土压平衡顶管隧道邻近房屋施工技术

耿英宸， 张昊然

(1.中化学路桥建设有限公司，北京 101100；2.北方工业大学土木工程学院，北京 100144)

现阶段，大多数城市的市政管线由于之前施工方法的落后都是直接埋在地下，维修需要占用大量的时间、人力以及交通资源，综合管廊的出现则很好地解决了这一问题。但是，复杂环境下的管廊建设并不容易，修建管廊对已有建筑、管线的扰动不可避免，必须采取相关技术以减少对地上建筑及周边管线的影响。

现阶段，国内外的专家学者对于土压平衡顶管隧道邻近房屋施工进行了一定的研究[1-5],但是邻近房屋的土压平衡顶管隧道的施工工艺控制研究较少，本文以西安市某地下综合管廊项目为背景进行相关分析，成果可为相关工程提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

该地下综合管廊工程位于西安市朱宏路，南起北二环，北至凤城十路，位于西安市经开区朱宏路东侧规划绿带内，在凤城一路至凤城二路段。为避开蓝箭小区和文物控制区，管廊采用顶管加明挖方式，布置于朱宏路东侧辅道路缘石与蓝箭小区围墙之间的人行道及绿化带下。顶管连接段净空间长17 m、宽8 m、深10.6 m；顶管长度280 m，顶管内径3 500 mm，壁厚320 mm，埋深11.6 m。

1.2 地质条件

始发井位于杂填土与黄土状粉质粘土层区域，顶管全段位于黄土状粉质粘土层区域。涉及的地下水埋深17.8～18.4 m，属潜水类型，地下水主要赋存于砂类土中，属孔隙性潜水。顶管段及始发井深度16.2 m以上，不需降水措施。地质环境属中等复杂，地面塌陷、地裂缝等地质灾害不发育，勘察场地范围内无地裂缝穿过。

1.3 工程重难点分析

该工程顶管位置距朱宏路东侧辅道及蓝箭小区居民楼平面距离较近，顶管顶距朱宏路地面11.6 m，距蓝箭小区地下室底约7 m，如图1所示。

图1 顶管位置(单位：m)

此外，顶管位于现有10 kV电缆沟下，顶管顶距现有电缆沟底6.7 m；顶管左侧约5 m处有一条污水管，埋深10 m；左侧约10 m处有一条天然气管，埋深9 m。

施工过程中如何避免对土体的过大扰动变形和工后沉降，以防止上部土层中既有管线的过大变形和地表房屋的开裂是本工程关注的焦点。

1.4 工法选择

结合当地地质条件、施工条件，本工程采用机械(土压)平衡顶管机进行施工。单次掘进距离2.5m，其中管节长度2.5 m，钢筋采用C14、C12两种规格；混凝土设计为强度等级为C50、抗渗等级P10、抗冻等级F100的补偿收缩混凝土。

2 施工阶段Midas模拟分析

为确保顶管施工期间地上建筑及周边管线安全，运用Midas-GTS有限元软件对顶管施工的环境影响进行了分析预测。

模拟选取顶管位置与周边建筑物距离最近一段工况，模型尺寸为50 m×50 m×20 m，顶管内径尺寸以及与周边管线、地上建筑等位置情况与实际相同。管道、隧道衬砌、建筑物结构底板采用板单元模拟，建筑物桩采用梁单元模拟，具体参数如表1所示。该模型自重荷载、边界约束条件通过静力边坡分析自动添加。计算模型如图2所示。模拟过程中，由于要保持掌子面的平衡，土仓压力应与开挖面静止土压力、水压力之和平衡，即土仓压力等于迎面阻力144 kPa。触变泥浆带来的摩擦阻力的改变考虑进管道外表面的综合摩阻力之中。

表1 结构参数

图2 计算模型

模型采用施工阶段的求解类型，整个模拟计算过程包括22个施工阶段，具体内容见表2。

表2 施工阶段步骤

开挖完成后，地表沉降情况如图3所示。地表总体沉降7～11 mm，其中隧道洞口处的沉降最大为14.5 mm，临近房屋处沉降也明显大于其他位置。针对上述问题，对模型做出相应调整，施加如下控制工艺：①对洞口位置进行注浆加固，模拟施工阶段2激活。②邻近建筑物时，顶推力增大30%以减少建筑物沉降。模拟完成后，地表沉降情况如图4所示。地表沉降得到有效控制，减小了3 mm左右，隧道洞口沉降减小为8.6 mm，另外邻近房屋处的沉降也得到控制，与其他位置相差不大。在本次模拟中，左侧污水管道、天然气管道、建筑物底板位移情况如图5～图7所示。污水管道水平位移2.3 mm、最大沉降1.4 mm；天然气管道水平位移1.2 mm、最大沉降0.4 mm；建筑物底板最大沉降6.6 mm，均小于建筑物变形控制标准20 mm(控制标准参考国家规范，由业主根据建筑物结构、年限，经第三方评估给出)。顶管隧道施工对于周边管线及建筑物影响均在合理范围内。

图3 地表沉降云图 图4 施加控制工艺后地表沉降云图

图5 污水管道位移云图 图6 天然气管道沉降云图 图7 建筑物底板沉降云图

根据数值模拟结果，提出本次土压平衡顶管隧道的施工工艺控制措施：①为防止洞口位置变形较大，应提前对洞口进行注浆加固，加固范围为左右开挖线外各2 m，深1.5 m，注浆压力20 MPa，浆液比重为1.5。②顶管位置接近房屋时应适当加大土仓压力，根据数值模拟显示，压力增大30%时，沉降最小。③为确保土体稳定应在顶管施工过程中和施工完成后及时注浆。根据数值模拟结果，施工同步注浆压力0.3 MPa，浆液密度1.8 g/cm3；工后二次注浆压力不小于2 MPa。

3 顶进过程计算

3.1 顶力估算

F=F1+F2

(1)

式中：F为总推力；F1为迎面阻力；F2为顶进阻力。

(2)

式中：D为管外径，4.14 m；P为控制土压力。

P=K0×γ×H

(3)

式中：K0为静止土压力系数，此处取0.55；H为地面至掘进机中心厚度，取最大值13.03 m；γ为粉质粘土的天然重度，取20.1 kN/m3。

F2=πD×f×L

(4)

式中：f为管外表面综合摩阻力，此处取8 kN/m2；D为管外径，4.14 m；L为顶距，280 m。

经计算后，总推力F=31 057 kN>25 400 kN(D3 500 mm钢筋混凝土管许用最大顶力值)；需要加中继间。

3.2 中继间数量计算

(5)

式中：f0为中继间的设计允许顶力，取18 MN。

经计算取整，需要添加2套中继间。

3.3 中继间安装位置

根据现场情况与实际施工经验，第1套中继间加在80 m位置处，第2套中继间安装在160 m处，剩余长度顶力为：12 480 kN<25 400 kN，满足要求。

3.4 后靠背承受力计算

本项目后背部位采用单层旋喷桩对井周土体加固。根据管道直径选择墙宽10 m，高5 m，墙厚0.6 m，内衬∅20 mm@150 mm三层钢筋网片，网片生根于底板钢筋，外侧以预制钢后背为模板，两侧支模，内浇混凝土，混凝土强度采用C30。

(6)

式中：R为总推力的反力；A为系数，此处取2；b为后座墙的宽度，10 m；γ为粉质粘土的重度，20.1 kN/m3；H为后座墙的高度，5 m；Kp为被动土压力系数，此处取1.96；c为土的内聚力，33 kPa；h为地面到后座墙顶部土体的高度，11.2 m。

经计算R=74 670 kN>31 057 kN(D3 500 mm管道顶进280 m的最大顶力)，满足要求。

4 工艺控制

(1)进出洞口加固采用旋喷桩技术。结合数值模拟结果，加固范围为离洞口正前方7.0 m，桩长7.14 m，洞口左右两侧各2.0 m。同时，加强管壁后注浆及洞口处的多次注浆，采用水硬性注浆材料，达到迅速控制地表沉降的目的。

(2)进洞施工控制。顶管机前端靠近洞门时，为避免顶管机进洞门过程中因正面顶力过大而造成封门变形、正面土体涌入井内等严重后果，待顶管机切口距封门3 m左右位置时，打开预设在洞门上的2个1寸的应力释放孔，释放部分由于顶管顶进而造成对封门的挤压，并通过应力释放孔对外部土体情况进行初步探查。

在顶管机靠上洞门后，在封门中心位置割出一直径5 cm左右的圆洞；通过此圆洞察看外部土质情况并找出顶管机中心位置；根据顶管机中心位置在封门上实际放样出一个比管外直径大8 cm的圆圈；在通过一段时间的实际观察，认为外部土体情况良好的前提下，迅速拆除预留洞口封堵；迅速顶进顶管机，并同时插下弧形钢板；在顶管机完全脱离洞圈并且首节的管节脱出洞圈30 cm后立即将弧形钢板与第一节管节外侧25～55 cm范围内预埋的钢板焊接牢固。

(3)顶进过程控制。按计算表数值设定，施工时设备自控可保证10%的土仓压力。顶进速度控制在30～50 mm/min，入洞后的前10 m以及纠偏时用较低速度，以后视出土情况、刀盘扭矩情况适当加快顶进速度。

初始顶进每1 m测量一次，并做记录。正常顶进时，每顶进3 m测量一次，遇有纠偏每1 m测量一次，测量人员分别绘制出管道中心及高程曲线图，随时预测机头的前进趋势。不断地观察光靶上激光点的行走轨迹，如发生偏移大于20 mm、预测机头又有向偏差大的方向发展的趋势时，要采取纠偏措施。

(4)顶进间注浆。注浆分为机头携渣注浆和管道减阻泥浆两部分，泥浆由地面液压注浆泵通过2寸(1寸=3.33 cm)管路压送到各注浆孔。在机头处安装隔膜式压力表，以检验浆液是否到达指定位置，在所有注浆孔内要设置球阀，软管和接头的耐压力5 MPa，支管通径为1寸。当管道进洞后，先由顶部注浆孔开始注浆，当左下侧和右下侧的注浆孔开始向外溢浆时，开启下侧两个注浆阀门，开始注浆。在出土过程中(未顶进)或安装管节时，随时进行补浆，以保证管外壁的浆液饱满。浆管前端的正常压力控制在主动土压力与被动土压力之间。

(5)穿越房屋时措施。结合数值模拟结果，同时根据现场施工监测情况，在施工过程中下穿道路、离构筑物较近时，土仓压力设定应适当加大15%～30%左右，以提高安全系数。同时保证匀速顶进，减小对土体造成的扰动。整个施工过程中以及施工后半个月对房屋周边地表情况进行密切监测。

(6)工后注浆。管道线位在现状道路下方，管道敷设土层存在扰动土施工完毕后管顶上方扰动形成的空洞，将会引起路面沉陷。为了管体周围、地基土体稳定，采用雷达对空洞进行探测，及时发现空洞，通过管道外壁进行注浆加固，压入1∶2的水泥浆。注浆采用机械搅拌水泥浆，电动注浆泵压力灌注，注入压力不小于2 MPa，并保压3 min，保压完成后及时封堵注浆孔，逐孔灌注，直至全部孔位注满。

5 实测施工效果评价

现场施工过程中，为了及时掌握各项工艺状态和对环境的影响，进行了一系列的监测，包括土仓压力监测、地表沉降监测和定期巡视。

图8为本次施工过程中土仓压力的变化曲线。图9给出了沿隧道轴线地表沉降曲线，图中所得数据测点沿顶管隧道轴线走向每2.5 m布置一处。由图可见，顶进过程中，隧道轴向上方地表存在不同程度的隆起和沉降，其变化幅度与数值模拟结果相近，大致限制在10 mm以内，而工后最大沉降值控制在15 mm以内，均小于建筑物变形控制标准20 mm。因此说明施工对环境影响很小；对房屋和管线地基土体进行雷达探测和巡视的结果表明，未出现任何异常，图10为顶进工作完成后半个月的蓝箭小区地表，一切正常，未产生地基空洞和地表开裂现象。

图8 土仓压力变化曲线

图9 地表沉降曲线

图10 蓝箭小区地表

6 结束语

本工程采用土压平衡顶管工艺，结合Midas-GTS有限元软件分析，在地表房屋斜下方成功地实现了近接穿越，在保证房屋和管线安全的前提下，实现了电力隧道的高质量建设。回顾整个施工过程，有以下几点经验值得总结，便于在类似工程推广：

(1)对工程难点与重点的准确理解是制定施工方案的基础。由于是近距离下穿房屋，所以如何设定和控制好顶推力，做好顶进间注浆和工后注浆是抑制土体扰动进而防止房屋过大沉降的关键。

(2)施工过程中对于顶进速度、刀盘扭矩、土仓压力、姿态监测、注浆压力以及地表沉降等数字化信息的及时获取和做出工艺反应至关重要。

(3)土压平衡顶管施工属于工厂化作业，地表沉降的控制效果也取决于整个工艺流程的顺畅性。这一方面取决于勘察阶段对于隧道围岩状态的精确掌握，避免顶进过程中出现意外障碍物；另一方面取决于各个工艺的平稳衔接，以避免停车时间过长而导致地表沉降过大。