产生较大的空隙。因此，施工人员需要及时进行浆液填充操作，对空隙进行及时的填充，这样才能在管道外围形成完整的泥浆套。

4.2　针对泥浆配合比选取不当的控制措施

施工人员在进行浆液配制过程中，需要确保浆液的粘连度高、稳定性高。因此，在实际的施工过程中按照以下配比来进行浆液的配制。

（1）膨润土矿粉和水按照1：9的比例来进行配制。

（2）膨润土矿粉、纯碱、CMC和水按照104:0.3:1.05:800的比例来进行配制；

（3）膨润土矿粉、纯碱、水按照100:2:300的比例进行配制，充分搅拌后再加入适当的PH-PAM-11水溶液，然后再进行注浆操作。

在实际的施工过程中，按照第1种和第3种方式来进行浆液的配制，这样便与操作，并且符合本工程要求。

4.3　压浆操作

（1）开顶之后，施工人员需要对全线管节进行压浆操作，对于重点部位需要进行密切关注，减少管道和土体之间的摩擦力。

（2）在顶进过程中，施工人员需要对机尾和后部管道进行及时的压浆操作，从而有效地对环形空隙进行填充，有效地控制沉降。

（3）若管道在顶进过程中发生故障停止前进时，施工人员需要对全线进行补压浆操作。重点对管顶压浆进行全面的填充，这样才能有效地控制沉降。

（4）在纠偏操作中，机械设备的头部会对周围的土体产生一定的压力，使机械设备尾部的空隙增大，因此，施工人员需要根据实际情况来进行尾部压浆量的增加。

（5）随着中继间的使用，设备的顶进速度在不断的降低，此时机头会发生下沉现象，施工人员需要及时地托起机头，避免在机头上部产生过大的空隙。

（6）对于特殊地段，需要对压浆压力进行有效的控制。每次压浆量要适当，必须出现冒浆现象。

（7）当顶管贯通后，施工人员需要立即借助水泥粉煤灰砂浆进行有效的固化，从而降低后期的沉降现象。

4.4　针对出土量控制不当的控制措施

（1）施工人员需要根据实际情况建立控制沉降量的模型。

（2）施工人员需要设置土斗，可以实时对出土量进行测量。

（3）在顶进操作中，施工人员需要将理论出土量和实际出土量进行对比分析，以便于根据实际情况来进行调整。

（4）在顶进操作中，施工人员必须通过调整顶进千斤顶的顶进速度和进排泥泵的转速，保持泥水仓的压力略＞土体对顶管机的正面压力。

5　机械顶管地表沉降监控措施

5.1　沉降监测措施

在进行顶管施工时，一般使用Peck法来对沉降情况进行预测，计算公式如式（1）～式（3）所示：

W-沉降槽宽度；i-管道中心至沉降曲线反弯点的距离；β-沉降起弯点和管道外侧起拱点连线与垂线的夹角；Z-管道中心线至地面的距离；R-管道半径

图1　管道以上地面沉降图

5.2　监控测量的测点布置

施工人员在对纵向监控测量点进行设置时，需要设置4～6个监测点，每个监测点距离为3～5m；进行横向监控测量点的设置时，需要在管道中中线和两侧进行检测点的设置，每个检测点之间的距离为2.5～3.5m。在进行检测点设置时，需要将沉降影响控制在要求范围内，并且减少测量数量，可以适当地减少横向检测点，增加一些模拟检测点。施工人员需要根据实际施工情况来进行施工测量的设置，对特殊地段可以进行重点检测。在顶管机头位置出需要进行排侧点的设置，每间隔0.5h进行检测。

6　结语

综上所述，在进行机械顶管施工时，为了降低地面沉降，在施工前需对地表情况进行充分的调查，并根据实际情况选择相应的技术参数，根据施工监测点反馈得到的数据，对技术参数进行调整，并加大测量力度，顶管完成后，需要根据地表地段的具体情况以及允许的沉降要求及时进行加固处理。

参考文献

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[2]郝小红，郭佳．考虑超大断面顶管施工过程的地层变形数值分析[J]．华北水利水电大学学报（自然科学版），2017，38（6）.

[3]房浩，徐伟忠，张瑞菊．复杂环境下顶管施工扰动控制[J]．城市道桥与防洪，2017，（10）.

[4]刘印．顶管施工地表沉降事故的预控管理[J]．建设监理，2017，（7）.

[5]严国仙，蒯军华，张璐璐，等．玻璃钢夹砂管顶管施工监测与分析[J]．建筑施工，2007，（11）.

收稿日期：2018-03-01

作者简介：孙前金（1980-），男，江苏镇江人，中交二航局第三工程有限公司工程师，研究方向：土建及地下工程施工。