顶管施工对周围土体影响的机理分析

肖雁征 雷 鸣*

(广东省长大公路工程有限公司，广东 广州 510620)



顶管施工对周围土体影响的机理分析

肖雁征 雷 鸣*

(广东省长大公路工程有限公司，广东 广州 510620)

以实际工程为背景，分析了顶管施工过程中土体的变化趋势和变化原因，探讨了顶管施工对土体的扰动机理，并对顶管工后不同区域土体作了研究，确定了卸载土体性质变化的主要因素，为深入研究土体力学性能提供了条件。

顶管施工，土体，扰动机理，力学性质

随着我国城市化的进程加快，顶管施工[1-3]的应用越来越广泛。然而，由于该项施工在我国起步晚，而且面对的问题复杂，致使许多工作有待进一步探索，如：混凝土管接头处的密封问题；顶进方向的控制问题；长远距离顶管施工的可行性问题，以及施工过程和施工后对周围环境的影响问题等。本文以西江引水线工程横穿某既有高等级公路为背景，通过地层损失原因分析、扰动区划分、影响卸载土体性质变化因素和卸载扰动下土体的各处应力状态分析等，研究顶管施工扰动周围土体的机理，为进一步开展顶管施工对周围环境影响提供可借鉴的资料。

1 顶管施工引起的土体扰动分析

目前顶管施工常用的方法有：气压平衡法、泥水平衡法和土压平衡法。不论采用哪种方法，在顶管施工过程中，都会对周围土体产生一定的扰动；在顶管施工后，由于各种地层损失，再加之土体卸载固结作用等，导致沉降发生给周边环境带来影响。

1.1 施工引起的地层损失

顶管施工对土体扰动的影响因素很多，致使地层损失可归结为以下几方面：1)土体应力与开挖面作用力不平衡，造成的地层损失。2)施工导致的管道外周产生环形空隙造成的地层损失。3)顶进过程中，工具管背土造成的地层损失。4)工具管及后续管节与周围地层摩擦所造成的地层损失[4]。5)顶管施工过程中因纠偏造成的地层损失。6)顶进过程中工作井后靠土体变形造成的地层损失。7)操作工具管不合理引起的地层损失。8)顶管由于管节回弹造成的地层损失。9)管道及中继环接头密封性不好造成的地层损失。在上述分析的9种地层损失中，前3类属于正常的地层损失，一般很难避免的，只能通过不断提高技术进行减小损失；后6类属于非正常的地层损失，可以通过顶管施工技术改进减少或者避免。

1.2 受扰动土体的再固结引起的地层损失

从以上施工引起各种地层损失中，不难发现工具管与后续管道的管径差带来的影响最为明显，直接导致了土体的应力卸载，并导致土体的后续固结作用。顶管施工导致管线周围土体的再固结，其变化过程主要由两个方面引起[5]，即：

1)孔隙水压力的释放。管道周边土体会因顶管施工产生超孔隙水压力区。当顶管掘进机离开该处地层时，管道周围土体卸载，造成土体的应力释放，孔隙压力下降而引起土层固结。2)孔隙水压力的消散。顶管推进过程，需要进行压浆处理，但这些工序会在周围地层形成超孔隙水压力区，超孔隙水压会逐渐消散，各层土体就会发生排水固结作用，也会引起地面的变形与沉降。

以上是顶管施工导致受扰动土体再固结的主要原因，当然，土体再固结是一个长期变化的过程，不仅发生在顶管施工过程中，顶管施工后也会发生。另外，土体固结的过程由于注浆的因素，其变化机理将是一个缓慢卸载的过程，在该过程中，由于砂浆的硬化，强度增加，减少了卸载的速率。

2 施工扰动区土体作用机理分析

顶管施工引起周围地表变形[2]，其内在原因是土体的初始应力状态发生了变化。由于施工扰动作用，原状土经历了复杂的应力路径，包括挤压、剪切、扭曲等作用，造成土体应变，从而产生位移。顶管周围的土体与顶管相对位置不同，其变化机理也是不相同的。

2.1 扰动区的划分

借鉴和参考盾构施工的划分方法[6，7]，并在前人的研究成果基础上，本文将扰动区分为7个不同的扰动区，即：挤压扰动区①、剪切扰动区②、卸荷扰动区③、卸荷扰动区④、剪切扰动区⑤、注浆剪切扰动区⑥和固结区⑦，如图1，图2所示。

为了便于理论分析和数值模拟计算，将卸荷扰动区在各个施工阶段中与头部倾角定为(45°-φ/2)，与被动土压力角一致；两侧卸荷扰动区与固结区分界线的倾角，与顶管外壳约成(45°+φ/2)，与主动土压力角一致，其中，φ为土的内摩擦角。

2.2 扰动区的扰动机理分析

通过相关理论分析，并结合实际工程的现场监测资料，本文对各个扰动区的扰动机理作如下分析：

1)挤压扰动区①。该区土体与开挖面的距离较大，随着顶管的推进，土体受到的挤压应力越大，土体所受水平应力也越大。但由于工作面距离远，受到顶进产生的振动荷载等影响相对较小。2)剪切扰动区②。该区在顶管的正前方，千斤顶推力的挤压及顶进产生的振动荷载造成该区应力状态较为复杂。该区土体变化由开挖导致应力松弛，顶进推力和平衡泥浆的压力共同决定，因而区②土体所受的应力情况相对比较复杂，带来的影响也是剧烈的。3)卸荷扰动区③。该区受到由区①扩散的挤压应力和剪切应力的作用，水平和竖直方向应力均有所增加，地表会有隆起变形，由于掘进机与后续管节的管径差，泥浆水分流失等原因，使区③土体应力卸载，通常会导致地表沉降变形。这个区域土体的应力变化对整个工程的影响是最大的。4)卸荷扰动区④。该区扰动机理与区③类似，但由于土体的深度更大，导致土体的抗剪强度更大，在掘进机与后续管节的重力共同作用下，使得其扰动程度相对较小，其扰动范围由于应力扩散作用则要更大。5)剪切扰动区⑤。掘进机推进过程中外壳与周围土体之间产生摩擦阻力，导致掘进机外壳周围土体中会产生剪切扰动区，该区的范围较其他区小。6)注浆剪切扰动区⑥。当不注浆时，该区内土体受到管道与周围土体之间的剪切摩擦阻力，在施工时会沿管道轴线方向反复地前后移动。7)固结区⑦。顶管管道周围土体因扰动形成超静孔隙水压力区。随着掘进机向前工作，超静孔隙水压力会下降，孔隙水逐渐消散，土体发生固结从而使土层产生沉降。

上面的分区是根据其应力状态变化而划分的。由于土体受到挤压作用，工具管通过时卸载产生沉降以及孔隙水压力消散会产生固结，因此土体的应力状态一直是不断变化的，并不是单一受压或受剪。

通过分析各个扰动区的扰动机理，以及对比各个区域的力学路径的变化，可以发现：挤压扰动区①、剪切扰动区②、剪切扰动区⑤、注浆剪切扰动区⑥，这些区域的土体扰动可以通过施工措施减小或者避免；但是卸荷扰动区③、卸荷扰动区④、固结区⑦，这些区域的土体扰动不仅发生在施工过程中，在施工过程后，土体的变化也在不断开展。所以针对这些区域的土体，不仅要在施工过程中采取相关措施进行严格控制，在施工过程后，也要加强监控，对土体的变形情况进行更加深入的观察和研究，使得土体的扰动变化对周围构筑物的影响降到最低。

3 卸载土体性状的影响因素及应力状态分析

在顶管施工后土体主要受到卸载作用，正是在这样的状态下，土体的沉降不断开展，需要进行有针对性的分析。目前，针对卸载土体的力学行为分析还很不够，本文依托实际工程，重点对卸载土体的力学行为，以及影响土体力学性质主要因素、不同位置土体的应力变化状态进行分析。

3.1 卸载土体力学性质变化的主要影响因素

顶管施工后会给管道周围的土体带来卸载作用，其中主要原因之一在于工具管一般会比后续管道的直径大，如图3所示，尽管管径差别造成的空隙会用砂浆填充，但是无法使砂浆完全填充，所以土体的卸载固结作用会不断开展。顶管施工后卸载土体的力学性质变化，可从以下几方面因素进行分析：开挖面大小，注浆扰动程度，外部荷载。3个因素中，前2个因素为内因，开挖时的卸载剧烈，注浆后减小，浆体硬化后卸载速率进一步减小。第1个因素带来的影响是最为根本的，第2个因素主要是为了弥补缓和第1个因素带来的影响，它们带来的影响可以作为整体考虑；后1个为外因，也会给卸载程度带来变化。

3.2 不同区域土体的应力状态分析

顶管工具管过后的土体主要处于卸载固结的状态，但是鉴于顶管周边土体的位置不同以及与顶管之间相互作用的不同，造成各区域的土体的力学行为是不同的，各个区域的土体有着各自的变化过程，给出如图4所示的土体分析点位置，以便针对性分析应力状态。

由于顶管施工带来的土体损失，主要是管道外周环形空隙引起的地层损失，造成了周边土体处于应力卸载的状态，土体会向空隙的方向移动，所以不同区域的土体的移动方向是不同的。这些土体移动的过程中是一个应力不断进行卸载，不断发生固结的过程。

选取顶管施工后横断面的位置图，对周边土体进行二维的力学行为分析，取竖向应力为σ1，水平应力为σ3，结合相关文献资料，对各个位置的应力变化分析如下：

1)位置1处的土体。由于顶管施工造成的土体损失，会向下移动，其中σ1下降的速率最为明显，而σ3的变化相对于σ1就比较小，该处土体在工具管过后，处于σ1减幅大于σ3的卸载状态下。

2)位置2处的土体。由于顶管施工造成的土体损失，会向上移动，其中σ1减幅最为明显，而σ3的变化相对于σ1就比较小，该处土体在工具管过后，处于σ1减幅大于σ3的卸载状态下，但是相对于位置1的土体，由于顶管的重量以及土体的自重，土体的卸载速率小于位置1。

3)位置3处的土体。由于顶管施工造成的土体损失，会向左下方移动，其中σ1，σ3减幅都比较明显，所以该处土体在工具管过后，处于σ1，σ3均不断卸载的状态下，通常而言，处于σ1减幅小于σ3的卸载状态下。

4)位置4处的土体。由于顶管施工造成的土体损失，会向左移动，其中σ3减幅最为明显，而σ1的变化相对于σ3就比较小，该处土体在工具管过后，处于σ3减幅大于σ1的卸载状态下，与位置3相比，这种减幅的差距更加明显。

5)位置5处的土体。由于顶管施工造成的土体损失，会向左上方移动，其中σ1，σ3减幅都比较明显，所以该处土体在工具管过后，处于σ1，σ3均不断卸载的状态下，但是相对于位置3处，主要是由于土体自重的影响，造成了卸载速率比位置3处小。

6)位置6、位置7、位置8处的土体。由于相对于位置3、位置4、位置5处的土体而言，距离顶管位置较远，所以受到的扰动较小，尽管应力卸载路径与这些位置的土体大致相同，但是卸载速率要小于这些位置的土体。

7)相对顶管位置更远处的土体，也将处于一个缓慢卸载的过程，其中相对减幅就更小了。以上的分析是针对工具管过后的土体，根据它们位置的不同，对它们的应力卸载路径做出的分析，从而可以得到工具管过后，不同区域的土体，各自的卸载变化情况，可以进一步的对这些土体进行针对性的分析，得出它们的应变值随着卸载程度不同而发生的变化规律。

4 结语

1)引起地面沉降的主要原因是施工引起的各种地层损失和扰动土体的再固结。顶管施工中管道外周环形空隙所引起的地层损失是产生地表沉降的主要因素，带来的影响最大；工具管与后续管道的管径差，直接导致土体的应力卸载，并生产土体的后续固结作用。2)挤压扰动区、剪切扰动区、注浆剪切扰动区，这些区域的土体发生扰动通常是在顶管施工过程中，通过施工中的一些措施，可以减小或者避免；卸荷扰动区、固结区，这些区域的土体扰动不仅发生在施工过程中，在施工过程后，土体的变化也在不断开展，只有对土体的变形情况进行更加深入的观察和研究，才能使得土体的扰动变化对周围构筑物的影响降到最低。3)顶管工具管过后的土体主要处于卸载固结的状态，不同区域(与顶管位置)土体的应力状态不同。除了顶管周边土体变化较为复杂，大部分土体的变化规律是竖向应力减幅较小，水平应力卸载明显。所以，在后续的各项研究中(包括：室内试验、现场试验、数值计算、理论分析等)，应针对这些特点，更具代表性的进行土体卸载试验，以获取更加普遍的规律。

[1] 喻 军,龚晓南.考虑顶管施工过程的地面沉降控制数值分析[J].岩石力学与工程学报,2014(S1):2605-2610.

[2] 房营光,莫海鸿,张传英.顶管施工扰动区土体变形的理论与实测分析[J].岩石力学与工程学报,2003,22(4):601-605.

[3] 施成华,黄林冲.顶管施工隧道扰动区土体变形计算[J].中南大学学报(自然科学版),2005,36(2):323-328.

[4] 曹 浩.顶管施工引起地表变形规律的分析[J].湖南交通科技,2012,38(2):52-56.

[5] 张 军.地下穿越工程微扰动机理分析及控制指标研究[D].上海：同济大学,2009.

[6] 冯海宁,温晓贵,魏 纲,等.顶管施工对土体影响的现场试验研究[J].岩土力学,2003,24(5):781-785.

[7] 张孟喜,孙 钧.受施工卸载扰动黄土的变形与强度特性研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(13):2248-2254.

Analysis on influencing mechanism of pipe-jacking construction upon surrounding soil

Xiao Yanzheng Lei Ming*

(GuangdongChang-DaHighwayEngineeringCo.,Ltd,Guangzhou510620,China)

Taking actual engineering as the background, the paper analyzes soil altering tendency and changing causes in pipe-jacking construction process, explores the disturbance mechanism of pipe-jacking construction upon soil, studies various soil after pipe-jacking construction, and determines major unloaded soil property changing factors, which has provided some guidance for studying soil mechanical property in depth.

pipe-jacking construction, soil, disturbance mechanism, mechanical property

1009-6825(2017)06-0110-03

2016-12-13

肖雁征(1970- )，女，助理工程师

雷 鸣(1969- )，男，高级工程师

TU431

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