一种富水砂层多排顶管地表变形控制方法

本发明涉及多排顶管施工技术领域，具体涉及一种富水砂层多排顶管地表变形控制方法。

背景技术：

隧道工程具有占用面积小，施工周期短、环境影响小等优点，已成为合理开发利用地下空间一条非常有效的解决途径。城市隧道工程主要包括为解决城市交通拥挤问题的地下铁道、公路隧道、或穿越障碍物的各种地下通道和各种污水隧道、电缆隧道等市政地下工程。因此，在考虑隧道施工特性的基础上，准确的认识地表变形规律可为隧道施工参数优选提供更为科学的依据。由于城市隧道受到地形、城市规划和既有建筑设施的限制，使得城市隧道工程呈现出大直径、近间距和平行多排的趋势。复杂构筑物环境给隧道工程尤其是多排隧道工程提出了更高的地表变形控制要求。

国外的研究主要是针对近距离单排顶管的施工进行了研究；国内的研究则相对较复杂，一方面由于我国土地辽阔，地形复杂，各地的地质环境情况不相同，且存在较大的差异性，另一方面，不同的土质有着不同的特性，即便是同一种土在不同的地区，由于水质、环境、气候等导致的性质往往不同。国内大部分的学者，针对在黏性土中顶管施工、地表沉降和变形的影响因素等进行研究，对富水砂层顶管施工技术研究相对较少，并且存在较多问题值得反复推敲之处；有的研究是借助数值模拟和模型试验对顶管施工引起的地表变形进行动态分析，但是在实际施工过程中，顶管施工参数在不断变化，且试验条件存在较大的局限性及模拟的结果存在较大的误差；还有的研究在假定的条件下进行理论性的推导和可行性的分析，不具有工程实践性。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

技术实现要素：

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种富水砂层多排顶管地表变形控制方法，包括步骤：

s1，施工准备；

s2，收集地质资料；

s3，平整场地、测量放线；

s4，钻孔、选取套管；

s5，布置地表监测点；

s6，顶进直至接受井；

在步骤s6中，在顶进前采用地面钻孔加固注浆，在顶进时通过减阻泥浆系统减阻，控制顶推力和土仓压力降低地表变形，并进行多排顶管地表变形施工监测。

较佳的，在所述步骤s6中进行分段顶进，在一段顶进完成后需通过所述多排顶管地表变形施工监测确定地表变形是否满足条件，满足条件后才可继续进行下一段顶进。

较佳的，所述地面钻孔加固注浆在步骤s2中通过收集现场富水砂层工作面的地质资料，对顶管工作面区域内的地层岩性、构造以及水文地质做分析；在步骤s4中，根据步骤s2中的分析结果设计钻孔结构，若干所述钻孔沿顶管顶进方向等距设置，且相邻所述钻孔下端错开分布，各所述钻孔内均选取直径相同的所述套管。

较佳的，在顶管开始掘进时，当所述钻孔在与顶管机头水平距离为100m～150m时开始注浆；且所述顶管机头在所述钻孔垂直下方通过后所述钻孔继续注浆，直至完成注浆区域范围内所有所述钻孔的注浆。

较佳的，所述多排顶管地表变形施工监测为：对顶管通过路线上的路面以及建筑进行检测，包括顶管通过路线的路面水平位移监测、顶管通过路线的路面沉降监测和周边建筑物沉降监测，监测范围为以顶管为中心35米范围内的区域，顶管本身及其35米范围内的建筑物作为监测对象。

较佳的，所述地表监测点为所述路面水平位移监测的路面位移监测点、所述路面沉降监测的路面沉降监测点和所述周边建筑物沉降监测的建筑沉降监测点，并在所述步骤s5中布置，所述路面位移监测点、所述路面沉降监测点和所述建筑沉降监测点可设置在相同位置。

较佳的，在所述多排顶管地表变形施工监测中，设置监测频率及报警值；所述地表监测点的监测频率为：施工前至少测两次初值，顶管施工时每天两次；路面水平位移、沉降监测报警指标的路面日变化量为±5mm，路面累计变化量为±30mm，建筑物沉降监测报警指标的建筑物日变化量为±3mm，建筑物累计变化量为±20mm，将所述路面日变化量、所述路面累计变化量、所述建筑物日变化量和所述建筑物累计变化量的80％作为所述预警值。

较佳的，在步骤s6中的顶进过程中，施工顶力小于混凝土管允许顶力的80％，当施工顶力达到中继间允许顶力的70％时，安放第一个所述中继间，当所述施工顶力达到所述中继间允许顶力的80％时继续添加所述中继间。

较佳的，在顶进过程中，土仓的压力p小于顶管机头所处土层的主动土压力pa时，增加顶进速度；土仓的压力p大于顶管机头所处土层的被动土压力pp时，减慢顶进速度。

较佳的，在步骤s6中采用所述减阻泥浆系统进行压减阻泥浆工作，所述减阻泥浆系统包括注浆泵和输送管，所述注浆泵制造拌浆并通过所述输送管输送到注浆孔上，在管道顶进过程中，所述拌浆采用减阻泥浆；在顶管完成后所述拌浆采用水泥加粉煤灰浆。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，本发明通过地面钻孔加固注浆、减阻泥浆系统减阻、控制顶推力和土仓压力降低地表形变，同时通过多排顶管地表变形施工监测对地表情况进行实时监测，从而降低对顶管施工区域内的生态环境的影响，对土地和地面上构筑物进行保护，大大的提高了施工的安全性和结构的稳定性；2，本发明从注浆钻孔工艺做出了改变，与其他发明不同的是不仅在顶管掘进通过钻孔位置，观测系统发现地表变形后进行塌陷区补浆处理，还在顶管顶进前以及顶进同时进行钻孔注浆充填，在多排顶管施工全过程钻孔注浆极大的优化改良富水砂层地层，提高了土体的强度，保证了隧道开挖的稳定和安全以及地表不会因多排顶管连续顶进扰动造成变形；3，本发明针对多排顶管施工顺序优先施工较远的管道原则，根据监测点反馈情况不断调整顶进速率和刀盘开口率，以达到严格计算和控制顶力、土仓压力的目的，以及通过设置中继间降低总顶推力，保证开挖面始终处于平衡状态，大大降低顶管在顶进过程中对地表的扰动。例如通过此方法解决最后顶进中间管节施工难题，极大的降低了施工风险；4，本发明提供的触变泥浆减阻技术是在管道顶进过程中，通过向管外壁压注触变泥浆，来降低管外壁与土体之间的摩擦阻力；以及在顶管完成后及时对管道外壁进行充填加固，把原注入的膨润土浆置换成水泥加粉煤灰浆，进一步使管道外壁与土体的空隙处加快填满浆料，确保了隧道围岩结构的稳定；5，本发明提供的方法对顶管施工区域内的生态环境不产生影响，对土地和地面上构筑物进行保护，大大的提高了施工的安全性和结构的稳定性，尤其适用于在富水砂层中多排顶管连续顶进对地表变形的影响。

附图说明

图1为所述富水砂层多排顶管地表变形控制方法的流程图；

图2为所述地面钻孔加固注浆的示意图；

图3为所述多排顶管地表变形施工监测的布置图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例一

如图1所示，图1为所述富水砂层多排顶管地表变形控制方法的流程图；本发明所述富水砂层多排顶管地表变形控制方法，包括以下步骤：

s1，施工准备；

s2，收集地质资料；

s3，平整场地、测量放线；

s4，钻孔、选取套管；

s5，布置地表监测点；

s6，顶进直至接受井。

在步骤s6中，在顶进前采用地面钻孔加固注浆，在顶进时通过减阻泥浆系统减阻，控制顶推力和土仓压力降低地表变形，并进行多排顶管地表变形施工监测。在所述步骤s6中进行分段顶进，在一段顶进完成后需通过所述多排顶管地表变形施工监测确定地表变形是否满足条件，满足条件后才可继续进行下一段顶进。

本发明对顶管施工区域内的生态环境不产生影响，对土地和地面上构筑物进行保护，大大的提高了施工的安全性和结构的稳定性。

实施例二

如图2所示，图2为所述地面钻孔加固注浆的示意图；所述地面钻孔加固注浆在步骤s2中通过收集现场富水砂层工作面的地质资料，对顶管工作面区域内的地层岩性、构造以及水文地质做分析；在步骤s4中，根据步骤s2中的分析结果设计钻孔结构，一般的，若干所述钻孔沿顶管顶进方向等距设置，且相邻所述钻孔下端错开分布，具体的，相邻所述钻孔间隔150m的水平距离，且相邻所述钻孔下端高度相差15m～25m，各所述钻孔内均选取直径相同的所述套管。

在顶管顶进开始之前，依次在顶管掘进方向的注浆填充控制区域开设若干钻孔，并建立所述地表监测点：沿着顶管顶进方向布设纵向线，沿垂直顶管顶进方向布设横向线，所述横向线与所述纵向线的交点设置所述地表监测点，相邻所述地表监测点之间纵向间距为20～40m，且布设的所述横向线与所述纵向线对称分布。布设的所述横向线与所述纵向线采用徕卡tps11006智能全站仪以及gps定位仪定位。

在顶管开始掘进时，当所述钻孔在与顶管机头水平距离为100m～150m时开始注浆；且所述顶管机头在所述钻孔垂直下方通过后所述钻孔继续注浆，直至完成注浆区域范围内所有所述钻孔的注浆。

施工探孔检查注浆情况，在测量放线及平整场地钱，还包括对施工区域的裂缝处理和便道修整，裂缝处理主要针对地表存在的裂缝进行注浆填缝，便道修整方便后期施工。

完成注浆后应该检查注浆情况，确保效果，满足设计要求后进行隧道开挖、支护。

本发明从注浆钻孔工艺做出了改变，不再是等待顶管掘进通过钻孔位置，观测系统发现地表变形后进行塌陷区补浆处理，而是在顶管顶进前以及顶进同时进行钻孔注浆充填，对于富水砂层地层进行优化改良，提高了土体的强度，保证了隧道的稳定和安全。

实施例三

如图3所示，图3为所述多排顶管地表变形施工监测的布置图；所述多排顶管地表变形施工监测为：对顶管通过路线上的路面以及建筑进行检测，包括顶管通过路线的路面水平位移监测、顶管通过路线的路面沉降监测和周边建筑物沉降监测，监测范围一般为以顶管为中心35米范围内的区域，顶管本身及其35米范围内的建筑物作为监测对象。

所述顶管通过路线的路面水平位移监测为：对处于所述监测范围的路面直接埋设路面位移监测点进行监测，所述路面位移监测点固定好后，用水准仪测得各所述路面位移监测点的初始标高。

由于顶管的施工过程中受挤土效应，施工顶管会产生相应位移，故在顶管施工路线通过的路面直接进行水平位移监测，对判定顶管支护结构安全具有重要作用，所述路面位移监测点设置要求为纵向间距20m，横向间距5m，纵向为顶管的顶进方向，横向为垂直于顶管顶进方向的水平方向。图2中，横向间距为x，n为横向间距数量。

所述顶管通过路线的路面沉降监测为：在所述监测范围内的路面还需要进行沉降监测，对判定支护结构的竖向沉降具有重要作用。在顶管施工路线通过的路面直接埋设路面沉降监测点用水准仪直接测定其标高，通过其监测判定推进和支护安全具有重要意义。

所述路面沉降监测点设置要求为纵向间距20m，横向间距5m，共设置2道监测线。路面沉降观测点开顶前两天布设并记录初始数据，顶进结束注浆完毕后继续监控，待监测数据稳定后结束监控测量。根据顶进速度，拟沿顶进轴线方向路面超前15m开始测量以便提前收集沉降数据，及时采取纠正措施。

所述周边建筑物沉降监测为：处于顶管施工影响范围以内的厂房、建筑、道路都位于顶管掘进正上方。

建筑沉降监测点的布置在以下位置：

1)建筑物四角、大转角处及沿外墙每10m～20m或者每2～3根柱基础处；

2)新旧建筑物、纵横墙等交接处的两侧；

3)建筑物裂缝和沉降缝两侧；

4)临近堆置重物处、受振动有显著影响的部位及基础下的暗沟处；

5)道路两侧坡脚处加密布置监测。

较佳的，所述路面位移监测点、所述路面沉降监测点和所述建筑沉降监测点为所述地表监测点，并在所述步骤s5中布置，所述路面位移监测点、所述路面沉降监测点和所述建筑沉降监测点可共用部分地表监测点。

在所述多排顶管地表变形施工监测中，通过设置监测频率及报警值以确定地表变形是否满足条件。具体的，组成测量监测组负责组织管理及日常数据的采集、整理、分析并负责现场监督监测工作，对施工出现的任何问题及时掌握上报，使整个监控工作在有序可控中，为后续工作提供安全保障。

施工前至少测两次初值，顶管施工时每天两次，关键时刻增加监测或跟踪监测；路面水平位移、沉降监测报警指标日变化量为±5mm，累计变化量为±30mm，建筑物沉降监测报警指标日变化量为±3mm，累计变化量为±20mm。将上述警戒值的80％作为预警值。

实施例三

在步骤s6中的顶进过程中，施工顶力只能使用混凝土管允许顶力的80％，剩余顶力需要中继间来解决。即须设置第一个中继间，当施工顶力达到中继间设计推力的80％时，即需安装中继间。中继间设计推力16000kn。

具体的，因顶管时混凝土管允许的最大顶力为25800kn，当施工顶力达到设计中继间允许顶力的70％时，16000*0.7＝11200kn＜25800kn时，即顶力达到11200kn时须设置中继间。

施工顶力计算虽然考虑了安全系数，但由于顶进过程中涉及的因素非常多，施工顶力会超过设计控制范围。为确保顶进时安全，当施工顶力达到中继间允许顶力的70％时，即需安放第一个中继间。而当主顶油缸提供的施工顶力达到中继间允许顶力的80％时就必须启用中继间。

所述中继间的最大行程为30cm，直径为3.5m管节；所述中继间内部配置32个50t千斤顶，总推力16000kn；第一个中继间距离顶管机头距离为135m。

顶管机头在顶进过程中，其土仓的压力p小于顶管机头所处土层的主动土压力pa即p＜pa时，地面就产生沉降；相反，若土仓的压力p如果大于顶管机头所处土层的被动土压力pp时即p＞pp时，地面就产生隆起。因此土仓压力只有控制在pa＜p＜pp之间，达到土压平衡，才不会对地面产生大的影响，从而满足在顶管施工中对地面沉降的要求。

顶进过程中，当p＜pa时，可适当增加顶进速度，减少出土量；p＞pp时，适当减慢顶进速度，加大出土量，以保证开挖面处于平衡状态。

本发明提供的对顶力、土仓压力严格的计算和控制以及设置中继间，保证开挖面始终处于平衡状态，大大降低顶管在顶进过程中对地表的扰动。

实施例四

本发明在顶进过程中，采用所述减阻泥浆系统进行压减阻泥浆工作，以减少顶进的阻力。

所述减阻泥浆系统包括注浆泵和输送管。所述注浆泵制造拌浆并通过所述输送管输送到注浆孔上，所述注浆孔设置为多道，环形设置的多个所述注浆孔为一道。

所述拌浆是把注浆材料兑水以后再搅拌成所需的浆液(造浆后应静置24小时后方可使用)。所述注浆是通过所述注浆泵进行的，根据压力表和流量表，它可以控制注浆的压力(压力控制在水深的1.1～1.2倍)和注浆量(计量桶控制)。所述输送管包括总管和支管，所述总管安装在顶管管道内一侧，所述支管将所述总管内压送过来的浆液输送到每个注浆孔上去。

减阻泥浆顶进施工中，减阻泥浆的应用是减小顶进阻力的重要措施。顶进时，通过工具管及钢管上预留的注浆孔，向管道外壁压入一定量的减阻泥浆，在管道外围形成一个泥浆套，减小管节外壁和土层间的摩阻力，从而减小顶进时的顶力。泥浆套形成的好坏，直接关系到减阻的效果。所述工具管为顶管工具头上的管体结构，所述钢管为组成顶管管体的各管节结构。

为了保证压浆的效果，在所述工具管的尾部环向均匀地布置了3个所述注浆孔，顶进时及时进行压浆。所述工具管后端依次连接的3节所述钢管上都有所述注浆孔，以后每隔二节所述钢管均设置一节有所述注浆孔的所述钢管。

可选的，所述钢管上的所述注浆孔有3只，呈120°环向交叉布置。所述总管用白铁管，除所述工具管及随后的3节所述钢管外，所述总管上每隔6m装1只三通，再用所述支管接至所述注浆孔处。

顶进时，所述工具管尾部的压浆要及时，确保形成完整、有效的泥浆套。钢管上的所述注浆孔供补压浆用，补压浆的次数及压浆量需根据施工时的具体情况而确定。由于顶进距离长，一次压浆无法到位，需要接力输送，因此在管道内共设置2只压浆接力站，平均每隔300m左右设1站。压浆接力站的作用有两个，一是运输作用；二是承担至前面压浆接力站管道部分的补压浆。

减阻泥浆的性能要稳定，施工期间要求泥浆不失水、不沉淀、不固结，既要有良好的流动性，又要有一定的稠度。顶进施工前要做泥浆配合比试验，找出适合于施工的最佳泥浆配合比。

拌制减阻泥浆要严格按操作规程进行，催化剂、化学添加剂等要搅拌均匀，使之均匀地化开，膨润土加入后要充分搅拌，使其充分水化。泥浆拌好后，应放置一定的时间才能使用。通过储浆池处的压浆泵将泥浆压至所述总管，然后经注浆孔压至管壁外。施工中，在压浆泵、工具管尾部等处均装有压力表，便于观察。

采用机头同步注浆和管道跟进补浆相结合的方法确保注浆效果。减阻泥浆由地面液压注浆泵通过两道管路压送到各注浆孔。在机头处应安装隔膜式压力表，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为5mpa。

注浆材料的选择：减阻泥浆需选用专用成品泥浆材料，现场直接加水搅拌。顶管润滑浆注浆用的膨润土必须是天然钠基膨润土，再经过严格的烘干、粉碎、干燥、球磨、过筛等加工工艺，加工成半成品。然后，再根据特殊地质的使用要求，添加各种辅助材料。根据成熟注浆施工工艺，在该种地质条件下拟采用如下配比的注浆液。在顶进过程中，再根据实际使用情况进行调整，找出适合于施工的最佳泥浆配合比。

减阻泥浆的配置：调制浆液时，必须经过充分搅拌，浆料采用低速旋流搅拌机进行搅拌，每次最多可搅拌400l浆液。根据实际顶进情况，对所采用的浆液配比进行优化调整。现场设5m³塑料存储罐2只，搅拌均匀的浆液输送至存储罐中静置2小时以上，充分膨胀以后才能使用。

注浆设备：管道设置每个注浆孔设dn25球阀单独控制，注浆孔用dn25橡胶管连接接入注浆总管。

可选的，所述总管选用dn50镀锌钢管，所述支管采用dn25耐压橡胶管，所述主管每隔100m设1只不锈钢隔膜式压力表(量程0～2mpa)。注浆泵选用三活塞式泥浆泵，用于沿线补浆。顶管机尾设置同步注浆站，包括螺杆泵、5m³储浆罐，向机尾后3节管外压注泥浆。

注浆方法：同步注浆必须随顶随注，先注后顶，管线后面管道的注浆孔视顶力的大小进行补浆用。为防止顶完后管外四周土体塌陷，在管外四周注水泥浆护壁。

补浆应按顺序依次进行，每班不少于2次循环，定量压注。控制好注浆压力及注浆量，具体的注浆压力及注浆量根据现场顶进的土质情况进行控制，注浆实际用量要比理论的大的多，一般可达理论值的4～8倍。根据不同管外径分别计算每米最少注浆量，注浆压力控制在0.2～0.3mpa，通过不锈钢压力表来控制注浆压力。

泥浆置换：顶管完成后及时对管道外壁进行充填加固，把原注入的减阻泥浆置掉。使用的泥浆置换材料为水泥加粉煤灰浆，其配比为水∶水泥∶粉煤灰＝5∶1∶3。通过管道内部的注浆孔压注，注浆压力控制在0.05mpa，注浆次数不少于三次，两次间隔时间不大于24小时。

每二节混凝土管编为一组，分为注浆孔与排浆孔。将注浆泵清洗干净，吸浆龙头放入灰浆池内，开启注浆泵，打开第一组注浆孔，当第一组排浆孔冒出灰浆后，关闭阀门，再打开第二组，以此类推，直到全线完成。再关闭所有阀门，保压三十分钟，保压时注浆压力为1mpa。

泥浆置换完成后，应拆除主通道浆管和管内弧形浆管就地清洗，以免浆液凝固堵塞。

本发明提供的减阻泥浆减阻技术是在管道顶进过程中，通过向管外壁压注减阻泥浆，来降低管外壁与土体之间的摩擦阻力；以及在顶管完成后及时对管道外壁进行充填加固，把原注入的膨润土浆置换成水泥加粉煤灰浆，进一步使管道外壁与土体的空隙处加快填满浆料，确保了隧道围岩结构的稳定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。