頂管施工對周圍土體影響的機理分析

肖雁征 雷 鳴*

(廣東省長大公路工程有限公司，廣東 廣州 510620)

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頂管施工對周圍土體影響的機理分析

肖雁征 雷 鳴*

(廣東省長大公路工程有限公司，廣東 廣州 510620)

以實際工程為背景，分析了頂管施工過程中土體的變化趨勢和變化原因，探討了頂管施工對土體的擾動機理，并對頂管工后不同區域土體作了研究，確定了卸載土體性質變化的主要因素，為深入研究土體力學性能提供了條件。

頂管施工，土體，擾動機理，力學性質

隨著我國城市化的進程加快，頂管施工[1-3]的應用越來越廣泛。然而，由于該項施工在我國起步晚，而且面對的問題復雜，致使許多工作有待進一步探索，如：混凝土管接頭處的密封問題；頂進方向的控制問題；長遠距離頂管施工的可行性問題，以及施工過程和施工后對周圍環境的影響問題等。本文以西江引水線工程橫穿某既有高等級公路為背景，通過地層損失原因分析、擾動區劃分、影響卸載土體性質變化因素和卸載擾動下土體的各處應力狀態分析等，研究頂管施工擾動周圍土體的機理，為進一步開展頂管施工對周圍環境影響提供可借鑒的資料。

1 頂管施工引起的土體擾動分析

目前頂管施工常用的方法有：氣壓平衡法、泥水平衡法和土壓平衡法。不論采用哪種方法，在頂管施工過程中，都會對周圍土體產生一定的擾動；在頂管施工后，由于各種地層損失，再加之土體卸載固結作用等，導致沉降發生給周邊環境帶來影響。

1.1 施工引起的地層損失

頂管施工對土體擾動的影響因素很多，致使地層損失可歸結為以下幾方面：1)土體應力與開挖面作用力不平衡，造成的地層損失。2)施工導致的管道外周產生環形空隙造成的地層損失。3)頂進過程中，工具管背土造成的地層損失。4)工具管及后續管節與周圍地層摩擦所造成的地層損失[4]。5)頂管施工過程中因糾偏造成的地層損失。6)頂進過程中工作井后靠土體變形造成的地層損失。7)操作工具管不合理引起的地層損失。8)頂管由于管節回彈造成的地層損失。9)管道及中繼環接頭密封性不好造成的地層損失。在上述分析的9種地層損失中，前3類屬于正常的地層損失，一般很難避免的，只能通過不斷提高技術進行減小損失；后6類屬于非正常的地層損失，可以通過頂管施工技術改進減少或者避免。

1.2 受擾動土體的再固結引起的地層損失

從以上施工引起各種地層損失中，不難發現工具管與后續管道的管徑差帶來的影響最為明顯，直接導致了土體的應力卸載，并導致土體的后續固結作用。頂管施工導致管線周圍土體的再固結，其變化過程主要由兩個方面引起[5]，即：

1)孔隙水壓力的釋放。管道周邊土體會因頂管施工產生超孔隙水壓力區。當頂管掘進機離開該處地層時，管道周圍土體卸載，造成土體的應力釋放，孔隙壓力下降而引起土層固結。2)孔隙水壓力的消散。頂管推進過程，需要進行壓漿處理，但這些工序會在周圍地層形成超孔隙水壓力區，超孔隙水壓會逐漸消散，各層土體就會發生排水固結作用，也會引起地面的變形與沉降。

以上是頂管施工導致受擾動土體再固結的主要原因，當然，土體再固結是一個長期變化的過程，不僅發生在頂管施工過程中，頂管施工后也會發生。另外，土體固結的過程由于注漿的因素，其變化機理將是一個緩慢卸載的過程，在該過程中，由于砂漿的硬化，強度增加，減少了卸載的速率。

2 施工擾動區土體作用機理分析

頂管施工引起周圍地表變形[2]，其內在原因是土體的初始應力狀態發生了變化。由于施工擾動作用，原狀土經歷了復雜的應力路徑，包括擠壓、剪切、扭曲等作用，造成土體應變，從而產生位移。頂管周圍的土體與頂管相對位置不同，其變化機理也是不相同的。

2.1 擾動區的劃分

借鑒和參考盾構施工的劃分方法[6，7]，并在前人的研究成果基礎上，本文將擾動區分為7個不同的擾動區，即：擠壓擾動區①、剪切擾動區②、卸荷擾動區③、卸荷擾動區④、剪切擾動區⑤、注漿剪切擾動區⑥和固結區⑦，如圖1，圖2所示。

為了便于理論分析和數值模擬計算，將卸荷擾動區在各個施工階段中與頭部傾角定為(45°-φ/2)，與被動土壓力角一致；兩側卸荷擾動區與固結區分界線的傾角，與頂管外殼約成(45°+φ/2)，與主動土壓力角一致，其中，φ為土的內摩擦角。

2.2 擾動區的擾動機理分析

通過相關理論分析，并結合實際工程的現場監測資料，本文對各個擾動區的擾動機理作如下分析：

1)擠壓擾動區①。該區土體與開挖面的距離較大，隨著頂管的推進，土體受到的擠壓應力越大，土體所受水平應力也越大。但由于工作面距離遠，受到頂進產生的振動荷載等影響相對較小。2)剪切擾動區②。該區在頂管的正前方，千斤頂推力的擠壓及頂進產生的振動荷載造成該區應力狀態較為復雜。該區土體變化由開挖導致應力松弛，頂進推力和平衡泥漿的壓力共同決定，因而區②土體所受的應力情況相對比較復雜，帶來的影響也是劇烈的。3)卸荷擾動區③。該區受到由區①擴散的擠壓應力和剪切應力的作用，水平和豎直方向應力均有所增加，地表會有隆起變形，由于掘進機與后續管節的管徑差，泥漿水分流失等原因，使區③土體應力卸載，通常會導致地表沉降變形。這個區域土體的應力變化對整個工程的影響是最大的。4)卸荷擾動區④。該區擾動機理與區③類似，但由于土體的深度更大，導致土體的抗剪強度更大，在掘進機與后續管節的重力共同作用下，使得其擾動程度相對較小，其擾動范圍由于應力擴散作用則要更大。5)剪切擾動區⑤。掘進機推進過程中外殼與周圍土體之間產生摩擦阻力，導致掘進機外殼周圍土體中會產生剪切擾動區，該區的范圍較其他區小。6)注漿剪切擾動區⑥。當不注漿時，該區內土體受到管道與周圍土體之間的剪切摩擦阻力，在施工時會沿管道軸線方向反復地前后移動。7)固結區⑦。頂管管道周圍土體因擾動形成超靜孔隙水壓力區。隨著掘進機向前工作，超靜孔隙水壓力會下降，孔隙水逐漸消散，土體發生固結從而使土層產生沉降。

上面的分區是根據其應力狀態變化而劃分的。由于土體受到擠壓作用，工具管通過時卸載產生沉降以及孔隙水壓力消散會產生固結，因此土體的應力狀態一直是不斷變化的，并不是單一受壓或受剪。

通過分析各個擾動區的擾動機理，以及對比各個區域的力學路徑的變化，可以發現：擠壓擾動區①、剪切擾動區②、剪切擾動區⑤、注漿剪切擾動區⑥，這些區域的土體擾動可以通過施工措施減小或者避免；但是卸荷擾動區③、卸荷擾動區④、固結區⑦，這些區域的土體擾動不僅發生在施工過程中，在施工過程后，土體的變化也在不斷開展。所以針對這些區域的土體，不僅要在施工過程中采取相關措施進行嚴格控制，在施工過程后，也要加強監控，對土體的變形情況進行更加深入的觀察和研究，使得土體的擾動變化對周圍構筑物的影響降到最低。

3 卸載土體性狀的影響因素及應力狀態分析

在頂管施工后土體主要受到卸載作用，正是在這樣的狀態下，土體的沉降不斷開展，需要進行有針對性的分析。目前，針對卸載土體的力學行為分析還很不夠，本文依托實際工程，重點對卸載土體的力學行為，以及影響土體力學性質主要因素、不同位置土體的應力變化狀態進行分析。

3.1 卸載土體力學性質變化的主要影響因素

頂管施工后會給管道周圍的土體帶來卸載作用，其中主要原因之一在于工具管一般會比后續管道的直徑大，如圖3所示，盡管管徑差別造成的空隙會用砂漿填充，但是無法使砂漿完全填充，所以土體的卸載固結作用會不斷開展。頂管施工后卸載土體的力學性質變化，可從以下幾方面因素進行分析：開挖面大小，注漿擾動程度，外部荷載。3個因素中，前2個因素為內因，開挖時的卸載劇烈，注漿后減小，漿體硬化后卸載速率進一步減小。第1個因素帶來的影響是最為根本的，第2個因素主要是為了彌補緩和第1個因素帶來的影響，它們帶來的影響可以作為整體考慮；后1個為外因，也會給卸載程度帶來變化。

3.2 不同區域土體的應力狀態分析

頂管工具管過后的土體主要處于卸載固結的狀態，但是鑒于頂管周邊土體的位置不同以及與頂管之間相互作用的不同，造成各區域的土體的力學行為是不同的，各個區域的土體有著各自的變化過程，給出如圖4所示的土體分析點位置，以便針對性分析應力狀態。

由于頂管施工帶來的土體損失，主要是管道外周環形空隙引起的地層損失，造成了周邊土體處于應力卸載的狀態，土體會向空隙的方向移動，所以不同區域的土體的移動方向是不同的。這些土體移動的過程中是一個應力不斷進行卸載，不斷發生固結的過程。

選取頂管施工后橫斷面的位置圖，對周邊土體進行二維的力學行為分析，取豎向應力為σ1，水平應力為σ3，結合相關文獻資料，對各個位置的應力變化分析如下：

1)位置1處的土體。由于頂管施工造成的土體損失，會向下移動，其中σ1下降的速率最為明顯，而σ3的變化相對于σ1就比較小，該處土體在工具管過后，處于σ1減幅大于σ3的卸載狀態下。

2)位置2處的土體。由于頂管施工造成的土體損失，會向上移動，其中σ1減幅最為明顯，而σ3的變化相對于σ1就比較小，該處土體在工具管過后，處于σ1減幅大于σ3的卸載狀態下，但是相對于位置1的土體，由于頂管的重量以及土體的自重，土體的卸載速率小于位置1。

3)位置3處的土體。由于頂管施工造成的土體損失，會向左下方移動，其中σ1，σ3減幅都比較明顯，所以該處土體在工具管過后，處于σ1，σ3均不斷卸載的狀態下，通常而言，處于σ1減幅小于σ3的卸載狀態下。

4)位置4處的土體。由于頂管施工造成的土體損失，會向左移動，其中σ3減幅最為明顯，而σ1的變化相對于σ3就比較小，該處土體在工具管過后，處于σ3減幅大于σ1的卸載狀態下，與位置3相比，這種減幅的差距更加明顯。

5)位置5處的土體。由于頂管施工造成的土體損失，會向左上方移動，其中σ1，σ3減幅都比較明顯，所以該處土體在工具管過后，處于σ1，σ3均不斷卸載的狀態下，但是相對于位置3處，主要是由于土體自重的影響，造成了卸載速率比位置3處小。

6)位置6、位置7、位置8處的土體。由于相對于位置3、位置4、位置5處的土體而言，距離頂管位置較遠，所以受到的擾動較小，盡管應力卸載路徑與這些位置的土體大致相同，但是卸載速率要小于這些位置的土體。

7)相對頂管位置更遠處的土體，也將處于一個緩慢卸載的過程，其中相對減幅就更小了。以上的分析是針對工具管過后的土體，根據它們位置的不同，對它們的應力卸載路徑做出的分析，從而可以得到工具管過后，不同區域的土體，各自的卸載變化情況，可以進一步的對這些土體進行針對性的分析，得出它們的應變值隨著卸載程度不同而發生的變化規律。

4 結語

1)引起地面沉降的主要原因是施工引起的各種地層損失和擾動土體的再固結。頂管施工中管道外周環形空隙所引起的地層損失是產生地表沉降的主要因素，帶來的影響最大；工具管與后續管道的管徑差，直接導致土體的應力卸載，并生產土體的后續固結作用。2)擠壓擾動區、剪切擾動區、注漿剪切擾動區，這些區域的土體發生擾動通常是在頂管施工過程中，通過施工中的一些措施，可以減小或者避免；卸荷擾動區、固結區，這些區域的土體擾動不僅發生在施工過程中，在施工過程后，土體的變化也在不斷開展，只有對土體的變形情況進行更加深入的觀察和研究，才能使得土體的擾動變化對周圍構筑物的影響降到最低。3)頂管工具管過后的土體主要處于卸載固結的狀態，不同區域(與頂管位置)土體的應力狀態不同。除了頂管周邊土體變化較為復雜，大部分土體的變化規律是豎向應力減幅較小，水平應力卸載明顯。所以，在后續的各項研究中(包括：室內試驗、現場試驗、數值計算、理論分析等)，應針對這些特點，更具代表性的進行土體卸載試驗，以獲取更加普遍的規律。

[1] 喻 軍,龔曉南.考慮頂管施工過程的地面沉降控制數值分析[J].巖石力學與工程學報,2014(S1):2605-2610.

[2] 房營光,莫海鴻,張傳英.頂管施工擾動區土體變形的理論與實測分析[J].巖石力學與工程學報,2003,22(4):601-605.

[3] 施成華,黃林沖.頂管施工隧道擾動區土體變形計算[J].中南大學學報(自然科學版),2005,36(2):323-328.

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Analysis on influencing mechanism of pipe-jacking construction upon surrounding soil

Xiao Yanzheng Lei Ming*

(GuangdongChang-DaHighwayEngineeringCo.,Ltd,Guangzhou510620,China)

Taking actual engineering as the background, the paper analyzes soil altering tendency and changing causes in pipe-jacking construction process, explores the disturbance mechanism of pipe-jacking construction upon soil, studies various soil after pipe-jacking construction, and determines major unloaded soil property changing factors, which has provided some guidance for studying soil mechanical property in depth.

pipe-jacking construction, soil, disturbance mechanism, mechanical property

1009-6825(2017)06-0110-03

2016-12-13

肖雁征(1970- )，女，助理工程師

雷 鳴(1969- )，男，高級工程師

TU431

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