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某穿河顶管工程施工引发的地面沉降成因分析

范文

王建龙陈亮

摘要：随着社会的发展，越来越多的城区内穿越工程采用了非开挖的技术，其中顶管穿越是最常见、最成熟的穿越方式之一。城市的高速发展，施工场地周边的环境变得异常复杂，对顶管工程的勘察、设计、施工提出了更高的要求。如何既确保周边建筑、构筑物不受影响，又能在狭小的空间内顺利施工成为当前研究的主要问题。本文以某大型输水管道顶管穿越河流为例，分析其在施工时引发地面沉降的原因，为类似工程提供借鉴。

关键词：顶管穿越;周边环境;地面沉降

中图分类号：TV672.2;TV221.2 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2020）22-0064-03

Abstract： With the development of society， more and more urban crossing projects adopt trenchless technology， among which pipe jacking crossing is one of the most common and mature crossing ways. With the rapid development of the city， the environment around the construction site becomes extremely complex. The complex surrounding environment puts forward higher requirements for the survey， design and construction of pipe jacking engineering. How to ensure that the surrounding buildings and structures are not affected， and can be smoothly constructed in a narrow space has become the main problem of current research. In this paper， a large-scale water pipeline crossing the river by pipe jacking was taken as an example to analyze the causes of land subsidence during construction， so as to provide reference for similar projects.

Keywords： pipe jacking crossing;surrounding environment;land subsidence

1 工程背景

某穿越河流頂管工程，工作井布置在河流右岸，接收井布置在左岸，均采用沉井法施工。其中工作井内径为10.5 m、接收井内径为7 m。沉井浇筑时，在井壁处为顶管预留开门位置，预留孔孔径为1.5 m，顶管内径为1.00 m，工作井预计下沉深度为21 m，有效井深为18 m。原计划工作井井体分4次浇筑，3次下沉，施工完成工作井作为检修井使用。工作井井壁壁厚为900～1 100 mm，底板厚度为1.3 m，井壁及底板采用C30钢筋混凝土。场区周边环境复杂，50 m范围内主要的建筑物、构筑物为办公楼（浅基础）、跨河大桥（灌注桩基础）、燃气管道及多条地埋电缆[1]。

2 地质概况

场区地貌单元为冲积倾斜平原，微地貌为河谷地貌，河床及两岸上部以重粉质壤土为主，下部分布砂壤土、细砂、粉质黏土，地层分布较稳定。顶管工程涉及地层主要为第①～③层重粉质壤土、第④层砂壤土及第⑤层细砂。地下水主要为第四系松散土类孔隙潜水和承压水。潜水主要含水层为壤土，承压水含水层为细砂及砂壤土。潜水埋深5.4～5.8 m，地下水位高程为55.4～55.8 m;承压水水位高程一般为51.8 m，承压水头约10 m;河水位高程一般为55.5 m。地下水和河水水力联系密切，二者呈互补关系，地下水变幅受河水影响大。

3 施工过程

穿越河流顶管工程于2014年5月进行工作井施工，2014年7月5日工作井周边的5口管井启动降水，施工监测人员未发现明显的地面沉降，2014年8月12日至19日工作井井壁外5～7 m范围内出现地面沉降和沉降裂缝。2014年10月5日新增了4口管井，2014年10月6日至7日，工作井下沉至16 m处，工作井周围构筑物、混凝土路面出现轻微变动，2014年10月9日监测到周边地面沉降量超出警戒值，现场停止工作井下沉作业，并进行原因分析，2015年1月底复工，在工作井周边进行高压旋喷帷幕施工，工作井下沉至设计高程后进行帷幕封底。顶管顶进至120 m时工作井中顶管洞口处有渗水现象，及时采取了封堵措施，随后工作井周边出现了大量裂缝，混凝土路面出现错台。

4 地面沉降调查

4.1 地表裂缝调查

场区位于已建成的滨河公园附近，地表多已绿化，位于绿化带上的裂缝不明显，仅可对硬化路面、地面上的裂缝进行统计，大致推算地面沉降的范围。经统计，裂缝主要有3组，即平行管道走向、北东向及东西向三组。裂缝宽度一般为0.5～3 cm，沉降差一般不明显，在工作井附近的裂缝有错台。以工作井顶管洞口为中心，距离相近的裂缝连接可大致形成椭圆状，各裂缝详见表1。通过测量裂缝的分布范围可得出大致的地面沉降范围为以工作井为中心的长约100 m、宽约90 m的不对称的椭圆形。

4.2 地面沉降范围验证

为进一步查明地面沉降范围，先后采用高密度电法、探地雷达、钻探、静探、标准贯入试验及室内物理力学性试验等综合勘探方法（受周边环境等不利因素的影响，高密度电法工作无法开展，探地雷达勘探时物性反应不明显），最终通过地层界限变化、现场原位测试变化及钻探异常反应、管道变形、室内试验等多方面的对比分析，对通过裂缝调查得出的地面沉降范围进行了验证。验证结论为：地面沉降范围以工作井为中心，沿管道轴线方向（南北向）约95 m，垂直管道方向（东西向）最大约75 m。在综合勘探时，标准贯入试验中，上述地面沉降区内浅层土的标贯击数比原始地层降低20%左右，靠近工作井的沉降严重区降低25%～40%;静力触探试验中，上述地面沉降区内浅层土锥尖阻力比原始地层降低23%～58%;室内试验成果表明，第①层、第②层和第③层土扰动后物理性指标为天然含水量大于前期资料成果，天然干密度小于前期资料成果，天然孔隙比大于前期资料成果，力学性指标抗剪强度小于前期资料成果，压缩系数大于前期资料成果，压缩模量小于前期资料成果。这说明地面沉降范围内地层相对于前期结构遭到破坏。

5 沉降原因分析

场区地层结构为黏砂双层结构，下部砂壤土和细砂层为承压水含水层。施工期，承压水水位高程为51.8 m，承压水头约为10 m。地下水和河水水位均高于建基面，且联系紧密。在工作井下沉施工中，先期采用的挖土法下沉，下沉前对场区进行管井降水。因管井的成井质量差，工作井施工期间由于降水原因导致了第一次地面沉降，由于沉降量小，地面裂缝不明显，没有引起足够的重视，为了能持续施工，在工作井周边进行了高压旋喷帷幕施工，但由于前期地层已经扰动，高压旋喷帷幕存在局部渗流现象，为了能使沉井继续下沉和顶管工作顺利进行，增加了管井井点，加大了地下水降水工作，致使大量粉细砂颗粒被随地下水抽出，造成工作井周边局部孔洞，周边土层发生扰动，从而发生了地面沉降。

6 结论建议

由于土体结构受到影响，物理力学指标下降，工程性质恶化，对顶管工程影响较大，建议对地面沉降区进行加固处理。建筑物穿越工程采用顶管抬升方案，施工时管道主要位于场区第③层重粉质壤土，部分位于第④层砂壤土中。砂壤土、细砂层密实程度不均，粉质壤土局部含钙质结核，一般粒径为1～3 cm，个别达到6 cm。根据附近钻探资料，不排除局部钙质结核连接成块的可能。由于顶管施工、降排水不可避免地会造成顶管周围土体产生扰动，甚至可能使地面有一定的沉降，相关单位应根据具体情况决定采取事前预防或事后处理措施。由于场区临近建筑物，施工环境复杂，建议委托第三方加强顶管周边建（构）筑物的变形监测，建立预警机制，加强防护工作。工作井北约20 m有东西向天然气管道，顶管东约21 m处有南北向天然气管道，顶管东约24 m和28 m处有南北向通信光缆，河堤景区路边存在弱电、照明线路，绿地上存在照明线路及绿化用水管道。施工时，工作人员应联系产权单位明确具体位置后加以保护。顶管施工对周围土体产生的扰动会使管道及沿线地面产生沉降，对河道堤防产生一定影响，建议采取处理措施。基础加固处理后，应按相关规范和要求对加固效果进行检测。

参考文献：

[1]孙刚，韩桃明.穿越河流顶管工程勘察设计工作重点浅析[J].科技展望，2016（18）：25.

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