第５期（总第１ ５５期） ２０１ １年１０月 中国幸丛
ＣＨＩＮＡ ＭＵＮＩＣＩＰＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｎｏ．５（Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．１５５） Ｏｃｔ．２０１１
ＤＯＩｉ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４—４６５５．２０１１．０５．０１４
大断面矩形顶管施工对环境影响研究
温锁林
（上海隧道工程股份有限公司，上海２０００８２）
摘要：上海轨道交通２号线东延伸段金科路站４号出入Ｉ３联络通道采用大断面多刀盘矩形顶管施工。介绍了顶管施工 现场的监测方案，从地表沉降、孔隙水压力和土体水平位移等方面研究了大断面矩形顶管施工对周围环境的影响。得 出了推进时顶管正上方土体的上抬量最大、孔隙水压力在顶进过程中的变化规律以及垂直于顶进方向的水平位移大于 顶进方向的水平位移等规律。 关键词：轨道交通；大断面；矩形顶管；地表沉降；现场实测 中图分类号：Ｕ４５５．４７ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００４＂－４６５５（２０１１）０５—００３７—０３
矩形顶管在城市过街人行地道、地铁车站进出口
连通道以及地下空间开发联络通道等工程中具有明
显的优势，但大断面矩形顶管施工时的地表沉降控制
难度较大。结合具体工程开展矩形顶管施工对周围
环境影响的研究，使大断面矩形顶管更适应在城市复
杂环境中施工。
１ 工程概况
上海轨道交通２号线东延伸段工程金科路站位于
浦东新区金科路与祖冲之路交叉口，车站主体结构与
４号出入口的地下连接通道需穿越祖冲之路。由于祖
冲之路交通繁忙且地下管线众多，不具备开挖施工条
件，地下通道采用４．２ ｍ×６．９ ｍ多刀盘土压平衡式矩
形顶管机进行掘进施工，通道净尺寸为３．３ ｍ×６．０ ｍ，
总长为４９．１ ｍ，覆土深度为５．１～４．６ ｒｎ，顶进坡度＋
０．７％，始发井位于祖冲之路北侧，接收井位于祖冲之路
南侧，顶管由北向南推进。图１为工程平面图。
Ｉ 舅 Ｎ ＼ 始发
、 Ｉ ｆ 蕾 ＿ 薯 围墙 混２ １＼大门 Ｊ 占 一 姐 管 之 路 ０ 街 ０ 皿 皿
坦 １１， 、 —Ｉ卜按以开 金科路站主体结构
图１ 工程平面图（ｍ） 顶管穿越土层主要在③灰色淤泥质粉质黏土层中，
收稿Ｅｔ期：２０１１—０９—２３ 局部夹杂第③ 灰色砂质粉土；管顶以上土层分别为①
层填土、②，粉质黏土层。此外，勘探孔揭示，顶管接收
井范围内有暗浜存在，暗浜成分主要以填土为主。
２施工方案简述
始发井和接收井结构净尺寸分别为ｌ０．１ ｍ Ｘ
９．４ ｍ和８ ｒｎ ｘ ３．６ ｍ，开挖深度分别为１１．５ ｉｎ和
１０．９ ｍ，均设置３道支撑，围护结构为６８５ｏ ｍｍＳＭＷ
工法桩，顶管进、出洞及后靠加固均采用＠８５０ ｍｍ搅
拌桩加固。顶管采用预制矩形钢筋混凝土管节，管节
混凝土强度为Ｃ４０，抗渗等级为Ｓ８，外形尺寸为
６．９ ｍ×４．２ ｍ，管壁厚为０．４５ ｉｎ，长度为１．５ ｍ，单节
重约３４．４ ｔ，共需３２节。管节两端分别预埋钢套环和
钢环，管节内预留对称压浆孑Ｌ、起吊孑Ｌ及翻身孔。管
节接口采用“Ｆ”形承插式，接缝防水装置采用锯齿形
的止水圈和双组分聚硫密封膏，防止管节结合部的渗
漏水，标准管节断面图见图２。顶管机在始发井下井
出洞后，依次下管节顶进，顶进的同时压注触变泥浆，
并控制正面土压力和顶管姿态，顶管机在接收井进洞
后完成顶进施工，多刀盘矩形顶管机见图３。
／／， ８ Ｉ 、＼＼量 。注浆管 向 首节．９只） （顶进时减摩洎童的
＿＿＿ ＿ ＿ｌＩ Ｃ ． 。＼ 一 ｌ Ｉ ０ ｌ５（１ １ ２００ Ｉ ３ｔ （）（】 ｉ １ ２００ ５ｄ ６ ９００ 图２标准管节断面图
３７ 中国彳Ｊ嗑ｚ 温锁林：大断面矩形顶管施工对环境影响研究 ２０１ １年第５期
图３多刀盘矩形顶管机 ３顶进施工的监测 为研究矩形顶管顶进施工对周围环境的影响，在现
场进行了沉降（土体垂直位移）、孔隙水压力和土体水
平位移的监测，图４为顶管顶进施工监测测点布置图。
ＣＪ６ ＣＪｌ２ ＣＪｌ９ Ｖ Ｖ Ｖ
ｏ 顶管顶进方 ０ ｏ ｏ －＿…ｅ＿一碍 闷一 中轴线 ＣＸ１ ： 外边线 。地 ． 孔Ｉ ＣＪ１ ＣＪ７ＣＪ１ ’ 口土一 过测点位置后，顶管上方的地面相对机头到达时下沉
约２０ ｍｍ。继续顶进５ ｍ后，该位置继续下沉约
２５ ｍｍ（见图５）。
３０
— ２０ １０ 粪 。
一１Ｏ 嗣－２０
－３０ ｌ ５ ｌ０ ｌ６ ２２ ２８ ３４ ４ｌ ４９ 顶进距离／ｍ 图５断面２顶进距离与地表沉降关系 断面３在机头达到测点位置前（出洞１３．７ ｍ）隆起
最大。当机尾通过测点位置后（顶进距离约２０．５ ｍ），
地面开始下沉，顶管上方的地面相对机头到达时下沉约
３０ ｍｍ，继续顶进５ ｍ后再下沉约１０ ｍｍ（见图６）。
霎
一１５ ｌ ５ ｌ０ １６ ２２ ２８ ３４ ４１ ４９ 顶进距离／ｍ
图６断面３顶进距离与地表沉降关系 ４．２顶进施工引起的孔隙水压力变化 图７为孔隙水压力随时间变化曲线。当顶管机头
到达孔隙水压力测点前６ ｍ时，孔隙水压力开始上升；
在机头通过测点１ ｍ时，ＫＹ１的孔隙水压力增加最大值
为１０ ｋＰａ，ＫＹ２孔隙水压力增加最大值约２０ ｋＰａ，ＫＹ３
孔隙水压力增加最大值约３０ ｋＰａ，孔隙水压力均达到最
大值。机身通过测点的过程中，孔隙水压力迅速下降。
机尾通过测点后（顶管机头过孔隙水压力计５ ｍ后）， 孔隙水压力缓慢消散，５ ｄ后基本消散。
一 生 、 幽 ＊
图７孑Ｌ隙水压力随时间变化曲线 ４．３顶进施工引起的土体水平位移
１）垂直于顶进方向的水平位移在顶管刚出洞时
陡然增大，５ ｍ深度处水平位移达到约８ ｍｍ，
且水平 中回彳匮ｚ 温锁林：大断面矩形顶管施工对环境影响研究 ２０１ １年第５期
位移上面大、下面小，呈杯状分布。当顶管推进经过
测斜管时，水平方向变形恢复（见图８）。
图８垂直于顶进方向土体水平位移 从顶管机头靠近测点到机头尾端离开测点后一
段时间内，由于土体受到顶管机头顶进而产生的摩擦
力及顶管机头切口处的顶进作用，使土体向外挤压，
土层向远离顶管方向移动。随后，土体受到泥浆套注
浆压力的挤压，再向外移动，这部分位移跟注浆压力 的设定有直接关系。
当顶管机头离开测点后，土体开始向管壁方向移
动。原因有以下２点：
（１）由于后续管节的管径要比顶管的尺寸小，因
此当顶管机头离开测点后，土体要填补后续管节的建
筑间隙，因而产生土体变形，向内移动；
（２）在施工过程中，由于更换管节时主千斤顶系
统卸载使得管节回缩，此时开挖面土体产生松动后土
体向管壁移动。
２）平行于顶进方向的水平位移主要发生在深度
２～１２ ｍ范围内。最大值出现在５．５ ｍ处，水平位移
基本以该处为中心，呈钟形分布，最大变形达到约
２７ ｍｍ。顶管顶进过后，平行于顶管方向水平位移有
一定量的恢复变形（见图９）。
吕 ＼
主体水平位移／ｍｍ 图９平行于顶进方向土体水平位移 沿顶管顶进方向深层土体的移动规律较复杂，受
到多种因素的共同作用。当向前顶进时，机头、管节 等对周围的土体产生摩擦力，使得土体产生沿管道顶
进方向的移动；而当更换管节时，由于主千斤顶卸载，
此时管道会产生后退的现象（尤其是顶进距离较短
时），土体会产生部分回缩，向反方向移动；此外由于
刀盘的切削搅拌、取土，导致开挖面附近土体应力松
弛，使得水平应力减小，也会使刀盘前方土体向顶进
的反方向移动；当机头通过后，由于建筑间隙填充、注
浆减摩等因素，使得周围土体受到的摩擦力急剧减
小，土体产生回缩，土体的移动也相应减小。
５结语 顶管顶进过程中产生地面变形（沉降或隆起）的根
本原因是顶管施工对周围土体的扰动。引起土体变形
和地表沉降的具体原因有：开挖面的土层变形；机头纠
偏引起的土层变形；机头与后续管节之间管径差引起的
土层移动；管节后退引起的土层移动；土体流人管节接
缝及接缝渗漏产生的土层损失；受扰动土体的固结。
通过对上述工程大断面矩形顶管顶进施工现场实
测研究，得出以下结论。
１）地表竖向变形的规律是顶管推进时隧道上方
土体上抬，上抬量最大处均出现在顶管正上方，顶管
两侧土体影响较小，影响范围在顶管外边线以外５ ｍ
范围。顶管推进过后的地表沉降变化值较小，沉降变
化趋于平缓。此时，及时进行注浆，并控制好注浆压
力，可有效减小顶管上方土体沉降。
２）孔隙水压力在顶管施工过程中是不断发生变
化的。当顶管机接近测点时，土体受到强烈的挤压扰
动，孔隙水压力迅速变大。孔隙水压力在顶管机到达
测点前一段距离时达到最大值，此后孔隙水压力略有
下降。当顶管机尾部离开测点所在断面，孔隙水压力
开始快速下降。
３）在顶管顶进过程中，由于受到顶管机侧壁摩阻
力及正面顶推力，土体向外挤压，顶管侧面土体有较
大的垂直于顶进方向的水平位移，在顶管机通过后有
少量恢复，之后水平变形趋于稳定。受顶管施工的拖
曳作用影响，土体向顶管顶进方向产生水平位移，但 小于垂直于顶进方向的向外变形；后期随着注浆施
工，侧向摩擦阻力减小，变形趋于稳定。
研究矩形顶管施工时对土体的扰动规律，对于减
小施工时对周边建构筑物、管线等环境的影响，减少
施工中对城市居民生活的影响，最大限度地保护城市
环境，提高矩形顶管在城市复杂环境中的适用性具有
极其重要的意义。
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