超大直徑頂管下穿建筑物時的擾動影響測試與分析*

顧 楊 徐偉忠 陳曉晨 陳立生

1. 上海市城市排水有限公司 上海 200233； 2. 上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司 上海 200065

0 引言

頂管施工是利用掘進(jìn)機工具管切削土體并排出，結(jié)合后方的頂力設(shè)備對管節(jié)和工具管的推進(jìn)作用，完成地下管道的非開挖式施工[1]。頂管技術(shù)具有施工效率高、建設(shè)周期短、對周邊環(huán)境影響小、工程安全性高和投資成本低等優(yōu)點[2,3]。頂管施工最大的優(yōu)點是減少了對于地表建（構(gòu)）筑物的直接影響，但頂管機頭刀盤切削開挖土體勢必會引起管道周圍土體的受力變形變化[4]，當(dāng)土體受力變化較為劇烈或產(chǎn)生過大的沉降變形時將產(chǎn)生明顯的地表和深層土體變形，進(jìn)而產(chǎn)生環(huán)境影響，當(dāng)頂管鄰近有房屋、道路、下埋管線等建（構(gòu)）筑物時，土體過大受力變形很有可能危及這些構(gòu)筑物的安全和正常使用。在管徑、埋深、頂距不斷提升的趨勢下，頂管施工條件日漸復(fù)雜，考慮巖土工程中的尺寸效應(yīng)[5]，直徑大小不同的頂管施工對管周土體的受力變形影響是不同的，因此，測試與分析大直徑頂管工程下穿越建（構(gòu)）筑物造成的擾動影響，對發(fā)展頂管施工控制理論和實際工程建設(shè)均具有重要意義。

1 工程概況

上海市污水治理白龍港南線工程干管采用鋼筋混凝土頂管施工，管道內(nèi)徑4 000 mm、壁厚320 mm。平行雙管間距9.6 m，管中心標(biāo)高平均－8.37 m。其中SST2.4標(biāo)段頂進(jìn)區(qū)間南北兩線平均頂距910 m，管頂平均埋深10 m，施工過程中要下穿民房、廠房等建筑物，環(huán)境保護(hù)要求高。

2 頂管施工穿越數(shù)值模擬

2.1 穿越建（構(gòu)）筑物有限元模型

以本工程SS2.4標(biāo)段頂管施工中實際下穿建筑物情況為背景，用ABAQUS有限元軟件數(shù)值模擬頂管下穿民房過程，F(xiàn)EM模型如圖1所示。管道與民房建筑樁基的相對位置如圖2所示。計算模型為三維模型土體寬度52 m，深30 m；鋼筋混凝土管道內(nèi)徑4 m，管壁厚320 mm；外表泥漿層厚度為20 mm。民房傾斜計算分析充分考慮了民房自身的樁基作用，用高1 m的實體單元對其進(jìn)行模擬。

圖1 管道下穿民房FEM模型

圖2 管道與民房相對位置

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖3為頂管穿越施工過程中建筑物最大豎向位移隨著時間的變化曲線。由圖可見，頂管掘進(jìn)機工具管逐步接近尚未穿越時，機頭前土體在開挖面壓力下受到擠壓而呈隆起變化，當(dāng)機頭穿越時隆起達(dá)到最大；而當(dāng)頂管機頭的尾部通過建筑物時，由于機頭尺寸較管道直徑大2～3 cm，會引起一定程度的地層損失造成地表沉降，隨著管周土體擾動之后的再固結(jié)進(jìn)一步發(fā)展，最后趨于穩(wěn)定值4.5 mm，從環(huán)境影響的角度來看，沉降在控制范圍內(nèi)，滿足環(huán)境影響控制的要求。

圖3 建筑物豎向位移模擬曲線

由上述模擬結(jié)果得出頂管施工過程中地表會發(fā)生先隆起后沉降的變化，因此，地表房屋等建筑物在產(chǎn)生豎向位移的同時也一定伴隨水平方向的位移，圖4為數(shù)值模擬得出的頂管下穿過程中，位于民房頂部和底部位置處的水平方向產(chǎn)生的位移變化曲線，觀察可見，頂管下穿施工造成地表先隆起后沉降的變化造成了民房建筑在水平方向上5 mm左右的偏移。由圖中曲線可以計算出民房的傾斜率小于0.5‰，滿足環(huán)境保護(hù)要求。

圖4 民房建筑頂部與底部水平位移

3 實測情況與測試結(jié)果分析

對于頂管下穿越的地面建筑物，主要監(jiān)測其豎向位移和傾斜。

3.1 地面沉降實測分析

結(jié)合圖5、圖6及工況記錄可見，頂管頂進(jìn)過程中隨著機頭不斷接近測試斷面1，在較大的開挖面壓力作用下且頂進(jìn)速度較快時地表會呈隆起變化；而當(dāng)下穿斷面2時，地表未出現(xiàn)前者情況，此時頂進(jìn)較慢、開挖面壓力較小；監(jiān)測后期，斷面1和斷面2最大沉降分別為19 mm和12 mm，斷面1后期沉降較大主要由前期對于土體的擾動較大造成。另外，頂管下穿時，管道正上方沉降大于管兩側(cè)。可見，管道正上方地表受開挖卸荷影響較大，受到的擾動更厲害。

圖5 下穿斷面1地表沉降監(jiān)測曲線

圖6 下穿斷面2地表沉降監(jiān)測曲線

3.2 土層變形實測分析

圖7所示為管道側(cè)向土體分層沉降，施工過程中，各層土體最大沉降為14 mm。結(jié)合各測點的監(jiān)測結(jié)果可見，在管道頂進(jìn)中，位于管道兩側(cè)的土體也會受到頂進(jìn)施工的擾動影響而產(chǎn)生一定的沉降，其中越是靠近管道頂部的土體產(chǎn)生的側(cè)向沉降越大，地表、管底及較深處土產(chǎn)生的沉降較小。由此可見，頂管注漿和頂進(jìn)共同作用對周邊土體產(chǎn)生的擾動影響劇烈，土層發(fā)生較大沉降。

圖7 下穿斷面分層沉降

3.3 民房沉降實測分析與對比驗證

在頂管下穿民房建筑過程中引起房屋沉降的測試中，頂管穿越過后民房的沉降達(dá)到的最大值為4 mm（對房屋沉降的監(jiān)測記錄從頂管機頭開始穿越民房時開始）。

通過比較可見，數(shù)值模擬得出的關(guān)于頂管下穿建筑物時產(chǎn)生的變形，滿足變形控制要求的結(jié)論與現(xiàn)場測試結(jié)果相符，施工對建筑物變形影響較小。

3.4 民房側(cè)向變形實測分析與對比驗證

頂管機頭下穿民房過程中引起的房屋水平方向位移的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果見圖8。圖中曲線代表了民房建筑的水平方向位移的變化發(fā)展，觀察可見其最大位移為12 mm。

圖8 頂管穿越民房引起的側(cè)斜

因數(shù)值模擬建模過程中考慮計算的簡化以及房屋的樁基作用，將民房建筑的高度用1 m實體單元代替，其模擬結(jié)果較房屋頂部測點的實測結(jié)果有所差別，但房屋底部測點水平方向位移的實測結(jié)果與模擬結(jié)果接近，較好地驗證了數(shù)值模擬結(jié)果。房屋實際的水平方向位移經(jīng)計算低于1‰，滿足對建筑物傾斜控制的要求。

3.5 土體變形規(guī)律和機理分析

（a）由上文地面沉降測試結(jié)果并結(jié)合工況記錄，當(dāng)機頭開挖面壓力為140 kPa左右時，頂管對土體的擾動較小?？梢?，開挖面的土層變形與開挖面壓力有關(guān)。

如果開挖面壓力P0與自然土壓相等，則理論上無土層變形、無沉降。但實際P0不可能正好與自然土壓相等。當(dāng)P0較自然土壓大時，將產(chǎn)生擠壓、地表隆起；反之，地表沉降。

（b）頂管施工中沿縱向軸線產(chǎn)生的地表沉降發(fā)展分為（圖9）：機頭位置前變形階段、頂進(jìn)沉降階段和管周土固結(jié)沉降階段。由上文地面、分層沉降的實測結(jié)果分析，可見，在頂管機頭位置到達(dá)測試斷面前，機頭前方的土體對應(yīng)的不是持續(xù)的隆起而是呈一定的波動變化。因此可將頂管穿越施工造成地表縱向變形的過程進(jìn)一步細(xì)分為：機頭接近前的隆沉波動階段、機頭下穿時地面隆起階段、機尾通過時沉降階段和土體再固結(jié)后期沉降階段。

圖9 地表縱向變形階段

（c）由監(jiān)測結(jié)果得出地表沉降受以下因素影響：頂管機頭接近監(jiān)測斷面過程中，在開挖面壓力的作用下，地表出現(xiàn)隆起；機頭尾部通過后，由于管片與機頭外徑的差異，會引起一定程度的土層損失而造成地表沉降的快速形成。

由工況記錄可見，在頂管機頭開挖面處未出現(xiàn)明顯超、欠挖，即開挖面較為穩(wěn)定的前提下，機頭掘進(jìn)速度越快，產(chǎn)生的地表沉降發(fā)展越快。

比較下穿斷面1時管頂正上方測點與管兩側(cè)的測點沉降情況的差異，可以判斷，頂管施工過程中機頭位置處刀盤壓力、注漿孔位置及注漿壓力大小、機頭與管道直徑尺寸上的差異引起的土層損失以及管周土體擾動后的再固結(jié)沉降的共同作用造成了管道正上方土體的沉降比管道兩側(cè)土體沉降大的結(jié)果。

4 結(jié)語

（a）通過與實測結(jié)果的對比，較好地驗證了數(shù)值模擬得出的關(guān)于頂管下穿建筑物時產(chǎn)生的變形滿足變形控制要求、施工對于建（構(gòu)）筑物的影響較小的結(jié)論。

（b）實測結(jié)果表明開挖面壓力P0若與自然土壓相等，則理論上無沉降變形。當(dāng)P0較自然土壓大時，將產(chǎn)生擠壓、地表隆起；反之，地表沉降。頂管施工中地表縱向變形發(fā)展可以細(xì)分為：機頭到達(dá)前波動階段、下穿隆起階段、機頭尾部通過后快速沉降階段、土體再固結(jié)后沉降階段。

（c）地表變形的影響因素主要有：開挖面壓力、管片與機頭外徑的差異、頂度、外壁剪切力、注漿、地層損失及后期土體固結(jié)等。