基于大型頂管穿越高速公路的環境影響分析

鄭 琳

（上海新地海洋工程技術有限公司，上海 200083）

經過多年發展，頂管技術在我國的大量工程中得到廣泛應用，且保持著高速增長態勢，在設備及施工工藝上均有長足進步，頂管的口徑與掘進距離不斷增大，施工技術與世界先進水平日益接近。在埋深較大、穿越交通干線和周圍環境控制要求較高的區域，采用非開挖頂管法施工相對安全和經濟。而在軟土地層中實施頂管施工，難以避免對管道周側土體產生擾動，從而引起管道周圍土體的變形。有學者通過二維及三維有限元計算了頂管施工產生的土體變形和土體應力，通過現場測試驗證土體擾動理論，以理論分析及實測數據研究了頂管施工的環境影響[1-8]。

本文通過對大型頂管穿越高速公路周邊環境的變形監測，綜合分析頂管周邊土體變形、高架立柱及地表管線變形之間的關系，為頂管法在軟土地區的應用及環境保護提供指導與借鑒。

1 工程概況

黃浦江上游水源地連通管工程包括連通管線、松江泵站及青浦、金山、閔奉三個分水點。工程起自金澤水庫出水泵站外JA-01井，終到閔奉分水點，線路長約42km。工程輸水規模351萬m3/d，青浦分水點向青浦分水65萬m3/d，松江泵站分水66萬m3/d，金山分水點分水50萬m3/d，閔奉分水點向閔行分水110萬m3/d，向奉賢分水60萬m3/d。金澤水庫至青浦分水點線路長約8.57km，采用DN4000鋼管；青浦分水點至松江泵站線路長約9.87km，采用DN4000鋼管；松江泵站至金山分水點線路長約15.87km，采用DN3800鋼管；金山分水點至閔奉分水點線路長約7.69km，采用DN3600鋼管。

JC06井—JC05井區間穿越S32申嘉湖高速公路，穿越段位于JC06頂管工作接收井西北側，高架跨度約51m，鋼頂管底埋深13.49m，管徑為DN3800。頂管的施工工況見表1、區間地層分布見表2。

表1 頂管施工工況Table 1 Construction condition of pipe jacking

表2 頂管區間地層情況Table 2 Stratum situation of pipe jacking

2 頂管施工對土體的擾動機理

2.1 擾動效應分析

在軟土地層中采取頂管工藝掘進施工，不可避免會對管道周圍土體產生施工擾動，使得周邊土體出現卸荷或加荷等復雜的力學行為，土體的應力應變狀態及孔隙水壓力將會發生改變，進而引起管道周圍土體的變形，促使土體發生位移。頂管掘進過程中土體擾動成因極其復雜，因此應分析引起土體各類變形的成因，有效調整施工工藝，減少頂管施工對環境變形的影響。

2.2 受擾動土體的分區

在前人研究的基礎上，魏綱等對頂管施工土體擾動分區進行了改進[6]，共分為7個區（圖1），分別是：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、固結區⑦。掘進機前端的傾角約為（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傾角與掘進機外殼呈（45°+φ/2），與主動土壓力角一致，φ為土的內摩擦角。頂管施工對土體的擾動是通過施工產生的附加應力對土體發生作用而產生的，各擾動區土體所受到的施工附加應力的大小、方向有所不同，因此對土體的擾動作用也不同。周邊環境變形的主要原因是施工擾動造成的，合理控制施工的各個環節是減小周邊環境變形的關鍵因素。

圖1 頂管施工擾動分區圖Fig.1 The perturbation zoning of pipe jacking construction

3 監測點布設

在S32申嘉湖高速高架橋梁每個立柱上布設1個豎向位移監測點，共布設8個。

頂管區間穿越非開挖Φ813的高壓燃氣管道，變形監測點布點間距為6.0～10.0m，布置原則為由密至疏，共布置13個。

為了解燃氣管道周側土體在頂管穿越前、穿越時及穿越后的土體位移情況，在燃氣管南北側沿頂管軸線兩側各布置1對深層位移監測孔及分層沉降監測孔。用于監測土體深層水平位移的測斜孔深度為32m，分層沉降監測孔的深度為28m，每孔布設4個磁環。

在S32申嘉湖高速公路北側的信息管線布設7個位移監測點，南側監控管線布設5個監測點。

監測點布置見圖2。

圖2 頂管穿越環境監測平面布置圖Fig.2 Environmental monitoring layout of pipe jacking

4 監測成果分析

4.1 高架橋墩豎向位移監測

頂管掘進施工過程中，高速公路橋墩有少量上抬，如圖3。頂管采用泥水平衡工藝進行掘進，頂進過程中機頭壓力稍大導致上方土體有少量隆起，同時管道與土體間的摩擦亦是土體隆起的部分原因。土體隆起后未出現降落現象，主要與頂進過程中管外水泥漿與膨潤土的置換有關，較好地控制了水土流失造成的地下空間損失，從而減小了高速公路橋墩的工后沉降，高速公路橋具有較深的樁基亦是其變形較小的重要原因。監測末期高速公路橋沉降已收斂。

圖3 高架橋墩豎向位移歷時曲線Fig.3 Vertical displacement of elevated highway pier

4.2 管線豎向位移監測

高壓燃氣管線及信息管線在頂管機頭穿越過程中表現出明顯隆起（圖4），尤其是信息管線隆起較為突出，2016年8月13日的單次隆起量達到50mm。可見頂管機頭頂進壓力偏大，形成擠土效應，管線隆起。隨著擠土效應產生的超靜孔隙水不斷消散，高壓燃氣管線緩慢沉降。伴隨頂管上方土體固結的逐漸完成，管線豎向位移逐漸收斂，管道與土體間空隙進行了二次注漿有效控制了工后管線豎向位移速率。監測末期信息管線豎向位移已收斂。

圖4 高壓燃氣管道(a)與信息管線(b)豎向位移歷時曲線Fig.4 Vertical displacement of high-pressure gas pipeline (a)and information piper (b)

該區間自JC06井向JC05井掘進施工，頂管先穿越信息管線，穿越信息管線過程中產生了較大隆起。施工單位根據監測數據，及時減小了頂進壓力，同時增加了觸變泥漿的注漿量。后續穿越高壓燃氣管過程中，管線的隆起量明顯減小，頂進過程中個別點的豎向位移累計量超出報警

表3 監測末期高壓燃氣管線豎向累計位移(mm)Table 3 Vertical displacement of high-pressure gas pipeline at the end of monitoring

值的10mm，測值為11.20mm。監測末期高壓燃氣管的豎向位移累計量見表3，測值基本在±5mm內。

4.3 土體分層豎向位移監測

高壓燃氣管線周邊布設2個分層沉降孔，測孔FC1在2016年8月14日當天被頂管破壞，測孔FC2數據較為完整，在地面下約4m、8m、12m、16m深度處各安裝1個分層磁環。

頂管穿越土體深層豎向位移孔附近土層時，機頭頂進壓力偏大，頂管軸線上方土體受擠壓隆起。由于本工程頂管管徑較大，頂管軸線下方土體受卸荷影響隆起，頂管周側土體均表現為隆起。頂管上方土體受超靜孔隙水消散影響產生固結沉降，隨著超靜孔隙水的消散，上方土體的沉降逐漸收斂。頂管下方土體受管道及上方土體荷載共同作用后固結沉降，其豎向位移速率較上方土體要大。監測末期頂管周側土體沉降已收斂（圖5）。

圖5 土體不同深度變形歷時曲線Fig.5 The vertical deformation of soil body in diあerent depth

4.4 土體深層水平位移監測

頂管穿越施工過程中，CX1、CX2兩個測孔在各工況均表現出向頂管掘進方向的水平位移（圖6）。深層水平位移的產生主要由兩種因素引起，一是初期機頭頂進壓力偏大，對前方土體形成擠壓的深層水平位移；二是頂管掘進過程中與管壁外土體摩擦引起的前方土體深層水平位移。圖4(a)、圖5歷時過程曲線反映出的土體和高壓燃氣管道隆起的時段及幅值變化具有較強的相關性，后續因超靜孔隙水的固結沉降趨勢一致。頂管掘進施工完成后，兩個測孔的深層水平位移已收斂。

從測孔不同深度的水平位移可以看出，管道底標高以下土體較為穩定，管道直徑范圍內的土體受擠壓最為明顯，管道掘進施工對上部土體亦有一定的擠壓。頂管掘進過程中對周邊土體的擾動程度主要與頂力、頂速及地層分布有關，頂管外壁與土體間的觸變泥漿的注入量亦是擾動土體不可忽視的因子。

圖6 土體深層水平位移曲線Fig.6 The horizontal displacement of soil body in diあerent depth

5 結語

大型頂管穿越重要的高速公路及具有較大安全隱患的重要管線時，應嚴格控制頂力、頂速，同時控制觸變泥漿的注漿量，減小頂管與外圍土層間的摩阻力，有效控制頂管施工過程中的上方環境變形。頂管穿越施工完成后，應及時進行二次注漿的施工，以控制環境工后沉降。

周邊管線的土體深層水平位移在頂管過程中表現出與頂管方向一致的位移趨勢，尤其在距頂管中心1倍管徑距離的范圍內，位移比較明顯，且表現出中心位置位移最大，向兩側逐漸減小的現象。

頂管穿越重要的風險控制點前，應提前在類似土層中鉆孔布設深層水平位移監測孔及分層豎向位移監測孔，進行試驗性的觀測，獲取穿越施工時的相對理想的頂力、頂速、觸變泥漿注漿量等參數，將施工引起的環境變形風險降低到最小。