顶管工程中的退管法施工对环境影响的研究

2018-10-10甄亮

建筑施工 2018年6期

甄亮

上海公路桥梁（集团）有限公司上海 200433

顶管工程所处地下环境通常较为复杂，前期地质勘查工作受到周围环境和其他不便探测因素的影响，无法准确预知实际施工阶段存在的障碍物和地质突变情况，导致无法继续顶进；此外，顶管施工受到复杂地质条件和施工技术的影响，会偏离设计轴向，在纠偏不及时的情况下，轴向将产生较大的偏转变形，导致无法通过常规方法进行纠偏调整[1]。

在顶管工程中，针对上述工况，通常采用退回已顶进的管节，在退管产生的空隙处填充土，再调整轴线重新顶进，实现轴线纠偏。

退管技术相继在国内外顶管工程中得到实施。1994年在澳大利亚的Penrith，某工程采用顶管法修建一条长约500 m、φ0.762 m的污水管，在砂质黏土层顶进7 m时，由于地层承载力较弱，机头出现严重下沉，于是将管节和机头退回出发井并注砂回填，最终改进机头重新顶进成功[2]。

2000年以后，国内也相继出现了退管法施工的应用。广州市车陂路排污工程采用顶管法施工DN1 350 mm的排污管，单段管道长120 m，埋深7.5 m，在顶管顶进28 m时遇不明障碍物导致无法继续顶进，通过钢套管辅助将管节和机头拔出[3]。

在徐州市截污导流16标段地涵工程中，长174 m、内径2.4 m的钢筋混凝土管采用顶管法施工，在顶管顶进25 m时，混凝土管出现了一条横向裂缝和细微的纵向裂缝，因此退出全部管节和机头并置换坏管重新顶进[4]。

上海某道路新改建工程采用顶管法施工DN1 500 mm的排水管道，顶进60.3 m时遭遇桩基，最终将已顶的60.3 m管道全部退出[5]。

福州市洋里污水处理厂采用顶管法敷设φ2.4 m、长904.6 m的钢筋混凝土污水管，顶进10 m后机头累计下沉30 cm，最终退出已顶管节和机头重新顶进[6]。

尽管文献中顶管管径和退管距离不断增大，但退管法施工仍然依靠经验，而缺乏系统的理论研究。

退管法施工技术的应用，通常是因为周围环境复杂，难以通过地面措施处理顶管所遇到的障碍物或者轴线偏转问题，所以退管法施工也缺乏相关环境影响方面的实测数据。本文通过数值分析方法，对退管法施工进行模拟，研究退管法施工对环境的影响。

1 数值模型

1.1 地质条件

结合上海地区某顶管工程所处的典型软土地层条件，部分地层的工程地质参数如表1所示。平均埋深取10 m，顶管主要位于⑤2-2灰色粉砂和⑥暗绿色粉质黏土中。

1.2 模型参数

假设模型结构均为实体单元，地层为均质各向同性弹性体，约束两侧x方向的位移、约束前后y方向的位移、约束底部z方向的位移，顶面保持自由。为消除边界条件的影响，管轴线距离模型四周均为10 m，即假设顶管埋深为10 m，顶管起始顶进面为x-z平面，顶管起始顶进截面中心为坐标原点，已顶管长为50 m，模型长为100 m（图1），模拟退管距离10 m。

图1 退管数值模型

表1 部分地层的工程地质参数

近似取⑤2-2灰色粉砂层和⑥暗绿色粉质黏土层相关参数的平均值作为本次分析模型的基本参数。根据上海地区经验，地层土的弹性模量一般可取为压缩模量的2.5～3.5倍[7]，故地层土的弹性模量取28 MPa，泊松比0.3，重度18.9 kN/m3，考虑渗流孔压，渗透系数为6×10-6m/s，孔隙比为0.8。按目前文献中的工程参数，取DN2 500 mm钢筋混凝土管，壁厚 0.25 m，弹性模量35 GPa，泊松比0.2，重度25 kN/m3。

2 分析计算

假设在退管过程中注土压力保持稳定，退管后的回填土简化为作用在内壁上的径向压力和开挖面上的压力来平衡上覆土的自重，基本与实际工程中回填土对退管时机头刀盘的主动土压力值一致。但由于管土间的摩擦力和土体开挖回填产生的应力重分布，仍会导致地表变形。将10 m的退管分成5个工况，每个工况退管距离为2 m。研究特定管径下退管的地表变形影响范围，分析不同退管距离对沿顶管轴线地表以及同一横截面地表变形的影响。

3 结果讨论

顶管在常规顶进阶段，通常机头前方土体受到挤压，后方土体受到管土摩阻力的拖拽，沿顶管轴线的地表变形表现为顶进面前方隆起、后方沉降[8]。根据退管计算结果可知，沿顶管轴线的地表变形刚好相反（图2）。在机头前方地表发生了显著的沉降变形，不同工况下最大沉降变形的位置与工作井的距离见表2。在刚开始退管阶段，地表最大沉降变形处位置和最大沉降变形量相对变化较小。在退管4～6 m（约顶管外直径的2倍）时，地表最大沉降变形处位置向退管方向移动了17～19 m，最大沉降变形量增加了近1倍。随着退管距离增加，地表最大沉降变形处移动至机头前方退管施工区域内，与工作井距离的变化趋于减小并逐渐保持稳定，而当回填土的注土压力保持不变时，最大沉降变形量与退管距离近似成正比。随着与工作井的水平距离的增加，在距工作井约70 m以后，退管对地表沉降变形的影响趋于稳定。在机头后方，沿顶管轴线的地表形成了隆起区。随着退管距离增加，最大隆起变形量逐渐减小，当退管速度和机头前方回填土的注土压力保持稳定时，隆起变形量也随之趋于稳定。

图2 退管对沿顶管轴线地表变形的影响

表2 不同工况下最大沉降变形的位置与工作井的距离

在距离工作井50 m截面处（图3），即初始退管时机头正上方区域，初始退管时地表仅有微小的沉降变形。随着退管距离增大，地表沉降变形也逐渐增大，而两侧的沉降变形则对称减小。

图3 退管对距离工作井50 m截面处地表变形的影响

在距离工作井40 m截面处（图4），即退管10 m后机头正上方区域，初始退管时地表仅有较小的隆起变形。退管开始阶段，隆起变形出现增大，然后随着退管距离的增大，地表隆起变形逐渐减小，而两侧的隆起变形则对称增大。直到退管6 m以后，该截面地表开始发生沉降变形，随着退管距离继续增大，地表沉降变形也逐渐增大，而两侧的沉降变形则对称减小。

图4 退管对距离工作井40 m截面处地表变形的影响

在距离工作井30 m截面处（图5），即退管10 m后机头后方10 m区域，初始退管时地表已有一定的隆起变形。退管开始阶段，隆起变形出现增大，然后随着退管距离的增大，地表隆起变形逐渐减小。直到退管6 m时，该截面地表隆起变形才恢复到接近初始退管时的地表隆起变形量，随着退管距离继续增大，地表隆起变形继续减小，而两侧的隆起变形则对称增大。

图5 退管对距离工作井30 m截面处地表变形的影响

下面结合退管施工经验分析上述地表变形机理：由于退管阶段回填土无法及时填充满退管施工时产生的空隙，且回填土要求具有一定的流动性，其弹性模量远小于原位地层土，因此在机头前方地表发生沉降；而退管施工产生的管土摩阻力拖拽了后方土体，造成后方土体挤压变形，因此在机头后方地表发生隆起。随着退管距离的增加，地层损失也在不断增加，机头后方地表隆起量因此逐渐减小，有效控制了地层的综合变形。

综合分析结果，退管对地表变形影响较大的区域仍集中在退管施工区域，以及初始退管机头前方的约20 m区域（管外径6～10倍区域），和退管机头当前位置后方的10 m区域（约为管外径3倍区域），该区域建议为减少退管施工对地表变形影响的加固区。

而针对当回填土的注土压力保持不变时，最大沉降变形量与退管距离近似成正比且有不断增长的趋势这一情况，建议随着退管距离的增大，提高回填土量和回填土压力，并保持实时监测。