頂管工程中的退管法施工對環境影響的研究

甄 亮

上海公路橋梁（集團）有限公司 上海 200433

頂管工程所處地下環境通常較為復雜，前期地質勘查工作受到周圍環境和其他不便探測因素的影響，無法準確預知實際施工階段存在的障礙物和地質突變情況，導致無法繼續頂進；此外，頂管施工受到復雜地質條件和施工技術的影響，會偏離設計軸向，在糾偏不及時的情況下，軸向將產生較大的偏轉變形，導致無法通過常規方法進行糾偏調整[1]。

在頂管工程中，針對上述工況，通常采用退回已頂進的管節，在退管產生的空隙處填充土，再調整軸線重新頂進，實現軸線糾偏。

退管技術相繼在國內外頂管工程中得到實施。1994年在澳大利亞的Penrith，某工程采用頂管法修建一條長約500 m、φ0.762 m的污水管，在砂質黏土層頂進7 m時，由于地層承載力較弱，機頭出現嚴重下沉，于是將管節和機頭退回出發井并注砂回填，最終改進機頭重新頂進成功[2]。

2000年以后，國內也相繼出現了退管法施工的應用。廣州市車陂路排污工程采用頂管法施工DN1 350 mm的排污管，單段管道長120 m，埋深7.5 m，在頂管頂進28 m時遇不明障礙物導致無法繼續頂進，通過鋼套管輔助將管節和機頭拔出[3]。

在徐州市截污導流16標段地涵工程中，長174 m、內徑2.4 m的鋼筋混凝土管采用頂管法施工，在頂管頂進25 m時，混凝土管出現了一條橫向裂縫和細微的縱向裂縫，因此退出全部管節和機頭并置換壞管重新頂進[4]。

上海某道路新改建工程采用頂管法施工DN1 500 mm的排水管道，頂進60.3 m時遭遇樁基，最終將已頂的60.3 m管道全部退出[5]。

福州市洋里污水處理廠采用頂管法敷設φ2.4 m、長904.6 m的鋼筋混凝土污水管，頂進10 m后機頭累計下沉30 cm，最終退出已頂管節和機頭重新頂進[6]。

盡管文獻中頂管管徑和退管距離不斷增大，但退管法施工仍然依靠經驗，而缺乏系統的理論研究。

退管法施工技術的應用，通常是因為周圍環境復雜，難以通過地面措施處理頂管所遇到的障礙物或者軸線偏轉問題，所以退管法施工也缺乏相關環境影響方面的實測數據。本文通過數值分析方法，對退管法施工進行模擬，研究退管法施工對環境的影響。

1 數值模型

1.1 地質條件

結合上海地區某頂管工程所處的典型軟土地層條件，部分地層的工程地質參數如表1所示。平均埋深取10 m，頂管主要位于⑤2-2灰色粉砂和⑥暗綠色粉質黏土中。

1.2 模型參數

假設模型結構均為實體單元，地層為均質各向同性彈性體，約束兩側x方向的位移、約束前后y方向的位移、約束底部z方向的位移，頂面保持自由。為消除邊界條件的影響，管軸線距離模型四周均為10 m，即假設頂管埋深為10 m，頂管起始頂進面為x-z平面，頂管起始頂進截面中心為坐標原點，已頂管長為50 m，模型長為100 m（圖1），模擬退管距離10 m。

圖1 退管數值模型

表1 部分地層的工程地質參數

近似?、?-2灰色粉砂層和⑥暗綠色粉質黏土層相關參數的平均值作為本次分析模型的基本參數。根據上海地區經驗，地層土的彈性模量一般可取為壓縮模量的2.5～3.5倍[7]，故地層土的彈性模量取28 MPa，泊松比0.3，重度18.9 kN/m3，考慮滲流孔壓，滲透系數為6×10-6m/s，孔隙比為0.8。按目前文獻中的工程參數，取DN2 500 mm鋼筋混凝土管，壁厚 0.25 m，彈性模量35 GPa，泊松比0.2，重度25 kN/m3。

2 分析計算

假設在退管過程中注土壓力保持穩定，退管后的回填土簡化為作用在內壁上的徑向壓力和開挖面上的壓力來平衡上覆土的自重，基本與實際工程中回填土對退管時機頭刀盤的主動土壓力值一致。但由于管土間的摩擦力和土體開挖回填產生的應力重分布，仍會導致地表變形。將10 m的退管分成5個工況，每個工況退管距離為2 m。研究特定管徑下退管的地表變形影響范圍，分析不同退管距離對沿頂管軸線地表以及同一橫截面地表變形的影響。

3 結果討論

頂管在常規頂進階段，通常機頭前方土體受到擠壓，后方土體受到管土摩阻力的拖拽，沿頂管軸線的地表變形表現為頂進面前方隆起、后方沉降[8]。根據退管計算結果可知，沿頂管軸線的地表變形剛好相反（圖2）。在機頭前方地表發生了顯著的沉降變形，不同工況下最大沉降變形的位置與工作井的距離見表2。在剛開始退管階段，地表最大沉降變形處位置和最大沉降變形量相對變化較小。在退管4～6 m（約頂管外直徑的2倍）時，地表最大沉降變形處位置向退管方向移動了17～19 m，最大沉降變形量增加了近1倍。隨著退管距離增加，地表最大沉降變形處移動至機頭前方退管施工區域內，與工作井距離的變化趨于減小并逐漸保持穩定，而當回填土的注土壓力保持不變時，最大沉降變形量與退管距離近似成正比。隨著與工作井的水平距離的增加，在距工作井約70 m以后，退管對地表沉降變形的影響趨于穩定。在機頭后方，沿頂管軸線的地表形成了隆起區。隨著退管距離增加，最大隆起變形量逐漸減小，當退管速度和機頭前方回填土的注土壓力保持穩定時，隆起變形量也隨之趨于穩定。

圖2 退管對沿頂管軸線地表變形的影響

表2 不同工況下最大沉降變形的位置與工作井的距離

在距離工作井50 m截面處（圖3），即初始退管時機頭正上方區域，初始退管時地表僅有微小的沉降變形。隨著退管距離增大，地表沉降變形也逐漸增大，而兩側的沉降變形則對稱減小。

圖3 退管對距離工作井50 m截面處地表變形的影響

在距離工作井40 m截面處（圖4），即退管10 m后機頭正上方區域，初始退管時地表僅有較小的隆起變形。退管開始階段，隆起變形出現增大，然后隨著退管距離的增大，地表隆起變形逐漸減小，而兩側的隆起變形則對稱增大。直到退管6 m以后，該截面地表開始發生沉降變形，隨著退管距離繼續增大，地表沉降變形也逐漸增大，而兩側的沉降變形則對稱減小。

圖4 退管對距離工作井40 m截面處地表變形的影響

在距離工作井30 m截面處（圖5），即退管10 m后機頭后方10 m區域，初始退管時地表已有一定的隆起變形。退管開始階段，隆起變形出現增大，然后隨著退管距離的增大，地表隆起變形逐漸減小。直到退管6 m時，該截面地表隆起變形才恢復到接近初始退管時的地表隆起變形量，隨著退管距離繼續增大，地表隆起變形繼續減小，而兩側的隆起變形則對稱增大。

圖5 退管對距離工作井30 m截面處地表變形的影響

下面結合退管施工經驗分析上述地表變形機理：由于退管階段回填土無法及時填充滿退管施工時產生的空隙，且回填土要求具有一定的流動性，其彈性模量遠小于原位地層土，因此在機頭前方地表發生沉降；而退管施工產生的管土摩阻力拖拽了后方土體，造成后方土體擠壓變形，因此在機頭后方地表發生隆起。隨著退管距離的增加，地層損失也在不斷增加，機頭后方地表隆起量因此逐漸減小，有效控制了地層的綜合變形。

綜合分析結果，退管對地表變形影響較大的區域仍集中在退管施工區域，以及初始退管機頭前方的約20 m區域（管外徑6～10倍區域），和退管機頭當前位置后方的10 m區域（約為管外徑3倍區域），該區域建議為減少退管施工對地表變形影響的加固區。

而針對當回填土的注土壓力保持不變時，最大沉降變形量與退管距離近似成正比且有不斷增長的趨勢這一情況，建議隨著退管距離的增大，提高回填土量和回填土壓力，并保持實時監測。

4 結語

本文通過數值模擬分析了頂管工程中退管法施工對環境的影響，得到如下結論：

1）退管施工將造成機頭前方地表發生沉降變形，機頭后方地表發生隆起變形，沉降和隆起變形最終會趨于收斂。對地表變形影響較大的區域為初始退管機頭前方的管外徑6～10倍區域，以及退管機頭當前位置后方的約管外徑3倍區域。

2）在退管施工前，預先對機頭前方地表變形影響較大的區域采用水平或豎直地層加固方法。機頭后方的隆起變形在退管過程中逐漸減小，有利于地表變形的綜合控制。

3）隨著退管距離的增大，需提高回填土量和回填土壓力，并保持實時監測，從而控制隨之增大的退管空隙，也可控制地表發生急劇的變形。

本文的分析雖然僅考慮了彈性模型、均勻地層和小范圍退管，對實際工程進行了簡化，但仍能較好地反映實際頂管工程中退管法施工對環境影響的客觀變化規律，可為頂管法施工的進一步研究以及相關設計和施工提供有益的參考。