市政項目供水管道頂管施工對路基的擾動分析

馮欣

（湖南尚上市政建設開發有限公司，湖南 長沙 410000）

頂管施工面為地下，一定程度上規避了大量開挖原地面的不足，可在對地面上構造物、環境不造成破壞的前提下鋪設管道。本文選擇某市供水管道工程項目為研究對象，根據項目實際，有針對性設定觀察方案，分析觀測獲取數據，通過兩組實驗總結了地基擾動程度，并就本項目實際，提出動態控制路堤穩定的建議、方法，為類似工程施工作有益探索。

1 工程概況

本文就某市供水管道項目展開研究，本項目的管線穿越公路路堤，由混凝土制作，管外徑為2880mm，經地質勘查了解，本項目所處平原地帶，圖1 所示為頂管穿越地層詳細位置及相關情況；使用排水法推進兩側頂管，左側沉井底板埋深度為15.3m，右側沉井底板埋深度為14.5m。本工程根據實際需求，需要科學降低地下水位，深度為13-14m。

圖1 頂管穿越地層位置示意:（單位：m）

2 受擾動土體應力變化情況

因工具管導致的擠壓力，受到此額外載荷擾動的影響，周圍土體部位不同，受到不同的擾動，未受擾動之前，其應力分布相對固定且保持平衡，但是遭受到擾動后，其應力變化較為顯著。因載荷的影響，擠壓區出現擾動，出現水平方向的應力。施工過程中會使用多種機械設備，受到振動、攪拌作用，導致應力所處狀態較為復雜。一方面因為施工降低了水平應力，另一方面在推進壓力或者泥漿平衡的作用下，導致增加水平應力，受力的多方面改變，要是確保應力水平基本穩定，則會極大降低施工影響擾動情況。

同時，還有一部分土體，受到擠壓載荷的影響，水平方向、垂直方向應力均出現改變。主要是因為在頂進時，周邊土壤與管道之間摩擦力作用，受摩擦力的影響，導致影響一定范圍內的土壤，致使其存在擾動，又被稱為剪切擾動，該區域被稱為剪切擾動區。摩擦力大小直接關系到剪切擾動的大小、范圍及影響程度等。進行施工活動時，無注漿或者未及時注漿，管道、土壤之間存在摩擦力，導致剪切擾動。在摩擦剪切力的影響下，土壤運動向前，為將這部分剪切力降低，最大程度規避剪切擾動。實踐中常通過注漿的方式予以規避，改變土體、管道之間的摩擦情況，用濕摩擦代替干摩擦，不僅實現摩擦力的降低，還能扮演相應的支撐效果。此擾動區的大小與注漿壓力等有關，也與注漿量存在一定關系，同時管道外徑也是重要影響因素。

該施工活動還會導致卸荷擾動，施工區域進行施工活動初期，在剪切力、擠壓力等作用下，導致地表出現隆起。施工進行一段時間后，尤其是通過工具管通后，因其外徑大于管道，周邊提讓需要填補多余的外徑部分，同時地下水滲透加劇水土流失問題，導致區域內應力松散。因埋置土體較為深入，具有較大的抗剪強度，且上部分布土體在相關設備自動的作用下出現一定程度的擾動。其影響程度不足、擾動范圍較小，甚至有的不會出現出擾動情況。

3 觀察方案

本工程布置5 個觀測點，便于觀測沉降情況，有效監測、就擾動的范圍、情況等進行深入分析，就路堤的水文變化、沉降情況進行科學監測，探尋二者之間關系；實施頂管施工前，沿平行管軸方向40cm 處設置對比試驗，有針對性分析土體力學指標的變化。圖2 所示為詳細布設觀測儀器圖，下文中將對相關數據進行分析，形成定量結果。

圖2 布設觀測儀器圖

4 觀測成果分析

4.1 地下水位降低對路堤的影響

4.1.1 分析變形規律：其一，工作井和公路坡腳之間相距30.7m，與接收井的距離為25.9m，其中水位最大下降14m。沉井施工過程中，在沉井四周設置相應的井點。載荷因地下水位的降低而增加，實現壓密度的提升，上述為引發該部位地表沉降的成因；其二，頂管施工完成后，下低水位沉降為導致地表沉降的主要誘因，本項目觀測發現，工作井一側提升水文，出現沉降回彈，回彈大小不等，中央分隔帶、路肩處回彈分別為-0.3mm、-0.5mm。圖3 詳細記錄了地表沉降與地下水位變化的情況。

圖3 施工全過程地下水位降低與地表沉降變化曲線（2019 年）

4.1.2 沉降影響路堤動態指標控制情況：圖3 所載明情況顯示，在橫向方向，路堤將出現不均勻沉降，因路堤自身剛性較大，兩側沉降不均勻是誘發路面出現縱向裂縫的主要原因，所以施工全程必須強化監測和預報降水時的沉降情況。路面之所以出現裂縫，主要是因為沉降不均，導致拉應力大于路面路基最大值，主要判斷依據為沉降差異導致的路面橫、縱坡改變情況，根據國家相關施工規范，該變量應不超過0.5%。

4.2 頂管施工沿軸線沉降規律

4.2.1 頂管施工主要在兩方面影響地表沉降，其一為地層損失，其二為地基擾動。掘進頂管時，地下水位變化、上部載荷增加共同作用，擾動出現再次固結，導致地面發生沉降問題。

4.2.2 本項目設置的觀測點，充分考慮不同位置在頂管掘進過程中的沉降情況。本工程經充分考慮不同位置后設置觀測點，詳細觀察頂管掘進時沉降現象。經過觀測可發現，頂管達到后，達到頂管后，會影響一定范圍內的土地，外在表現為隆起、沉陷，但是不會對擾動區外的土體造成影響。路基下面穿越頂管后，沿軸線方向會出現不同程度的沉降，圖4 所示為各觀測點在施工不同階段隨時間變化而出現沉降變化曲線。

圖4 不同施工階段沉降隨時間變化曲線（2019 年）

4.2.3 根據圖4 所載明的數據表明，機頭進入到相關位置后，路堤出現沉降情況較為嚴重。同時沉降由兩個階段組成。第一階段，擾動沉降，呈現出典型的超前性、瞬時性特點。第二階段，擾動后再固結，存在典型的時間效應，穩定時間受土質情況、擾動程度的影響，即擾動、土質等情況不同，其穩定時間也不盡相同。

4.3 沿橫向地表沉降分析

為對頂管施工的影響情況科學有效直觀的給予評價，本文以頂管為中心，設置5 個觀測斷面，斷面設置在其前后30 米內，通過上述方式有效了解沉降變化的情況并予以對應分析。

經上述5 個觀測斷面觀測發現，見以圖5 不同位置沿縱向沉降變化曲線，在頂管穿越中線周邊集中出現沉降，即距離中線越近，其沉降量越大，距離其越遠，沉降越低。最大沉降量為14.35mm，出現在距中線15m 處，最小沉降量為7.8mm 出現在距離中線30m 處，由于下雨出現13.40mm 的最大沉降量，因此可以斷定，頂管施工主要影響軸線外15m 范圍內的土體，而降水對土體的影響范圍也相同。所以在下穿公路路基過程中，必須充分考慮擾動范圍內結構物受擾動的影響，尤其是下穿土體伴隨存在地下水的情況，計算時必須予以高度關注。

圖5 不同位置沿縱向沉降變化曲線

5 地基擾動程度分析

頂管下穿路基前后，與外壁較為靠近處分別進行兩項試驗，第一項試驗為靜力觸探，第二項試驗為鉆孔取樣試驗，主要是分析土體的力學指標，尤其是通過分析這些指標，定量分析擾動程度。

5.1 靜力觸探對比試驗

土體強度高度通過靜力觸探試驗能夠獲取，尤其是經由側壁阻力、錐尖阻力等測試反映的更加精確。施工前后錐尖阻力變化曲線如圖6 所示：通過試驗得出結論數據如下：

圖6 施工前后錐尖阻力變化曲線

5.1.1 錐尖阻力在深度7.0～1.5m 范圍內變化不明顯，其變化較小。

5.1.2 因施工擾動影響，頂管穿越深度7.0～13.5m 范圍內，降低了土體強度，錐尖阻力顯著降低，經評估和計算，影響量平均為-13.3%。

5.1.3 相關資料表明，深度超過25m 后，因伴隨頂管施工實施降水，也就意味著將荷載增加在上部，再次壓縮地基，進一步提升土體強度，錐尖阻力顯示增加較為普遍。

5.2 鉆孔取樣對比試驗

通過本試驗能夠對土體力學相關指標進行清晰分析，了解相應變化情況，通過試驗得出如下結論：

5.2.1 壓縮系數變化情況：其一，粘性土壓縮系數在0.0～4.0m 范圍內穩定性較高，變化不大，該變量介于6%至12%之間，壓縮系數變化較低。其二，在8.2m 處，改變量驟然增加56%；在9.2m 處，改變量有出現驟然增加的情況，增加量為328.57%；在10.2m 處，改變量驟然增加127%；從深度、壓縮系數變化情況而言，主要擾動區為管壁四周1m 范圍內。其三，壓縮系數介于1m 至4m之間存在降低情況，致因為地下水降低。通過上述我們可以得出，通過對其相關指標變化情況進行分析，擾動區共有兩部分，軸線上部區域為上部分，軸線下部區域為下部分；上部區域土體強度有所下降，下部因遭受密壓效果，強度有所提升。

5.2.2 孔隙比變化情況：其一，深度2-4m 范圍內土壤，孔隙度和深度之間關系為負相關，即深度降低，孔隙比提高。壓縮變化也是如此，壓縮量累計為2.1cm；其二，深度8m 至10m 之間為頂管穿越區，因為施工活動擾動公路地基，因為在施工過程中會出現流砂，但量非常少，增加了孔隙，最大增幅時35%；其三，在上部降水的影響下，軸線以下的地基土也存在壓縮。

5.2.3 液性指數、塑性指數變化情況：塑性指數作為重要指標，旨在了解土體固結壓縮特，從塑性指數變化角度看，上部粘性土出現減少，但程度大小不一，其表現出與孔隙比減少的一致性。從也行指標變化角度看，上部粘性土的該指標均出現降低，但降低程度大小不一，主要是由于降水導致土體壓縮所致。

6 結論

公路地基完成固結后進行頂管穿越勢必擾動土體并導致土層損失，因受這一影響，導致路堤出現橫向、縱向不均勻沉降。相關研究發現，進行頂管施工時，進行動態監控和預警措施，控制路堤縱向、橫向變量不超過0.5%，能夠有效規避路面出現裂縫問題，本文相關結論如下：

6.1 如路堤兩側沉井施工需同步實施降水操作時，必須充分了解項目所在地的地質情況，科學設定降水深度，有針對性明確降水速率。本項目實踐發現，如路堤縱向、橫向變量因沉降差所致不超過0.5%時，路面會保持良好，行車較為平穩，駕駛較為舒適；頂管下穿公路路堤過程中，如果也需要降水操作，也必須思考降水情況影響擾動區的范圍。施工擾動導致的路堤沉降不均同樣采取0.5%的控制指標，以此確定掘進速度，并有有針對性選擇施工工藝。

6.2 頂管施工也會擾動土體，其擾動范圍以管壁為中心1m 距離，呈四周擴散狀，擴散程度主要取決于土壤內部摩擦角。相關試驗表明，擾動區以軸線為中心劃分為兩個區域，其一為上區，其二為下區。上區土壤強度不斷降低，壓縮系數增大，增大量超50%，同時孔隙比增加，最高為35%，導致地表發生沉降的主要因素為土體出現擾動后再次固結。下部土體主要呈現出壓密狀態。

6.3 頂管下穿公路過程中，尤其是土質為含砂層，應科學協調水、砂二者的關系，以免導致流砂問題，有效規避土體局部區域出現空洞，直接影響到公路竣工后的正常使用。