复杂环境下大口径顶管施工对周围环境的影响研究

白雨千

（中铁十八局集团第五工程有限公司， 天津 300459）

1 引言

顶管施工在1896 年开始于美国北太平洋公司， 而我国引入的时间则相对较晚， 北京地区在1953 年开始国内的第一项顶管施工工程。 经过几十年的发展， 我国的顶管施工技术已经有了较大的提高， 尤其是对于城市中长距离和大直径的顶管工程［1-3］。 作为一种不开挖的掘进施工， 顶管施工过程中所需占地较小， 施工时的噪音等也较小。 在建筑物较多以及交通较为繁忙的路段开展施工具有较大的优势。 但顶管施工时容易对周围土体造成一定的扰动， 而土体的扰动容易导致周围建筑物产生一定的安全隐患， 为此， 在开展顶管施工时必须对周围环境进行分析。

2 有限元分析

建模背景参考某顶管工程， 该工程所处地貌为河口相冲积平原， 有着较为平坦的地势环境，工程沿线覆盖有较多的填土， 沉积物为主要的下部填土类型， 并且主要为粉质土， 因地下土层具有不均匀的复杂性， 故在建模时将其划分为三层进行考虑。 鉴于本文的研究重点在于顶管与地表沉降的关系， 故本文选取该项目的直线段作为代表进行分析。 该直线段所处区域有着0.555%的坡度， 鉴于该坡度较小， 故本文在建模时将忽略不计， 全程模拟水平顶进的情况。 工程锁采用的圆形顶管机具有4180mm 的外径， 所采用管节的混凝土强度为C50， 内外径分别为3500mm，4140mm， 每段管节的长度均为2500mm。

本次模拟采用的是ABAQUS 有限元分析软件， 所建立模型如图1 所示。 顶管垂直下穿电缆沟， 其尺寸如图2 所示。

图1 模拟图

图2 电缆沟尺寸示意图

沿顶管轴线以及横向方向， 土体共有50m 的覆盖范围， 并且具有30m 的覆盖深度， 顶管轴心与地表保持有8m 的间距； 采用钢筋混凝土管作为顶管材料， 并在模拟时取25m 进行分析； 以20mm 厚度的等代层作为管节外侧泥浆套。

鉴于该工程主要覆盖土质为粉质土， 故本文在对其进行分析时采用Mohr-Coulomb 的弹塑性模型进行分析。 土体弹性模量基于地区经验进行确定， 以3-4 倍的压缩模量为准。

土层以三层进行简化处理， 以深度范围内的平均值作为参数的取值对象， 现场取土的参数如下表1 所示。

表1 土层的物理力学性质指标

限于篇幅， 本文将直接给出模拟结果。 通过本次有限元计算分析之后， 得到土体变形分布情况。 通过顶管动态施工过程模拟和变化模型摩阻力以及支护力数值大小的方式， 即可获取土体在多种情况下的变形情况［4-6］。

图中以X 轴来模拟起点顶进位置； 以Y 轴来模拟顶管的中轴线； 以Z 轴来模拟地表沉降，隆起时以正值表示， 沉降时以负值表示。

2.1 地表变形的模拟计算值

图3 顶进距离与地表沉降的关系

从图3 （a） 可知， 土体沉降变形规律大致表现为顶管机前方1.5D 位置有所隆起， 而其后方土体则大多处于沉降状态， 并且在顶管机头后方约为2.5D 处的沉降表现出逐渐趋于稳定的状态。从图3 （b） 中可以看出， 在顶管轴线位置有最大的沉降值， 并且随着轴线不断向两侧推移， 沉降逐渐减小。 在本次模拟中， 因距离顶管机3D 之外的位置沉降影响较小， 故此处忽略不计。

2.2 不同摩阻力对地表沉降的影响

土体在顶管顶进时会因机器的拖拽作用而引发沉降。 顶管与周围土体的接触面积随着顶管的不断顶进而有所增加， 但此时因存在有泥浆套，会使得沉降在最终逐渐稳定下来。 从图4 （a） 可看出， 摩阻力对顶管机头后方沉降影响较大， 对前方隆起影响较小， 具体表现为地表沉降显著加大。 从图4 （b） 中可看出， 一定范围内的横断面沉降受摩阻力的影响较大。

图4 摩阻力对地表沉降的影响

2.3 不同支护压力对地表沉降的影响

图5 不同支护压力对地表沉降的影响

从图5 （a） 中可看出， 前方土体在静止土压力小于支护压力时会受到挤压作用， 前方土体的隆起以及后方沉降均与支护压力成正比， 前方土体的隆起受到较大影响。 从图5 （b） 中可看出，不同横断面所受到支护压力的影响较小。

3 现场测量

顶管施工过程中， 除了要考虑施工的安全性之外， 还因施工过程中对周围土体的扰动， 而需考虑周围环境所受施工的影响。

在顶管不断推进的过程中， 管节周围土体被泥浆不断带出， 并且因上方土体不断受到重压作用而导致土体变形加剧。 对周围进行监测， 并对监测数据结果进行处理， 从而掌握顶进范围内土体变形情况， 以对施工做出调整， 提高顶管施工安全性。 本次监测内容包括有以下几方面：

3.1 地表沉降

对于直线顶进区域， 基于现场控制网， 在工作井周围朝向顶管推进方向30m 范围内， 以5m的间距布置监测点； 此后则以10m 的间距布置监测点， 具体如图6 所示。 若现场条件有限， 可适当降低测点布置数量或更改布置位置。 地表沉降应小于35mm， 隆起应小于10mm。

图6 测点布置图

3.2 土体内部位移

该部分监测共包括水平位移以及沉降两方面内容。 采取倾斜仪测量水平位移， 分层沉降仪测量内部沉降。

3.3 土体压应力

顶管是以一定的坡度朝前顶进， 在监测时采取预埋土压力盒的方式进行监测， 所以对顶管上下部位置通常难以监测。 故在顶管左右部位分别以20m 的间距埋设土压力盒。

3.4 邻近建筑物

首先进行预埋件的埋设， 此时需将测点周围空洞以水泥砂浆进行填充。 一般在所测建筑物的角点上埋设测点。 测点布置完成后， 需要采取保护措施避免受到损坏。 应控制周围邻近墙体沉降小于10mm， 测点的具体布置如图7 所示。

图7 测点布置参照图

4 实测数据分析

在实际测试过程中， 土压力盒受到扰动， 实测数据无明显规律， 而土体内部沉降规律并不显著，因此本文仅对其他两种情况的测试数据进行分析。

4.1 地表沉降

（1） 顶管轴线

将各点测试数据绘制如图8 所示。 图中X 轴从顶起时间起始点算起， 地表变形以Z 轴表示，隆起时以正值表示， 沉降时以负值表示。 限于篇幅， 本文仅列出部分数据。

图8 顶管轴线沉降曲线

从检测数据可知， 地表沉降具有相似的规律， 均表现为隆起后下降， 并在一定距离后逐渐趋于平稳， 而对于靠近接受井的测点， 该处因顶管施工在沉降稳定下来之前就已经结束， 故其表现为持续的沉降状态。 土体受大口径顶管施工的影响较大， 当顶管机机头到达监测点位置时土体有着最大的隆起值， 在顶管机不断向前推移的过程中， 土体沉降逐渐加大， 但当顶管机运行到某一距离时， 土体的沉降不断趋于平缓。 在顶管机前方最大有着5mm 的隆起， 在其后方最大有着34mm 的沉降。

（2） 顶管横断面

由图9 监测数据可知， 在1# 断面上的轴线最外侧有着12mm 的最小沉降值， 以及轴线上20mm 的最大沉降值； 4# 断面在轴线最外侧有着9mm 的最小沉降值， 在轴线上有着16mm 的最大沉降值。 当横断面上有顶管经过时， 轴线上的测点首先表现出沉降， 并从轴线开始朝向两边逐渐发展。 顶管横断面上的沉降随着不断往前的顶管施工而逐渐增大， 相比于两侧沉降， 轴线上有最大的沉降值。 因顶进施工的影响因素较多， 导致轴线两侧沉降也不相同。

4.2 邻近建筑物

从始发井顶进到接收井的过程中， 顶管轴线右侧存在着建筑物围墙。 该围墙平行与顶进轴线， 并与其保持有一定距离。 在三个围墙上以上述布置方案设置测点， 对其沉降和倾斜进行测量。 将所得结果汇总如表2 所示。

表2 墙体沉降数据 （单位： mm）

在顶管顶进过程中， 沉降首先在测点1 开始发生， 并逐渐发展到测点2 和3， 与土体受顶管施工的影响规律相似。 墙体仅具有7mm 的最大沉降量， 小于10mm， 符合设计要求。 对其原因进行分析可知， 因其为较大刚度的连续性结构墙体， 并且其与管道轴线保持有一定距离， 故其仅具有较小的沉降。

表3 墙体倾斜数据

通过分析表3 中数据可知， 墙体的垂直度因顶管施工受到一定影响。 墙体因为土体受到扰动发生沉降， 土体因扰动情况不一致从而导致墙体有倾斜情况发生。 对于该墙体而言， 其本身存在一定的倾斜， 在顶管施工扰动了土体之后， 扩大了墙体的倾斜， 但墙体的倾斜度在一定时间之后逐渐趋于稳定， 墙体总体倾斜小于0.6%， 满足要求。

5 结语

基于上述研究， 本文主要得出以下结论：

（1） 通过有限元分析的模拟结果可知， 在8m 埋深条件下的顶管施工中， 在顶管机头前进方向的1.5D 处有隆起现象出现， 而其后边的土体则表现出有所沉降， 并在距离2.5D 处沉降开始趋于平缓。 在顶管轴线上有最大的沉降， 并随着轴线向两侧距离的增加而逐渐降低。 顶管机头前方隆起受摩阻力的影响较小， 但其后方沉降受摩阻力影响较大； 而顶管机头前方受支护压力的影响较大， 后方沉降受支护压力的影响较小。

（2） 基于现场实测数据可知， 顶管机头前方有5mm 的最大沉降量， 在后方则有34mm 的最大沉降量， 且沉降量在距离顶管机头后方约为15m 处开始趋于平缓。 顶管施工场地周围墙体与管道轴线保持有一定距离， 且因该墙体为刚度较大连续性墙体， 固顶管施工对其影响较小； 该墙体水平与顶管轴线， 顶管施工导致其产生的倾斜度较小， 满足规范要求。