超大口径顶管施工中影响地面沉降量的主要因素分析及应对措施

引言

在城市化快速发展背景下，地下管线建设需求日益增长。顶管施工技术因无需大面积开挖、对地面交通及周边建构筑物影响小等优势，已成为市政工程、给排水系统及地下管线建设的核心技术之一。其中，超大口径顶管（管径≥3m）施工难度显著更高——顶进与纠偏过程中对土体扰动更强，且顶管机穿越后易出现后期沉降，其沉降量、影响范围及深度均大于正常顶进阶段，可能引发地面塌陷、交通中断或周边建（构）筑物损坏，因此，如何有效控制超大口径顶管施工的地面沉降量，是工程质量与安全管控的关键难点。

1 项目概况

本项目实施阶段开挖深基坑 13 座，新建进水总管及尾水排放管，共计 12 段顶程，总长 6320m，均采用顶管施工技术，管节直径分为 3m 和 4m 两类：其中 4m 口径顶程 9 段（总长 4227m），3m 口径顶程 3 段（总长 2093m）。

顶管区间仅 1#~ 调蓄池、5#~6# 段为直线，其余均为曲线顶管，最小曲率半径 500m；且包含多段长距离顶程，如 2#~4# 顶程达 1173m、8#~7# 顶程达 812m、11#~12# 顶程达 702m，施工控制难度较大。

2 周边环境与控制目标

2.1 沿线环境

本工程沿线环境复杂，施工难度高：工程覆土浅，顶管管体主要穿越③灰色淤泥质粉质粘土夹粉性土、 ③① 灰色粘质粉土夹淤泥质粉质粘土两类软土；进水顶管依次穿越航津路、东集路、高东二路，邻近海徐路、高东一路、在建华东路及中石化加油站；尾水排放顶管依次穿越高东二路、航津路，邻近华东路、随塘公路及金龙鱼油厂，对沉降控制要求严苛。

2.2 沉降控制目标

该项目顶管全线监测点沉降量不超过 3cm 的管节占总数的 95%.

图1：管线平面图

3 顶管施工沉降主要因素分析

选取 1#~2# 顶程作为试验段开展研究，该顶程长 542m、管径 4m，共 213 节管节，覆土深度 7.73m；线型为 “直线 126m + 曲线（半径 2000m） 18m+ 直线 299m”，穿越土层为③灰色淤泥质粉质粘土夹粉性土、③① 灰色粘质粉土夹淤泥质粉质粘土，且下穿 3 个项目部临时设施及 3 处暗浜（暗浜深度 3~4m）。

图2：1#~2#顶管工程地形图

试验段顶进过程中，机头穿越中铁项目部区域时出现明显质量问题。通过收集整理 213 节管节的质量数据及施工参数，统计结果如表 1 所示。：

表 1：影响试验段顶管施工质量问题点数统计表

由表 1 可知，试验段沉降问题管节合格率为 89.20%（ (1-10.80%) ）。进一步统计质量问题的频数与频率，结果如表 2 所示。

表2：影响试验段顶管施工质量问题频数频率统计表

结合排列图与 ABC 分类法分析：累计频率 0~80% 的 A 类因素为 “沉降问题”，是影响超大口径顶管施工质量的核心因素；累计频率 80～90% 的 B 类因素为 “管节渗水、漏水”，累计频率 90～100% 的 C 类因素为 “轴线偏差”“顶力异常”。：

通过排查现场人员、设备、材料、工艺、环境及监测等要素，最终确定影响顶管沉降的三大主要因素： ① 管节表面减阻材料选择不当；②触变泥浆套未有效形成；③地下土质条件较差。

4 减少沉降影响的针对性对策

4.1 对策1—优化管节表面减阻材料

（1）材料选择

原管节涂层采用沥青，但其受热易软化，而顶管施工过程中会产生热量，导致涂层防水性能下降。石蜡作为潜热储能材料，具有相变潜热大、固液相变容积变化小、热稳定性好、无过冷现象且价格低廉等优势，可显著增强涂层防水性能，因此后续管节涂层统一采用石蜡。

（2）参与制定涂层制作标准

由于 4m 口径顶管在上海地区应用较少，缺乏成熟的施工经验及制作验收标准，项目部结合顶进需求（如涂层表面光滑无凹凸、顶进无背土及水土流失现象），参与制定了管节特种减阻材料的验收规范。

4.2 对策2—改良泥浆材料并优化配合比

（1）土质特性分析

上海地区超大口径顶管施工经验有限，项目部通过分析试验段沉降超标的原因及地质勘察报告发现：试验段穿越软土及 3 处暗浜，导致顶进过程中无法形成稳定泥浆套，且出现跑浆现象。

（2）泥浆材料改良

结合现场土质与数据分析，项目部提出在原泥浆中添加高分子材料或更换原材料，并通过市场调研与试验，最终选用聚丙烯酰胺高分子、超高效润滑剂与水拌合使用。高分子量聚丙烯酰胺黏度高、水溶液对电解质容忍性好，其长分子链可在粒子间架桥，兼具絮凝、减阻与粘合作用，即使在暗浜等特殊环境下，也能形成稳定泥浆套，保障顶力正常且控制地表沉降。

4.3 对策3—提前开展沿线土质精探

（1）地下障碍物勘察

试验段沉降较大区域出现机头刀盘运转吃力、噪音大及排泥管被砼、砖块、铁质构件堵塞等问题。项目部开展沿线精探，未发现大型地下障碍物；为排除偶然因素，进一步在管道周边钻孔勘探，结果与地质勘察报告一致，无异常。

（2）针对性加固措施

分析报告可知，试验段地块由海水冲刷形成，且回填大量建筑垃圾，土体孔隙率高，顶进过程中易水土流失并引发沉降。项目部综合时间、资金及工序衔接成本，制定措施：顶进时通过管道内高压喷射注浆机，在注浆孔注射 1:1 配比的红土 - 水拌合物，填补孔隙以稳定覆土；管道贯通后在地表注射水泥浆加固覆土，防止暗浜流动导致管道二次沉降。

5 对策实施效果

5.1 对策 1 实施效果

验收标准实施后，随机抽取 3 节管节测量涂层凹凸偏差：沥青涂层偏差由 5mm 降至石蜡涂层的 0.6mm，精度从毫米级提升至微米级；且现场每节管节均通过检验，精度符合规范要求。

5.2 对策 2 实施效果

顶进过程中，结合顶力、顶进速度及沉降量调整材料配合比，最终确定最优配比为 “水：超高效润滑剂：聚丙烯酰胺高分子 = 1 吨：0.003 吨：0.005 吨”。采用该配比后，顶力恢复正常，沉降量显著缩小；对比改良前后 3 天平均顶力及同一监测点（DB34）沉降量（注：单一监测点数据存在局限性，建议后续在同等环境区域内增设监测点以提升准确性），新型泥浆可保障顶进速度、减少开挖量，有效控制沉降。

同时跟踪计算 2#-4# 顶程平均摩阻力并与 1#-2# 对比：2#-4# 初始顶进（20 节，共 50m）后，摩阻力稳定在 0.05～0.20t/m² ，而 1#-2# 摩阻力为 0.3~0.5t/m²，减阻效果显著。

图3：管节摩阻力变化图

5.3 对策 3 实施效果

采用土质精探与加固措施后，地表沉降量大幅改善；对比同一监测点（DB34）措施实施前后 3 天沉降量，最终沉降稳定在 3cm 以内，暂停补土与注浆。

为验证效果，选取 2#~4#（1163m，4m 口径，穿越软土及 3 条公路、5 处建构筑物，为项目重难点）、8#~7#、10#~6# 三段顶程应用对策，贯通后统计管节质量问题（如表3 所示），

表3：三段顶程监测点统计表

由表3 可知，对策实施后沉降问题管节合格率达 99.02% ，剩余顶程沉降量不超过 3cm 的管节占比超 95% ，较设定目标提升 4.02% 。管道投入使用前多次复测各顶程监测点，未发现贯通后沉降，数据与统计结果一致。

本文围绕超大口径顶管施工的地面沉降控制难题，以竹园污水处理厂四期工程 ZYSQ1.1 标为实践载体，通过试验段研究、质量数据统计及 ABC 分类法，明确 “沉降问题” 为核心影响因素，并锁定管节减阻材料、触变泥浆套、地下土质三大关键诱因。针对性提出的材料优化、泥浆改良、土质精探等对策，经工程验证可有效控制沉降，不仅解决了本项目施工难题，更为我国软土地区超大口径顶管施工的沉降控制提供了可复制的实践经验，对推动该类工艺的完善与发展具有重要参考价值。

参考文献

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