基于大型顶管穿越高速公路的环境影响分析

郑 琳

（上海新地海洋工程技术有限公司，上海 200083）

经过多年发展，顶管技术在我国的大量工程中得到广泛应用，且保持着高速增长态势，在设备及施工工艺上均有长足进步，顶管的口径与掘进距离不断增大，施工技术与世界先进水平日益接近。在埋深较大、穿越交通干线和周围环境控制要求较高的区域，采用非开挖顶管法施工相对安全和经济。而在软土地层中实施顶管施工，难以避免对管道周侧土体产生扰动，从而引起管道周围土体的变形。有学者通过二维及三维有限元计算了顶管施工产生的土体变形和土体应力，通过现场测试验证土体扰动理论，以理论分析及实测数据研究了顶管施工的环境影响[1-8]。

本文通过对大型顶管穿越高速公路周边环境的变形监测，综合分析顶管周边土体变形、高架立柱及地表管线变形之间的关系，为顶管法在软土地区的应用及环境保护提供指导与借鉴。

1 工程概况

黄浦江上游水源地连通管工程包括连通管线、松江泵站及青浦、金山、闵奉三个分水点。工程起自金泽水库出水泵站外JA-01井，终到闵奉分水点，线路长约42km。工程输水规模351万m3/d，青浦分水点向青浦分水65万m3/d，松江泵站分水66万m3/d，金山分水点分水50万m3/d，闵奉分水点向闵行分水110万m3/d，向奉贤分水60万m3/d。金泽水库至青浦分水点线路长约8.57km，采用DN4000钢管；青浦分水点至松江泵站线路长约9.87km，采用DN4000钢管；松江泵站至金山分水点线路长约15.87km，采用DN3800钢管；金山分水点至闵奉分水点线路长约7.69km，采用DN3600钢管。

JC06井—JC05井区间穿越S32申嘉湖高速公路，穿越段位于JC06顶管工作接收井西北侧，高架跨度约51m，钢顶管底埋深13.49m，管径为DN3800。顶管的施工工况见表1、区间地层分布见表2。

表1 顶管施工工况Table 1 Construction condition of pipe jacking

表2 顶管区间地层情况Table 2 Stratum situation of pipe jacking

2 顶管施工对土体的扰动机理

2.1 扰动效应分析

在软土地层中采取顶管工艺掘进施工，不可避免会对管道周围土体产生施工扰动，使得周边土体出现卸荷或加荷等复杂的力学行为，土体的应力应变状态及孔隙水压力将会发生改变，进而引起管道周围土体的变形，促使土体发生位移。顶管掘进过程中土体扰动成因极其复杂，因此应分析引起土体各类变形的成因，有效调整施工工艺，减少顶管施工对环境变形的影响。

2.2 受扰动土体的分区

在前人研究的基础上，魏纲等对顶管施工土体扰动分区进行了改进[6]，共分为7个区（图1），分别是：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、固结区⑦。掘进机前端的倾角约为（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倾角与掘进机外壳呈（45°+φ/2），与主动土压力角一致，φ为土的内摩擦角。顶管施工对土体的扰动是通过施工产生的附加应力对土体发生作用而产生的，各扰动区土体所受到的施工附加应力的大小、方向有所不同，因此对土体的扰动作用也不同。周边环境变形的主要原因是施工扰动造成的，合理控制施工的各个环节是减小周边环境变形的关键因素。

图1 顶管施工扰动分区图Fig.1 The perturbation zoning of pipe jacking construction

3 监测点布设

在S32申嘉湖高速高架桥梁每个立柱上布设1个竖向位移监测点，共布设8个。

顶管区间穿越非开挖Φ813的高压燃气管道，变形监测点布点间距为6.0～10.0m，布置原则为由密至疏，共布置13个。

为了解燃气管道周侧土体在顶管穿越前、穿越时及穿越后的土体位移情况，在燃气管南北侧沿顶管轴线两侧各布置1对深层位移监测孔及分层沉降监测孔。用于监测土体深层水平位移的测斜孔深度为32m，分层沉降监测孔的深度为28m，每孔布设4个磁环。

在S32申嘉湖高速公路北侧的信息管线布设7个位移监测点，南侧监控管线布设5个监测点。

监测点布置见图2。

图2 顶管穿越环境监测平面布置图Fig.2 Environmental monitoring layout of pipe jacking

4 监测成果分析

4.1 高架桥墩竖向位移监测

顶管掘进施工过程中，高速公路桥墩有少量上抬，如图3。顶管采用泥水平衡工艺进行掘进，顶进过程中机头压力稍大导致上方土体有少量隆起，同时管道与土体间的摩擦亦是土体隆起的部分原因。土体隆起后未出现降落现象，主要与顶进过程中管外水泥浆与膨润土的置换有关，较好地控制了水土流失造成的地下空间损失，从而减小了高速公路桥墩的工后沉降，高速公路桥具有较深的桩基亦是其变形较小的重要原因。监测末期高速公路桥沉降已收敛。

图3 高架桥墩竖向位移历时曲线Fig.3 Vertical displacement of elevated highway pier

4.2 管线竖向位移监测

高压燃气管线及信息管线在顶管机头穿越过程中表现出明显隆起（图4），尤其是信息管线隆起较为突出，2016年8月13日的单次隆起量达到50mm。可见顶管机头顶进压力偏大，形成挤土效应，管线隆起。随着挤土效应产生的超静孔隙水不断消散，高压燃气管线缓慢沉降。伴随顶管上方土体固结的逐渐完成，管线竖向位移逐渐收敛，管道与土体间空隙进行了二次注浆有效控制了工后管线竖向位移速率。监测末期信息管线竖向位移已收敛。

图4 高压燃气管道(a)与信息管线(b)竖向位移历时曲线Fig.4 Vertical displacement of high-pressure gas pipeline (a)and information piper (b)

该区间自JC06井向JC05井掘进施工，顶管先穿越信息管线，穿越信息管线过程中产生了较大隆起。施工单位根据监测数据，及时减小了顶进压力，同时增加了触变泥浆的注浆量。后续穿越高压燃气管过程中，管线的隆起量明显减小，顶进过程中个别点的竖向位移累计量超出报警

表3 监测末期高压燃气管线竖向累计位移(mm)Table 3 Vertical displacement of high-pressure gas pipeline at the end of monitoring

值的10mm，测值为11.20mm。监测末期高压燃气管的竖向位移累计量见表3，测值基本在±5mm内。

4.3 土体分层竖向位移监测

高压燃气管线周边布设2个分层沉降孔，测孔FC1在2016年8月14日当天被顶管破坏，测孔FC2数据较为完整，在地面下约4m、8m、12m、16m深度处各安装1个分层磁环。

顶管穿越土体深层竖向位移孔附近土层时，机头顶进压力偏大，顶管轴线上方土体受挤压隆起。由于本工程顶管管径较大，顶管轴线下方土体受卸荷影响隆起，顶管周侧土体均表现为隆起。顶管上方土体受超静孔隙水消散影响产生固结沉降，随着超静孔隙水的消散，上方土体的沉降逐渐收敛。顶管下方土体受管道及上方土体荷载共同作用后固结沉降，其竖向位移速率较上方土体要大。监测末期顶管周侧土体沉降已收敛（图5）。

图5 土体不同深度变形历时曲线Fig.5 The vertical deformation of soil body in diあerent depth

4.4 土体深层水平位移监测

顶管穿越施工过程中，CX1、CX2两个测孔在各工况均表现出向顶管掘进方向的水平位移（图6）。深层水平位移的产生主要由两种因素引起，一是初期机头顶进压力偏大，对前方土体形成挤压的深层水平位移；二是顶管掘进过程中与管壁外土体摩擦引起的前方土体深层水平位移。图4(a)、图5历时过程曲线反映出的土体和高压燃气管道隆起的时段及幅值变化具有较强的相关性，后续因超静孔隙水的固结沉降趋势一致。顶管掘进施工完成后，两个测孔的深层水平位移已收敛。

从测孔不同深度的水平位移可以看出，管道底标高以下土体较为稳定，管道直径范围内的土体受挤压最为明显，管道掘进施工对上部土体亦有一定的挤压。顶管掘进过程中对周边土体的扰动程度主要与顶力、顶速及地层分布有关，顶管外壁与土体间的触变泥浆的注入量亦是扰动土体不可忽视的因子。

图6 土体深层水平位移曲线Fig.6 The horizontal displacement of soil body in diあerent depth

5 结语

大型顶管穿越重要的高速公路及具有较大安全隐患的重要管线时，应严格控制顶力、顶速，同时控制触变泥浆的注浆量，减小顶管与外围土层间的摩阻力，有效控制顶管施工过程中的上方环境变形。顶管穿越施工完成后，应及时进行二次注浆的施工，以控制环境工后沉降。

周边管线的土体深层水平位移在顶管过程中表现出与顶管方向一致的位移趋势，尤其在距顶管中心1倍管径距离的范围内，位移比较明显，且表现出中心位置位移最大，向两侧逐渐减小的现象。

顶管穿越重要的风险控制点前，应提前在类似土层中钻孔布设深层水平位移监测孔及分层竖向位移监测孔，进行试验性的观测，获取穿越施工时的相对理想的顶力、顶速、触变泥浆注浆量等参数，将施工引起的环境变形风险降低到最小。