平行頂管施工引起的地面沉降計算方法綜述

摘 要：平行頂管施工過程中會引起地面產生沉降，文章闡述了平行頂管施工過程中土體擾動的產生機理，對引起地面沉降的計算方法進行綜述，總結了其優點和不足之處，提出了今后該領域中地面沉降的研究內容和研究方向。

關鍵詞：平行頂管；地面沉降；數值分析

中圖分類號：TU431 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）35-0158-02

在市政管道工程中，頂管技術的應用越來越廣泛。但是城市越來越擁擠，地下空間的有限性迫使近距離雙線平行管道得到應用，而這一技術施工難度也較大，成為廣大科研人員研究的重要課題。根據管道所處位置不同，可以分為水平、垂直平行管道，在大部分工程均采用水平平行管道。以下所述平行頂管均指的是水平平行頂管。

在頂管的施工過程中，管道周圍的土體會隨著施工的進程產生一定的施工擾動，由于土層性質的不同，其擾動程度也不同，這一點在軟土土層中體現的尤為明顯。與單個頂管施工相比，平行頂管由于存在管道間的相互影響和相互作用，其施工過程對土體產生的影響要大得多，特別是當近距離管道施工時會對周圍環境造成較大危害。因此研究平行頂管施工對周圍環境的影響這一課題已越來越受到人們的重視。

目前對平行頂管施工所引起地面變形的研究主要是根據經驗公式計算土體的擾動范圍和土體擾動程度。

1 平行頂管施工引起地面變形機理分析

平行頂管施工過程中對周圍土體產生擾動，引起地面發生變形。而引起地面變形的最主要原因是由施工引起的各種地層損失和管道周圍受擾動土體的再固結以及平行頂管管道頂進過程產生的擠土效應。關于頂管頂進施工中產生的地層損失的產生原因，根據頂管施工特點總結起來主要有以下幾點：①管節外圍環形空隙引起的地層損失；②工具管開挖引起的地層損失；③管道及中繼環接頭密封性不好引起的地層損失；④工具管及管節與周圍地層摩擦所引起的地層損失；⑤工具管糾偏引起的地層損失；⑥頂進過程中工作井后靠土體變形引起的地層損失；⑦工具管進出工作井引起的地層損失。頂管施工引起的地面變形主要由4個部分組成：①掘進機到達前的變形；②掘進機達到和掘進過程中的變形；③掘進工作完成后的后期固結沉降作用引起的地面變形；④平行頂管管道之間的相互作用，產生擠土效應引起的變形。

2 國內外研究概況

2.1 平行頂管土體擾動范圍的研究

頂管施工前，土體處于天然靜止平衡狀態，由于頂管的掘進過程導致管道周圍土體的這種平衡狀態受到破壞，原始應力狀態發生變化，使周圍土體出現一系列復雜的力學行為，這些復雜的力學行為的出現將導致土體產生擾動。根據土體擾動的方向，可以將頂管施工引起的土體擾動分為兩個擾動區：橫向擾動區和縱向擾動區。

2.1.1 平行頂管橫向擾動區范圍的經驗計算公式

魏綱等根據E.J.Cording和W.H.Hansmire以及S.Y.Chi等的實測結果進行分析，得出對于軟塑～硬塑的粘土，單個頂管其地面沉降槽邊緣點到管道軸線的水平距離是（h+r），推算出平行頂管橫向擾動區范圍的計算公式為：

L1= 2（h+r）+B （1）

重疊擾動區范圍的計算公式是：

L'=2（h+r）-B （2）

式中：h為管道軸線埋深，r為管道外半徑，B為兩頂管軸線水平距離。

這兩個公式的計算非常簡單，其計算結果與平行頂管橫向擾動區范圍實測結果較吻合，但存在一些不足之處：①單個頂管其地面沉降槽邊緣點到軸線的水平距離h+r是根據實測結果進行估算得出的，這樣推算出來的橫向擾動區計算公式并不具有全面性，不能代表所有的工程；②該經驗公式中并未給出B的確定方法，頂管間距的大小也會直接影響到土體擾動的范圍和擾動程度，如果B給出不當，可能會導致頂進過程中出現一些不可預知的難題。

2.1.2 平行頂管縱向擾動區范圍的經驗計算公式

魏綱等根據頂管掘進過程中土體擾動的超前性和開挖面支護力與靜止土壓力的關系得出了縱向擾動區邊緣離開挖面的水平距離的計算公式L2

L2=（h+r）tan（45？觷+？漬/2）（3）

式中：h為管道軸線埋深，r為管道外半徑，（45？觷+？漬/2）擾動范圍的水平傾角。

這個公式用來計算縱向擾動范圍也并不復雜，計算過程中只要得知固結快剪強度指標φ就可以計算出縱向擾動區邊緣距離開挖面的水平長度。同樣這個公式也存在一定的不足：①（h+r）是由經驗的來；②固結快剪強度指標？漬得來的方法不一樣，其值也不一樣，這樣就導致結果出現的偏差會比較大。

2.2 平行頂管施工引起的地面變形計算的經驗公式

目前對于平行頂管由土體損失引起的地面變形的計算方法并沒有進行單獨的研究，還是基于Peck提出的地面沉降橫向分布公式來計算，即：

S（X）=■exp■（4）

Smax=■≈■（5）

i=■（6）

式中：S（X）為地面沉降量（mm）；

X為距隧道中心線的距離（m）；

V1為單位長度地層損失（m3/m）；

Smax為隧道中心線處的最大沉降量（mm）；

i為沉降槽寬度系數，由查圖表或公式求得；

Z為覆土層厚度（地面到頂管軸線距離），單位為m；

？漬為土的內摩擦角（度）。

V1和i的取值相對都比較復雜，因此實際工程中都采用簡化的方法對其定值：①V1在計算過程中可根據以往的施工經驗選擇一個合適的開挖面的百分率來估算大小，對于正常固結黏土，V1通常取開挖面面積的0.5%～2.5%；②對于黏土，在實際工程中，當管道軸線埋深h在3 m到34 m 之間時，i的取值可由下列經驗公式得來：

i=0.43 h+1.1（7）

目前，平行頂管施工引起的地面沉降主要是利用單個頂管的地面沉降計算公式，不考慮平行頂管管道間的相互影響以及管道同時頂進過程中產生的擠土效應對地面沉降的影響，分別計算出各自的地面沉降值，然后疊加得到最終的由平行頂管施工引起的地面沉降值。

這種計算方法中，運用Peck公式會非常簡單，其曲線形狀與頂管實測地面沉降曲線也較吻合，但其存在以下的不足之處：①只能計算頂進過程中的瞬時沉降，沒有考慮到土體受擾動引起的再固結沉降；②只能計算橫向地面沉降，不能計算縱向地面沉降及土體的分層沉降；③沒有考慮到施工過程中的具體施工工藝和土質條件對地面沉降的影響；④參數V1較難確定；⑤沒有考慮到平行頂管管道頂進過程中管道間的相互影響和管道同時頂進過程中產生的擠土效應對地面沉降的影響。

3 發展趨勢及研究方法

3.1 平行頂管施工引起的地面變形數值模擬分析

平行頂管施工引起地面變形的根本原因是施工對周圍土體了擾動，其影響因素是多方面的，包括平行頂管管間距（橫向間距和縱向間距）、上層覆土厚度、土質條件、頂管管徑等。目前基于經驗公式的計算方法都沒有考慮到這些因素對地面變形的影響，因此在研究期間可以分別對影響地面沉降的影響因素進行控制，利用數值模擬對平行頂管施工過程進行模擬，研究平行頂管施工引起的地面沉降與各影響因素之間相互關系，得出一系列的理論結果，為后期平行頂管的施工提供理論依據。

3.2 平行頂管管道間的相互影響

平行頂管管道在頂進過程由于土體的擠壓作用，不可避免的兩者之間會產生相互的作用，影響到頂管間相互作用的因素包括管壁厚度、管道的材質以及管道間間距。目前，對于這一方面的研究還相對較少，因此可以通過數值模擬，分析在不同的影響因素的影響下管道間的相互作用。

4 結 語

平行頂管施工引起地面變形的研究，這對于因平行頂管施工造成周圍環境影響研究具有非常重要的意義。本文總結了當前地面變形計算的方法，并提出了今后的一些研究方向和內容。目前對于平行頂管施工的研究還只是停留在經驗公式與實測數據進行對比階段，另外對于施工結束后的地面沉降研究也不多。希望針對平行頂管的研究能加強它的理論研究，逐步形成一套完整的理論體系，對后期平行頂管技術的應用起到指導性的作用。

參考文獻：

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