摘要：近年来，顶管技术在城市污水管道工程中已得到广泛的应用，其不需开挖道路，能够直接穿越地下管线、（地铁）建筑物、河道等在地下实现管道施工，减少对地面人群的干扰和环境的污染。不过在顶管施工过程中，难免会对周边土体产生扰动而引起土体移动，造成地面出现沉陷或开裂等问题，甚至危及地上建筑物和人们的安全。因而，有必要对顶管施工的地面沉降进行严格控制，以确保市政地下污水管道施工的顺利开展。现本文先提出地面沉降风险的因素，并结合工程实例有针对性地对顶管施工地面沉降的控制技术进行详细论述，旨在能够对类似顶管工程有所帮助，提高施工效率。
关键词：市政污水管道；顶管施工；地面沉降；风险控制；安全保护措施
前言
顶管施工是市政地下管道工程一种非开挖的技术，其把需要铺设的管节应用顶管机从工作井逐节顶进到接收井，以实现地下管道敷设的施工工艺。目前，泥水平衡顶管施工工法是市政管道工程中应用较多的方法，其适用于各种复杂的地质层，可以长距离顶进、不需降水，且能够有效控制地面隆沉，施工安全。其中NPD型泥水加压平衡顶管掘进机可以通过合理的注浆方式，有效改良土体，使顶管施工周围保持控制面的稳定性，从而降低地面沉降、变形的风险，确保市政施工的质量与安全。
1 顶管施工引起地面沉降风险的因素
顶管在顶进的时候，通常会因为顶管机周边土体的影响，而导致地表沉降。理论上讲，顶管法施工所导致的隧道周边的地表沉降多表现为主固结沉降和施工沉降。在施工过程中引起沉降的原因有三点：其一，在顶进的时候，因为切口的水压较低、具体出土量比理论出土量高，周边的土体就会逐渐涌至顶管机的正面，造成土层产生应力重分布；其二，顶进过程中，盾尾与管节两者间出现的空隙没有以同步注浆实施及时填补，周边土层就会出现应力释放，对该段空隙实现了填补；其三，在对顶管进行纠偏的时候，土体的一侧挤压，另一侧的附加应力就会释放，造成空隙。另外，对于主固结沉降而言，顶管在顶进的时候，通常会致使土层扰动，隧道周边的土层就会出现超孔隙的水应力，在该部分的应力消散之后，就会造成土层压密。且土层的厚度对主固结沉降有一定的影响，土层越厚，主固结沉降所占的总沉降比例就会越大。
2 泥水加压平衡式顶管机对地面沉降控制的特点
泥水加压平衡式顶管机适用的土质范围较广，可以在地下水的压力比较高，且土质变化较大的环境下应用。同时，此类顶管机能够有效确保泥水仓当中的泥水不流失，还对顶管施工周边的土体影响较小，易于控制地面的不良沉降，并实现连续的出土作业，因而顶进时可以保持较快的速度。还有，顶管机实施偏心转动的时候，通常会对石块、泥土进行首次的压碎，同时多边形的刀盘各个边都会和多边形的泥土仓体的各个边之间还能形成更强大二次破碎。除此之外，多边形的泥土仓内部设置了多个高压水的喷嘴，高压水能够对粘土实施粉碎、切割，以促使掘进机刀盘可以在压力平衡的状态下工作，从而避免挖掘面出现失稳现象，而导致地面的隆起以及沉降。泥水加压平衡式顶管机除了具有双重平衡机理、操作安全、自动化控制高效、泥土仓内的高塑性粘土不易堵塞等优点外，还具备下列的特点：
（1）能够有效控制切土口的大小，同时确保掘进机的刀盘可以处于浮动状态。当前方土压力变小时，刀盘就能够自动伸出，使对应的切土口变小，始终保持一定的力，从而平衡正面的土压力，以有效避免因前方土体塌陷，而导致地面沉降。
（2）当通过含砂量比较大的土层时，可适当增加泥浆浓度，在刀盘与前方土体之间形成一层泥膜，从而有效稳定前方土体，以确保顶进面始终处于最佳的平衡状态，使地表沉降得到控制。
3 工程概况
本工程为配合“广州国际金融城起步区临江大道建设工程”的污水管道迁改工程，该新建临江大道道路工程位于金融城起步区南部临江大道的车陂南路至科韵路段，项目设计道路总里程约1.58km。此次迁改水管线总长为1632m，对现状污水管道的迁改需先于道路和隧道实施前进行。
4 施工重点难点
针对本工程施工总流程为：拆除路面→井边止水帷幕（高压旋喷桩）施工→顶管井施工→管道顶进→回填→路面恢复→截流导水→管道接通。施工工期为270天，工程比较紧凑，必须根据工程施工的重点、难点，认真研究、综合考虑工程地质、工程环境、场地条件等各种因素，制定相应的对策，并吸取工程的设计、施工技术和管理经验，选择先进、可靠的施工技术方案与施工工艺。
为配合道路工程建设的进度，考虑到管道埋深大，且本工程迁改管道部分距离珠江堤岸较近，为确保安全，尽量减少与其他管线迁改和交通疏解工程场地协调，采用泥水加压平衡式顶管施工（如图1所示）。顶管工作井共10个，其中W2、W5、W5a、W6、W11、W14、W15、W17a为圆形工作井，W8和W16a为矩形工作井；顶管接收井共7个，W1、W4、W7、W9、W13、W16、W17为圆形接收井，W1和W17作为污水接驳井连接临江大道原来旧污水管道。同时，本工程有两处过涌段，分别为简下涌（造纸厂涌）和棠下涌，还要穿越琶洲大桥，因此在顶管过程中，要提防冒顶，造成泥水循环失效，机头上升，导致泥浆污染河涌，顶进失败。还有，对于施工范围内及邻近的各种地下管线和（地铁）构筑物，为确保安全，需实地进行仔细调查，周密制定详细保护方案，在未查清勘明每一处建筑基础形式和每根管线前决不冒然施工，地面的沉降控制极为重要。
图1 泥水平衡顶管工作示意图
5 顶管施工地面沉降控制技术
在市政管道顶管施工过程中，顶管所导致的地面沉降变形必定会对周边环境造成影响，有时甚至会影响到整个项目的实施，尤其对于本工程途径的施工段中邻近有地铁建筑物，必须要密切注意顶管施工时是否会对营运的安全造成一定的影响。为此，本工程根据施工特点和地质条件选用两种型号的顶管机，包括多边形偏心破碎泥水平衡顶管机，其中“NPD1800+”用于DN2220钢管顶进，“NPD2200”用于DN2200钢筋混凝土管顶进。同时，在顶管顶进过程中，必须切实控制好地层的变形情况（如表1所示），进而防止由于挖掘面的失稳，造成地面沉降或隆起的现象发生。
5.1 控制地面变形值的施工要求
（1）选择具有平衡功能的合适工具头，以有效减少地层损失，造成地面沉降。
（2）根据施工地质条件、不同的顶管机和顶进方法，确定压力平衡技术相关的参数，并制定开挖面的稳定技术措施，控制好超挖量。
（3）顶进过程中应及时用触变泥浆进行注浆，填充管外壁与土体之间的间隙；在施工完成后，还需及时采用水泥浆置换膨润土浆液，以增加土的屈服应力，从而有效减少土体的塑性变形。
（4）在管道顶进时，控制工具管前进的顶力方向，根据测量结果分析偏差产生的原因和发展趋势，及时确定纠偏的措施。如对于角度纠偏，可采用小角度逐渐纠正；也可以在工具管旋转时，利用改变切削刀盘的转动方向，或者在管内相对于机头旋转的反向增加配重进行纠偏。
（5）顶进过程中，要尽量避免管节本身、管节接口、工作井洞口及顶管机尾部等部位的泥水渗漏，以及确保管节接口端面完好。
5.2 地面沉降风险控制措施
（1）做好工具管选型
为防止路基下沉，应采用合适的工具管，因其能够起到有效阻止开挖土方面出现坍塌和防止道路地面出现下沉的作用。在穿越部分道路路基时有可能有不明地下障碍物，因此根据该工程的特点选用工具管是具有较强的排障能力。同时，由于本工程管段主要在淤泥质粉质粘土层与淤泥质细砂层，而且地下水埋深浅，地层中的水相当丰富，在这一特定的地质条件要求选用了封闭式的工具头。
（2）严格控制顶进技术
顶进过程中的速度注意不宜太快，通常要控制在0~50mm/min的范围内，尽可能确保均衡施工，防止途中耽搁时间较长。同时，需要对顶管的实际出土量进行严格控制，避免欠挖和超挖；还要对顶管的顶进纠偏量实施严格控制，尽可能减少对土体产生扰动，且需要确保压浆的持续与均匀，以此使建筑的空隙得到有效填充，确保管道上面土体稳定性。
（3）防止路面沉降、塌陷技术措施
①顶管在施工前需要做好相应的施工准备，对工班实施技术以及安全交底，以此从思想上确保施工质量及安全意识；
②确保管材选择的优质，通常要对到场的材料实施有效的现场检查及验收，不合格的管材进行退回；
③材料的有效供应，起顶前需要做好相应的材料计划，并准备好充足的余量，顶管工作实施后的3天之内，确保管材到场；
④顶管在实际施工前，需要通过M12膨胀螺栓以及环形压铁对洞口进行固定，且中心的偏差需要低于3mm，压实避免漏水，并在洞口的内侧增加相应的橡胶止水圈，从而使洞口内的水可以外漏。
⑤顶管在实际施工中，需做好相应的注浆减磨，并对触变泥浆的优质材料进行选择，注浆的压力需要控制在0.5~0.7Mpa，并按照地面变化以及地下水位状况等相关因素，对注浆量以及压力实施及时调整，并对每日的注浆量做好相应记录，以此作为对地层损失实施分析的依据，且注浆工艺通常需要由专人实施负责，以确保管路以及注浆设备的可靠性；
⑥顶管在实际施工中，需要做好相应的换浆工作，在F管完成顶进后，及时进行换浆，通常以3天作为一周期，并根据设计的水灰配比，将配好的水泥浆通过注浆孔注入，首先将顶管前首节注浆空进行打开，确保膨润土的泥浆可以流出，直至水泥砂浆可以流出，然后将注浆空塞上，换浆之后的F管周边需具有充分的水泥浆，通过一段时间之后，将粉砂土融入到水泥浆中，使图纸能够与管壁相结合，确保不会产生塌陷现象；
⑦顶通之前需做好相应的洞前准备，机头在出洞之后，需要管道与机头之间有效分离，及时将机头吊出井外，并对井内的泥浆以及洞口的封门止水进行及时处理，以确保洞内的水量以及土体不流失，确保对管道沉降进行有效控制；
⑧顶管的路面需要设置相应的观测点，其间距通常为2m，按照顶进的位置，每1H实施不间断测量，如果发现沉降处高于3cm，就需要及时停止作业，然后找出原因，确定相应的施工措施，对于高速公路的部分，需要与公路政部门联系，代为测量；
⑨管道在实际顶进中，要做到相应的勤测勤调，并将轴线与高程之间的距离控制在4cm左右，确保钢管的有效推进。
（4）地面沉降监控
在顶管顶进过程中应对地面实施沉降监控，并严格按以下要求进行监控：
①在施工的影响区外侧设置基准点的监控点，通常具备显著的防干扰以及通视效果。
②沉降的观测点需要沿着顶管机的前进轴线，实施对称布置，布设的实际尺寸需要与顶进试验相结合，并根据施工设计进行确定。
③对构筑物、建筑物等实施监控保护。
④管道的完成段需持续观测其沉降，并确定相应的观测时间以及测量方案。
⑤对顶管施工中每次测量的数据进行准确填写，并进行完整记录。每次监控、测量产生的轴线误差，以及地面沉降的数据，及时实施纠偏。
6 安全保护措施
本工程施工段周边均为住宅区，在施工过程中应注意采取必要的安全保护措施。首先，根据施工技术规范要求，对沿线影响范围内布好各种管线检测点，同时对重点地段，危险区域增加监控点的布置，在关键的管线上用红油漆做出标记。其次，施工监控是顶管施工的重要环节，准备对地表沉降、水平位移及应变、沿途建筑物高程，位移、裂缝观察，建筑物墙身，地板的倾斜，公用管道的应变等方面认真监控，用检测数据及时反馈指示施工参数的调整。还有，考虑到施工段影响区域地质条件，地下管线及地面建筑物地差异，如果万一顶管施工对周围路面及结构物产生一定的影响，必须多方共同商议保护措施。如隔断法、地基加固法、结构补强法及注浆等。对于地下管线的保护，可采取在量测监控条件下分层注浆、或开挖暴露管道等方法。总之，保护措施始终坚持“经济支出少，加固效果好，施工方案简易”的原则实施。
7 结语
总的来讲，在市政管道顶管施工的顶进过程中，引起地面沉降的因素是多方面的，各监理应该做好施工阶段质量的监督、检查、验收工作，施工前应做好地质勘查、顶管机选型、线路优化等方面的工作，施工过程中要把握好顶进的参数，能够及时进行纠偏，并通过沉降监测的数据，科学地指导施工的全过程，以确保工程质量与安全。
参考文献：
[1] DBJ/T15-106-2015. 顶管技术规程（广东省标准）[S]. 北京：中国城市出版社，2016.
[2] CJJ6-2009. 城镇排水管道维护安全技术规程[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.
[3] GB50268-2008. 给水排水管道工程施工及验收规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2009.
论文作者:陈亚军
论文发表刊物:《防护工程》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/13
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