頂管施工技術(shù)及其對(duì)土體擾動(dòng)的分析

付曉暢 （安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

1 引言

近些年來，隨著現(xiàn)代城市化的快速發(fā)展以及社會(huì)的飛速進(jìn)步，城市大規(guī)模建筑日益增多，地面空間日漸縮小，地下空間開發(fā)與利用的應(yīng)用也越來越廣泛。頂管施工作為一種非明挖的管道埋設(shè)施工技術(shù)，同時(shí)也是地下管網(wǎng)建設(shè)和綜合管廊建設(shè)主要的施工方法，成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。頂管施工技術(shù)節(jié)省了大量地面空間，減少了環(huán)境污染，作為城市建設(shè)的“器官”為市政工程提供了生機(jī)活力。頂管施工雖然有很多的優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)土體造成的擾動(dòng)也是不可小覷的。在分析引起土體擾動(dòng)的機(jī)理及原因的基礎(chǔ)上，提出一些技術(shù)措施以減少對(duì)土體的擾動(dòng)程度，對(duì)于類似頂管工程施工具有指導(dǎo)參考價(jià)值。

2 頂管施工的施工工藝

頂管法施工首先是在施工前設(shè)計(jì)好的管道頂進(jìn)中軸線之間開挖工作井和接收井，在已建工作井內(nèi)利用頂進(jìn)設(shè)備以及中繼間裝置所產(chǎn)生的頂推力，將頂管機(jī)和首節(jié)待鋪設(shè)管道相繼按設(shè)計(jì)路線頂入土體。一節(jié)管道頂完之后，再吊下另一節(jié)管道繼續(xù)頂進(jìn)，直至到達(dá)另一端預(yù)先開設(shè)好的接收井，最后再?gòu)慕邮站畬⒕蜻M(jìn)機(jī)吊起并回收。完成整段管道的鋪設(shè)[1]。

由張文帥等人[2]了解到頂管施工的主要組成部分，包括：①工作井、接收井；②主頂裝置及后背墻；③頂管機(jī)；④頂鐵；⑤頂進(jìn)管節(jié)與接口；⑥止水圈；⑦井內(nèi)導(dǎo)軌；⑧地面吊起設(shè)備；⑨測(cè)量裝置與注漿裝置；⑩中繼間；○1排土設(shè)備；○12輔助頂管施工；○13供電照明系統(tǒng)；○14通風(fēng)換氣系統(tǒng)。

3 頂管施工的優(yōu)點(diǎn)及分類

3.1 頂管施工的優(yōu)點(diǎn)

與市政管道的開槽施工相比較，頂管法施工有很多優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)如下：土方工作量較小；施工工期相對(duì)較短；施工噪聲??；緩解交通壓力；管線埋設(shè)工作在地下進(jìn)行，受自然條件的影響比較小，可以跨越地面的各種障礙；減少污染；施工質(zhì)量高；節(jié)省資金；地層的變形容易控制；節(jié)省了人力資源。頂管法施工的優(yōu)點(diǎn)充分體現(xiàn)出頂管施工技術(shù)的適應(yīng)性以及實(shí)用性，加快了城市化的建設(shè)，具有顯著的社會(huì)效益。

3.2 頂管的分類

頂管的分類依據(jù)有很多，每個(gè)分類依據(jù)的側(cè)重點(diǎn)各有不同，因此分類方式都不夠全面具有一定的局限性?？煞譃橐韵聨最怺3]：

①按照管節(jié)口徑大小的方式劃分為小、中、大口徑以及微型頂管，就目前頂管工程發(fā)展情況而言，中口徑在市政工程中的應(yīng)用比較多；

②按照頂管向前頂進(jìn)軌跡的方式不同劃分成曲線頂管和直線頂管；

③由頂管機(jī)掘進(jìn)不同形式劃分為氣壓平衡式、手掘式、土壓平衡式和泥水平衡式；

④根據(jù)頂管管材可以劃分為鋼管頂管、鋼筋混凝土管頂管以及其他管材頂管，在長(zhǎng)距離頂管施工過程中應(yīng)該優(yōu)先選擇鋼管頂管，因?yàn)殇摴艿目箟簭?qiáng)度較大；

⑤根據(jù)始發(fā)井和接收井之間距離長(zhǎng)短劃分為長(zhǎng)距離頂管及一般頂管。

在現(xiàn)場(chǎng)施工中，應(yīng)該根據(jù)土質(zhì)條件和施工要求選擇合適的頂管施工方式，以此降低成本、縮短工期。

4 頂管施工造成的土體擾動(dòng)分析

4.1 頂管施工造成的土體擾動(dòng)

土體擾動(dòng)是土體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)由于人為因素或者自然因素的存在而被打破，土層之間產(chǎn)生了附加應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)力狀態(tài)也因而改變，土體結(jié)構(gòu)以及物理力學(xué)性能都會(huì)發(fā)生改變。關(guān)于頂管施工所引起的土體擾動(dòng)已有一些相關(guān)重要研究。

鄭震宙，王迪等人[4]用ABAQUS 軟件對(duì)深圳某一配水管項(xiàng)目進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了注漿壓力、周邊土體性質(zhì)和掌子面支護(hù)力等因素對(duì)上覆土體及管線的擾動(dòng)，研究結(jié)果表明增強(qiáng)土體強(qiáng)度、注漿壓力合理化能夠有效抑制土體擾動(dòng)。

張建[5]用FLAC3D 軟件對(duì)軟土地區(qū)的福州文林山隧道管幕群管頂進(jìn)過程進(jìn)行了模擬，在模擬過程中不斷調(diào)整應(yīng)力釋放率且通過不斷分析選擇出最佳頂進(jìn)順序，以此降低對(duì)軟土層的擾動(dòng)。

張艷林等人[6]用ABAQUS 軟件對(duì)某引水工程進(jìn)行真實(shí)復(fù)雜地層的三維模型建立，又進(jìn)一步利用FLAC3D 軟件操作進(jìn)行數(shù)值模擬。擾動(dòng)結(jié)果顯示頂管施工對(duì)周圍地層產(chǎn)生了影響，上方的地層會(huì)發(fā)生沉降變形而下方地層會(huì)發(fā)生隆起變形，在軟弱土層中軟弱土層的厚度越厚變形就越大，故在軟弱土層較厚的施工區(qū)段應(yīng)采取加強(qiáng)措施。

安關(guān)峰等人[7]結(jié)合廣州一污水處理系統(tǒng)，借助三維建模，基于雙層頂管的施工次序和管道材質(zhì)，對(duì)地層的擾動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行探討。雙層頂管施工比單層頂管施工過程要復(fù)雜得多，所以雙層頂管對(duì)土體的擾動(dòng)和單層頂管相比會(huì)存在一定的差異。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)上下兩層頂管頂進(jìn)時(shí)下層土體受擾動(dòng)更明顯，下層上側(cè)位置的沉降量最大，正確的施工順序應(yīng)該是先進(jìn)行下層頂管的施工以便有效控制地表下降。

魏綱[8]在以往的基礎(chǔ)上將土體擾動(dòng)分成了七個(gè)區(qū)域，完善了土體擾動(dòng)分區(qū)圖。如圖1、圖2所示。

圖1 頂管施工縱向擾動(dòng)分區(qū)圖

圖2 頂管施工橫向擾動(dòng)分區(qū)圖

4.2 土體擾動(dòng)機(jī)理

為進(jìn)一步了解頂管施工對(duì)不同區(qū)域土體的擾動(dòng)程度、擾動(dòng)機(jī)理，對(duì)圖1、圖2各個(gè)擾動(dòng)區(qū)的擾動(dòng)情況進(jìn)行分析。

擠壓擾動(dòng)區(qū)①距開挖面較遠(yuǎn)，土體主要受到擠壓應(yīng)力。剪切力以及震動(dòng)荷載對(duì)此區(qū)域幾乎沒有影響。

剪切擾動(dòng)區(qū)②在開挖面正前方，土體遭受剪切力、頂進(jìn)力等多重應(yīng)力的作用。此區(qū)域的土體一方面受到平衡泥漿的壓力以及頂推力的影響而使水平應(yīng)力一定程度上有所增加的同時(shí)又因開挖卸載導(dǎo)致應(yīng)力松弛。

卸荷擾動(dòng)區(qū)③的土體在掘進(jìn)機(jī)向前頂進(jìn)的過程中會(huì)使迎面方向的應(yīng)力和豎直方向的應(yīng)力有一定的增加，使地面向上隆起破壞地面平整。掘進(jìn)機(jī)逐漸通過該擾動(dòng)區(qū)范圍以后，由于管徑差的存在和水土流失問題，土體應(yīng)力會(huì)發(fā)生卸載松弛現(xiàn)象引起地表沉降。

卸荷擾動(dòng)區(qū)④位于施工管道的下方，該區(qū)域的擾動(dòng)機(jī)理與區(qū)③大體相同，但由于自重作用明顯以及埋置的深度比區(qū)③大，所以卸荷擾動(dòng)區(qū)④的抗剪強(qiáng)度比較高，土體擾動(dòng)程度較弱，擾動(dòng)范圍較廣泛。

剪切擾動(dòng)區(qū)⑤主要是由于掘進(jìn)機(jī)在頂進(jìn)過程中管土之間產(chǎn)生了摩擦阻力而形成的，該區(qū)域受摩擦阻力的影響比其他擾動(dòng)區(qū)的影響范圍要小一些。

注漿剪切擾動(dòng)區(qū)⑥是由于頂管施工過程中不注漿或者注漿不及時(shí)產(chǎn)生的，適當(dāng)注漿能減小管土之間的摩擦阻力，而注漿不及時(shí)，就會(huì)存在剪切摩擦阻力。

固結(jié)區(qū)⑦土體產(chǎn)生了超孔隙水壓力區(qū)。原土體顆粒之間存在孔隙水，隨著管節(jié)推進(jìn)，顆粒之間的縫隙變小，孔隙水逐漸消散，超孔隙水壓力隨之下降，土體最終固結(jié)沉降。隨著時(shí)間推移，土體隨時(shí)間增長(zhǎng)還會(huì)發(fā)生蠕變現(xiàn)象造成次固結(jié)沉降。

由此可知，剪切擾動(dòng)區(qū)②以及卸荷擾動(dòng)區(qū)③受到的擾動(dòng)影響較大，土體的穩(wěn)定性較差，性能變化比較大，如變形模量、承載力、密實(shí)度以及強(qiáng)度等都會(huì)隨著土體擾動(dòng)程度的增大而降低。

5 減小頂管施工對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)的措施

土體擾動(dòng)的關(guān)鍵因素在于地層損失[9]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)歸納出造成地層損失的幾點(diǎn)原因：開挖面穩(wěn)定性不足、管道頂進(jìn)時(shí)糾偏、管土之間存在空隙問題、管道間連接密封性不好、中繼間密封性不好、管土之間存在摩擦阻力管道后退以及掘進(jìn)機(jī)施工時(shí)進(jìn)出工作井等。

針對(duì)以上現(xiàn)象并結(jié)合前人的研究，提出了一些緩解土體擾動(dòng)的措施[10]：

①采用注漿減摩工藝。目前有同步注漿與二次注漿兩種工藝。所謂同步注漿就是在施工過程中邊頂進(jìn)邊注漿。在頂管施工后依據(jù)管道與土體之間空隙存在的大小進(jìn)行注漿是二次注漿的注漿方式，注漿主要有填充存在的空隙、降低摩擦阻力以及支撐洞體等三方面的功能。

②合理控制糾偏角度。在進(jìn)行糾偏時(shí)，管道一側(cè)的土體產(chǎn)生空隙而另一側(cè)的土體會(huì)遭受到擠壓作用，因而大角度糾偏應(yīng)當(dāng)被盡量避免，亦須遵循“一勤二少三及時(shí)”的原則進(jìn)行糾偏。嚴(yán)格意義上講每節(jié)管道頂進(jìn)之后都需要對(duì)頂進(jìn)線路進(jìn)行測(cè)量、復(fù)測(cè)，以控制管道偏轉(zhuǎn)。

③維持開挖面穩(wěn)定。調(diào)控排土速度以及維持靜止土壓力與土倉(cāng)壓力平衡等措施都可以在一定程度上維持開挖面的穩(wěn)定性，維持開挖面的穩(wěn)定有助于緩解土體的擾動(dòng)與擠壓?jiǎn)栴}。

④曲率半徑不宜過小。曲率半徑越小頂管的側(cè)向頂進(jìn)荷載就會(huì)越大，會(huì)對(duì)側(cè)向土體產(chǎn)生更大的擾動(dòng)和擠壓。

⑤選擇正確合適的掘進(jìn)機(jī)。工具管背土、頂推力的大小、管道埋深、管徑差、土體孔隙率以及中繼間的布置等物理參數(shù)都是影響地表變形的主要原因，而這些因素受機(jī)頭的影響比較大，因此，頂管順利施工的關(guān)鍵在于選擇合適的頂管機(jī)頭。

⑥控制掘進(jìn)的速率。合理控制掘進(jìn)速率可以平衡入土量和出土量，這樣就可以達(dá)到保持掌子面土壓平衡的目的進(jìn)而降低地層損失。

6 結(jié)論

頂管施工技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展及應(yīng)用相對(duì)來說較晚，在實(shí)際操作中還存在一定的困難，特別是施工對(duì)土體產(chǎn)生的擾動(dòng)影響更是無法避免。但隨著科技進(jìn)步，設(shè)備升級(jí)，這些難題終會(huì)迎刃而解，對(duì)土體產(chǎn)生的擾動(dòng)影響也會(huì)在一定程度上得到緩解控制。頂管施工技術(shù)的發(fā)展大大節(jié)省了地面空間，解決了地面擁擠的現(xiàn)象，滿足了人們的需求。目前，頂管施工技術(shù)已廣泛應(yīng)用于供水排水、供電、供氣等多個(gè)方面。未來，其發(fā)展平臺(tái)將會(huì)更加廣闊，更好地為城市化建設(shè)做服務(wù)，使城市化建設(shè)邁向更高的臺(tái)階。