顶管施工对既有管线的影响及保护措施探究

欧智贤，胡海英，钟志辉

(1.广东省第五建筑工程有限公司，广东 韶关 512026；2.华南农业大学，广州 510642；3.广州市宏禹水利水电勘测设计有限公司，广州 510635)

随着城市化进程的加快，地下管网、市政道路和建(构)筑物密集区新建工程日益增多，同时对周围环境产生较大影响，引发的工程事故也越来越多，如地铁管片开裂、建筑物不均匀沉降和倾斜、市政管网破损开裂等。这些工程问题造成的经济损失和社会影响都较大，特别是被誉为城市生命线工程的地下管线，供水和电力管网的破坏直接影响城镇居民的生活和安全。因此，近几年新建工程施工对已有地下管线的安全影响及保护措施越来越受到政府行政管理部门的重视，也成为当前一个重要课题[1]。

新建顶管工程下穿既有管线会对临近管线产生影响，主要原因是顶管顶进施工过程中会引起顶管周围岩土体应力场和位移场的重新分布，从而引起既有管线结构周围岩土体应力场和位移场的变化。[2]因此，顶管施工期间要根据对下穿管线周围岩土体位移场或应力场的影响程度来采取相应工程措施。合理选择控制下穿管线变形、施工工艺，确保下穿期间既有管线安全正常使用，成为工程界必须解决的课题[3,4]。

1 工程概况

本项目位于某城市中心片区的永盛大街段，设计DN800 污水主管需横向跨越东深供水工程 J6+933.171 处东深供水渠，现状东深供水渠外轮廓尺寸为宽8m×高8m，设计污水管从上部跨越，穿越段顶管埋设较深(5.830m～6.615m)，顶管底面与东深供水渠顶面净距0.610m。东深供水工程承担香港供水任务，管线安全十分重要，穿越段顶管工程对东深供水工程箱涵可能会造成不利影响。为此，需评估顶管下穿施工时间对东深供水渠的影响，根据分析结果采取相应的安全保护措施。顶管与东深供水工程平面关系见图1，顶管与东深供水工程剖面关系见图2。

2 场区地质条件

本场区地层自上而下按成因类型划分。（1）填土层(Qml)：揭示层厚0.20～10.50m，平均2.31m；顶面埋深均为0.00m。（2）粉质粘土：揭示层厚0.40m ～8.7m，平均3.33m ；顶面埋深为0.40m ～5.10m，平均2.32m ；顶面标高22.66～51.14m，平均28.62m ；淤泥质土揭示层厚0.30～3.20m，平均1.73m ；顶面埋深为1.30～8.50m，平均4.27m ；顶 面 标 高18.41～38.25m，平 均26.28m。（3）中粗砂：揭示层厚1.00m～4.00m，平均1.91m ；顶面埋深为4.70m～10.50m，平均7.40m ；顶面标高19.29m～24.31m，平均31.37m。典型地质剖面见图3。

图1 管线与泵站平面关系

3 岩土体参数取值

岩土体参数取值见表1和表2。根据邓肯-张模型(Duncan and Chang )[5]，D-C 非线性弹性模型中加载时的弹性模量Et 由式（1）确定，即：

图2 管线与围堰平面关系

式（1）中，k 为加荷模量数；Rf为破坏比；Pa为大气压力；k、n 为试验常数，n 值一般在0.2～1.0。

对卸荷时的情况，应由卸荷试验测定其模量，以Eur表示，卸荷模量可由式（2）计算，即：

图3 典型地质剖面

式（2）中，k 表示卸荷模量数。卸荷模量数kur与加荷模量数k 的比值N 由式（3）确定，即：

本文主要考虑土层卸荷模量对结果的影响。数值计算中卸荷模量根据土层埋深深度来取值，卸荷模量取其弹性模量的1.2～1.6 倍。

4 顶管施工引起土体扰动机理分析

4.1 顶管施工引起周围岩土体变形特性

顶管机在掘进施工时对前方岩土体产生推挤，对周围岩土体产生扰动。房营光[6]等根据已有工程资料和实测数据，通过对比分析给出了顶管施工对周围土体扰动分区图。具体分区见图4 和图5。

顶管施工时引起周围岩土体应力场和位移场发生变化，由于两者距离不同，在不同扰动区顶管施工产生的影响也不同。[7]

4.2 顶管顶进期间引起周围土体移动特性

顶管顶进施工扰动下，周围岩土体会发生移动。这种移动具有明显的时空效应，且影响因素复杂，如当顶管与既有管线的相互位置关系、顶管顶进速度、周围岩土体特性、既有管线基础处理方式等都会导致土体的位移变化不同。

表1 岩土体参数取值

图4 顶管施工纵向扰动分区

表2 岩土层摩阻力特征值建议值

4.3 顶管顶进施工引起的地层损失特性

顶管施工会引起周围地层损失，从而导致顶管四周的土体向顶管及施工工作面方向移动，最后引起既有管线变形。其成因如下所述：（1）顶管管道外部的环状空隙；（2）开挖土体；（3）顶管顶进时与周边土体摩擦；（4）顶管施工时承压壁变形；（5）顶管工具管进洞和出洞；（6）顶管管节回弹。

5 顶管下穿对既有管线影响分析

图5 顶管施工横向扰动分区

通过工程案例，利用数值分析方法，探讨顶管下穿既有管线时管线顶部的土体变形场和应力场分布特点，分析其变化规律。从总体上认识管线的变形特点，了解管线和土体相互影响关系，分析管线受力，为安全保护措施提供依据和参数。

5.1 建立分析计算模型

为分析顶管顶进施工期间，对已有供水箱涵及其周围岩土体的影响，需建立顶管、竖井、土体和管线相互作用的三维分析模型。相线位置关系见图6 和图7。土层力学参数见表 1 和表2。

图6 顶管、工作井、接收井和箱涵、排水管平面关系

图7 顶管、工作井、接收井和箱涵、排水管竖向关系

图8 整体有限元网格模型

图9 顶管、工作井、接收井和箱涵、排水管模型

图10 顶管、工作井、接收井和箱涵、排水管侧视图

图11 顶管施工挖引起 供水箱涵的位移

图12 顶管施工引起供水箱涵的弯矩增量

图13 顶管施工后供水箱涵的弯矩

图14 顶管施工引起供检修排水管的位移

本文采用地层计算模型方法，并采用MIDAS/GTS 有限元软件建立管线计算模型。计算接收井和工作井的开挖、顶管顶进施工过程中对供水箱涵产生的附加变形和受力。根据实际情况，计算模型作如下简化：（1）顶管接收井四周注浆孔距离东深供水渠外边缘最小净距5.46m，简化考虑，一次性开挖；（2）顶管工作井距离东深供水渠外边缘最小净距20.76m，大于2 倍开挖深度，简化考虑，一次性开挖；（3）采用最靠近关心部位即东深供水箱涵(桩号J6+933.171)的ZKC250 钻孔作为参考土层，有限元模型假定为水平土层分布。

共采用约150 000 个实体单元，顶管、工作井、接收井、箱涵、检修排水管采用板单元模拟，其网格模型及位置关系见图8～10。

5.2 计算结果

顶管施工后，由于土体开挖卸荷和摩阻力的影响，顶管施工引起供水箱涵及其周围岩土体的最大位移为1.85mm(见图11)，位于顶管下方。箱涵弯矩最大增量约18.5kN*m，最大弯矩256.5N*m(见图12～13)。顶管施工引起检修排水管周围土体的最大位移为3.49mm(见图14)，位于顶管上方，影响较小，计算结果为顶管施工和使用期间的增量（见表3）。

表3 顶管各施工工况下箱涵位移和弯矩

综上所述，顶管上穿供水箱涵时，引起供水箱涵周围土体最大位移为1.85mm，位于顶管下方，位移较小，顶管施工引起的供水箱涵最大弯矩附加增量为18.5kN*m，增加的弯矩仍在供水箱涵结构承受范围之内，能够确保供水箱涵的安全。

6 对供水箱涵的安全保护措施及建议

6.1 控制和减小对供水箱涵影响的施工措施

顶管穿越施工期间，需严格控制设定的注浆量、平衡压力、出土量、注浆压力等参数。施工过程中可采取以下技术措施：（1）控制顶管正面土压力推进速度和出土量；（2）同步注浆与二次壁后注浆；（3）信息化施工。

6.2 顶管施工过程中的应急措施

顶管施工中需严格控制设定的平衡压力、注浆量、注浆压力、出土量等参数，控制好顶管的姿态，减少对土体的扰动，防止土体发生剪切破坏，遇到以下状况应立即停止施工：（1）在顶进过程中遇到障碍物时。（2）遇到机头快速下沉时。（3）地层中发生承压水时，可加快推进速度，减少送水量，快速通过滞水层。（4）当机头卡住无法取出时应停止施工，将机头永久留在地下，并将管道采用泵送砼灌满封闭，在管四周注浆填满空隙。最后由设计单位重新选择顶管位置，设计顶管方案，并重新组织专家论证。（5）顶管中如发现供水箱涵沉降值即将超过限制值，并有进一步发展趋势，应立即停止施工。如机头能取出应马上取出，并用砼灌满管道，在顶管周边注浆填充空隙。最后由设计单位重新选择顶管位置，设计顶管方案，并重新组织专家论证。（6）顶管中如偏位严重难以矫正，可能会碰到供水箱涵时，应立即停止施工，将机头永久留在地下，并将管道用泵送砼灌满封闭，在管四周注浆填满空隙。

6.3 加大管理维护频次

污水管道施工完毕应定期进行监测，监测污水管是否有渗漏、钢管结构是否锈蚀；顶管处东深供水箱涵是否有工后沉降。根据监测值采取相应应急措施。污水管道与东深供水工程的管理单位，应联合制定管理维护方案，建议将该处下穿污水管道，纳入东深供水工程的日常管理维护工作中，作为重点对象进行定期监测、维护和管理。