張淼

【摘? ? 要】：針對(duì)南水北調(diào)工程頂管穿越天津市外環(huán)線施工過程中導(dǎo)致地面產(chǎn)生過大沉降問題，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)與鉆芯取樣等手段，探明沉降范圍及大小并對(duì)發(fā)生沉降原因進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】：頂管；沉降；無損檢測(cè)；鉆芯取樣

【中圖分類號(hào)】：TU990.3【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C【文章編號(hào)】：1008-3197（2023）03-12-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.03.004

Analysis of the Solid Detection and Road Surface Subsidence Caused

by Pipe Jacking Process

ZHANG Miao

（Tianjin Highway Development Service Center，Tianjin? 300010，China）

【Abstract】：Aiming at the excessive settlement caused by construction of the South-to-North Water Diversion Project， which passes through the outer ring road in Tianjin. This paper uses these methods such as monitoring data analysis， geological radar detection and core drilling sampling to explore the scope and size of the settlement road and analyzes the causes that bring to the settlement.

【Key words】：pipe jacking；settlement monitoring； non destructive testing； core drilling sampling

頂管施工不需要開挖面層，能夠穿越公路、鐵道、河川、地面建筑物、地下構(gòu)筑物以及各種地下管線等[1]；因節(jié)約征地拆遷費(fèi)用、減少對(duì)環(huán)境污染、降低道路的堵塞等方面具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，越來越多用于各種管線和通道的建設(shè)中。頂管施工中，特別是在粉土、粉砂地層中，一旦出現(xiàn)涌水、冒砂等施工問題時(shí)，如處理措施不當(dāng)或處理不及時(shí)，將會(huì)引起的地層擾動(dòng)，導(dǎo)致地面出現(xiàn)過大沉陷進(jìn)而影響路面交通、破壞地下管線，嚴(yán)重時(shí)等導(dǎo)致道路坍塌等風(fēng)險(xiǎn)。

李軍等[2]結(jié)合頂管穿越漢江干堤工程實(shí)例從地質(zhì)、施工方法、施工過程控制等方面分析了頂管施工使堤防損壞的原因。田配琴[3]基于秀峰水系工程從頂管施工引起地表變形及特征、塌陷機(jī)理、地表沉降控制措施等方面研究了頂管施工的關(guān)鍵技術(shù)。李磊等[4]基于天津市區(qū)某頂管工程發(fā)生龍門口滲水流砂和地表沉降、冒漿等工程問題，對(duì)軟土地層頂管施工技術(shù)及其引起地層環(huán)境問題進(jìn)行分析，探求其工程事故處理措施。王鵬旋[5]采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)對(duì)某公路路基空洞進(jìn)行探測(cè)，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)公路潛在病害。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)頂管出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)事件的處理研究較多，但對(duì)發(fā)生事故的實(shí)體檢測(cè)尚未見相關(guān)文獻(xiàn)。天津市南水北調(diào)工程穿越外環(huán)西路出現(xiàn)路面沉陷，最大沉陷達(dá)到30 cm。本文通過檢測(cè)數(shù)據(jù)分析、無損檢測(cè)、鉆芯取樣等檢測(cè)手段對(duì)引起環(huán)境破壞地段進(jìn)行檢測(cè)分析，對(duì)誘發(fā)沉降的原因進(jìn)行分析并對(duì)涉路工程頂管施工給出了一定的建設(shè)性意見。

1 工程概況

天津市南水北調(diào)工程穿越外環(huán)西路工作坑位于外環(huán)西路外側(cè)距外環(huán)西路側(cè)石凈距85.8 m，接收坑位于外環(huán)西路內(nèi)側(cè)綠地里距外環(huán)西路側(cè)石7.1 m，頂管全長(zhǎng)159 m，與外環(huán)西路夾角為80°，頂管外徑2 580 mm，壁厚220 mm，采用的泥水平衡頂管機(jī)外徑2 660 mm，管道處于粉土層。外環(huán)線路基寬度50 m、路面寬度41 m，瀝青混凝土路面。勘察深度范圍內(nèi)依次為雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、黏質(zhì)粉土。見圖1。

2021年12月27日8時(shí)，養(yǎng)護(hù)管理單位在日常巡查過程中發(fā)現(xiàn)外環(huán)線（K51+956）頂管穿越段路面呈全斷面下沉，下沉區(qū)域路段長(zhǎng)度約為28 m，寬度約為50 m；位于管軸線上方第3車道與第4車道分界線附近的內(nèi)圈最大下沉深度約為105 mm；位于管軸線上方硬路肩側(cè)石處外圈最大下沉深度為160 mm。至12月27日14時(shí)，位于頂管軸線上方第3車道與第4車道分界線附近的內(nèi)圈最大下沉深度為135 mm，位于頂管軸線上方硬路肩側(cè)石處的外圈最大下沉深度約為180 mm，沉降速率遠(yuǎn)超4 mm/d的控制速率。

為保證行車安全，采用壓力注漿方式對(duì)頂管軸線兩側(cè)各17.5 m（共35 m）影響范圍的路基進(jìn)行水泥-水玻璃液漿加固。待路基注漿完畢且漿液強(qiáng)度基本穩(wěn)定（注漿后至少24 h）后，對(duì)路面沉降路段進(jìn)行路面三層襯補(bǔ)接順處理。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體檢測(cè)情況

為保證后續(xù)修復(fù)工作的準(zhǔn)確性和嚴(yán)謹(jǐn)性，對(duì)塌陷路段地表沉降觀測(cè)資料進(jìn)行分析并通過地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)和取芯檢測(cè)等手段相互驗(yàn)證。

2.1 地表沉降觀測(cè)資料

路表隨管道頂進(jìn)施工進(jìn)度由外圈向內(nèi)圈逐車道依次發(fā)生持續(xù)沉降，累計(jì)沉降和沉降速率自2021年12月23日以來均變化較大；截至2021年12月27日，外圈路表累計(jì)沉降量最大值為5.7 cm（硬路肩），內(nèi)圈路表累計(jì)沉降量最大值為10.1 cm（第2車道），路表日沉降量最大值為3.7 cm（內(nèi)圈第2車道），沉降速率較大。見圖2。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)

為查明路面結(jié)構(gòu)層及路基整體脫空情況，2021年12月27日對(duì)外環(huán)線K51+956處采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行了無損檢測(cè)，測(cè)試范圍長(zhǎng)（沿行車方向）65 m、寬（沿橫斷面方向）約47 m，共布置19條測(cè)線。其中縱測(cè)線（沿行車方向）布置15條，分布在各車道的輪跡帶及硬路肩中線處；橫測(cè)線布置4條，分布在管軸線兩側(cè)，每半幅各2條。

地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)結(jié)果表明：內(nèi)圈第1～4車道、外圈第四車道和硬路肩在路表以下約1.5 m、管軸線兩側(cè)各約4 m 的范圍內(nèi)疑似路面結(jié)構(gòu)層明顯脫空；內(nèi)圈第1～4車道在管軸線兩側(cè)各約14 m 范圍內(nèi)存在路基或土層明顯沉降。

截至2021年12月27日沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，路表沉降速率仍較大，本次地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)所發(fā)現(xiàn)的路面結(jié)構(gòu)層脫空和路基沉降的程度及范圍后續(xù)還會(huì)發(fā)展。

2.3 取芯檢測(cè)

結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果，在管道軸線處道路橫斷面的每個(gè)車道代表性位置分別鉆取芯樣，查看路基路面脫空情況，共鉆取10處。由于帶水鉆孔作業(yè)且取芯深度僅為 1.5 m，深層松散、軟弱土質(zhì)路基無法進(jìn)行鉆取。取芯結(jié)果表明：頂管軸線上方內(nèi)圈第1～4車道及外圈第4車道和硬路肩的路面結(jié)構(gòu)層均存在不同程度脫空，其余車道尚未發(fā)現(xiàn)明顯脫空，結(jié)構(gòu)層存在破碎情況；內(nèi)圈路面結(jié)構(gòu)層脫空深度范圍位于路表以下33～71 cm，脫空量為2～24 cm；路面結(jié)構(gòu)層脫空最嚴(yán)重處位于第3車道，脫空量為24 cm（路表以下37～61 cm）；外圈硬路肩脫空量為20 cm（路表以下81～101 cm）。

3 路面塌陷原因分析

3.1 地質(zhì)條件較差

頂管穿越斷面土體主要粉土、粉砂、黏質(zhì)粉土， 滲透系數(shù)達(dá)到1.79 ×10-4 cm/s， 穿越土層孔隙比較大，很容易在動(dòng)水作用下產(chǎn)生流砂（土）。上部粉質(zhì)黏土層滲透系數(shù)約3.48 ×10-7 cm/s，視為相對(duì)隔水層，頂管穿越范圍土層的水帶有承壓性，土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)和泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)均可使用，卻又均存在一定風(fēng)險(xiǎn)性。

選用土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)可能會(huì)因富水地層地下水通路沒有阻斷，泡沫、膨潤(rùn)土等添加劑使用不當(dāng)，渣土改良不理想未能有效改變?cè)翝B透性，在水流量或者水力梯度大的情況下，極易出現(xiàn)土艙噴涌現(xiàn)象。選用泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)雖然能有效避免土壓平衡掘進(jìn)機(jī)帶來土艙噴涌風(fēng)險(xiǎn)，卻會(huì)面臨泥水平衡壓力難以很好建立的困境；而且在粉土、粉砂、黏質(zhì)粉土復(fù)合地層中掘進(jìn)，粉砂夾粉土容易將刀盤進(jìn)土口、刀盤刀頭之間的空隙全部堵塞，造成刀盤不進(jìn)土。因此，本工程頂管穿越地層并不屬于理想的施工地層條件。

3.2 施工方案針對(duì)性不強(qiáng)

雖采用大刀盤泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)穿越公路施工可較為精準(zhǔn)地控制地表沉降；但在頂管機(jī)適應(yīng)性選型時(shí)，考慮到穿越段土層強(qiáng)度較高和砂性土層的致密性，為避免施工參數(shù)控制不合理等各方面原因?qū)е峦馏w逐漸堵塞刀盤，進(jìn)土口選用開口率高達(dá)56%的刀盤且刀盤外輪廓切口較盾體大2 cm，形成較大建筑空隙，客觀上造成了掌子面土壓力難以有效建立，地表沉降難以控制在要求范圍內(nèi)。

頂管施工中實(shí)際出土量按照理論出土量乘以1.25的松散系數(shù)進(jìn)行控制，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論出土量。在頂管施工過程中未及時(shí)注入足量添加劑進(jìn)行掌子面渣土改良，導(dǎo)致掌子面土的高滲透特性未得到改善，掌子面壓力控制與實(shí)際偏差較大。

粉土、粉砂土層孔隙率偏大，不易形成完好的泥漿套且粉土、粉砂易造成注漿孔和球閥堵塞，對(duì)注漿質(zhì)量造成不利影響；在頂管橫穿段施工過程中，通常建議采用濃泥替代一般泥漿，濃泥應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤(rùn)土：一方面可以起到普通膨潤(rùn)土泥漿的減摩作用；另一面能有效填充刀盤切口與盾體之間的建筑空隙，防止地面沉降；還能阻止掌子面前方的水通過刀盤切口與盾體間的空隙，從而避免出現(xiàn)因泥漿濃度降低，破壞泥套形成的情況發(fā)生。

3.3 監(jiān)測(cè)未起到應(yīng)有作用

為保證施工安全及周邊環(huán)境穩(wěn)定，頂管施工過程中，合理布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面，根據(jù)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理頂管施工中的變形問題，有助于施工風(fēng)險(xiǎn)的控制。而頂管施工的特點(diǎn)是在頂管掘進(jìn)機(jī)未完成接收前，機(jī)頭后面的管道全部處于不穩(wěn)定狀態(tài)，監(jiān)測(cè)布點(diǎn)時(shí)應(yīng)考慮此特點(diǎn)。

第三方監(jiān)測(cè)在布點(diǎn)時(shí)考慮到外環(huán)線交通繁忙、車流量大，為避免作業(yè)人員發(fā)生交通意外，僅在道路兩側(cè)布點(diǎn)，未在道路上布點(diǎn)，也沒布設(shè)深層監(jiān)測(cè)點(diǎn)，造成頂管在穿越道路時(shí)地面未有效監(jiān)測(cè)。

根據(jù)頂管穿越公路施工要求，每完成一節(jié)管段施工就應(yīng)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。第三方監(jiān)測(cè)單位未按要求進(jìn)行每一節(jié)管段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，仍然按一天一次的頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，未對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，未根據(jù)速率變化趨勢(shì)進(jìn)行工程安全性預(yù)測(cè)。發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常后，第三方監(jiān)測(cè)單位沒有及時(shí)通知公路主管部門、養(yǎng)管部門等單位。

4 結(jié)論和建議

1）施工前應(yīng)針對(duì)地層特性進(jìn)行頂管掘進(jìn)機(jī)適應(yīng)性選型，擬采用的機(jī)械各方面性能應(yīng)與地層匹配，既能有效形成掌子面壓力又具備防噴涌能力，同時(shí)能具有渣土改良系統(tǒng)。

2）施工過程中需要有經(jīng)驗(yàn)的工程師根據(jù)渣土情況適時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，同時(shí)選用性能優(yōu)質(zhì)的施工輔助材料。

3）在編制監(jiān)測(cè)布點(diǎn)方案時(shí)應(yīng)充分考慮路面結(jié)構(gòu)下面已經(jīng)脫空，而地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表現(xiàn)較小的遮蔽效應(yīng)，在能布置深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地方一定要布置深層監(jiān)測(cè)點(diǎn)；頂管在未完成接收前所有管段均處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，應(yīng)結(jié)合該特點(diǎn)加密地面監(jiān)測(cè)布點(diǎn)；第三方監(jiān)測(cè)單位應(yīng)及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、反饋。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏綱.頂管工程土與結(jié)構(gòu)的性狀及理論研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2005.

[2]李軍，徐峰，張晚祺.頂管施工導(dǎo)致堤防損壞原因的分析及修復(fù)措施[J].水電與新能源，2011，（1）：40-41.

[3]田配琴.頂管施工引起地表塌陷及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，23（2）：10-14.

[4]李磊，張建新.泥水平衡法頂管工程事故實(shí)例及分析[J].天津城建大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，26（4）：266-270+311.

[5]王鵬旋.公路路基地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)及病害模擬分析[J].交通世界，2022，（35）：76-78.