某供水管道頂管施工階段對路基的擾動分析

摘要 頂管施工作為一種非開挖管道施工技術，廣泛應用于市政供水管道工程中。但頂管施工穿越公路路基時會對路基土體造成擾動破壞，導致路基產生不均勻沉降。文章以某城市供水管道工程為例，綜合分析頂管施工對路基的擾動，并提出相應的控制措施，旨在有效提高頂管施工技術水平，減少對路基的擾動程度。

關鍵詞 供水管道；頂管施工技術；穿越路堤；擾動路基分析

中圖分類號 U231.3 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）15-0072-03

0 引言

市政供水管道的建設改造需要穿越交通干道、河流、橋梁等障礙物。頂管施工技術是一種非明挖的管道施工方法，具有施工速度快、環境影響小、對地層適應性好等優點，但頂管過程中會導致地基擾動等[1]。因此，評估其對路基的擾動程度是保證供水管道施工安全的重要措施。

1 工程概況

龍華口調水工程位于山西省陽泉市郊區和盂縣境內，總投資約為20 億元，計劃于2024 年6 月底具備通水條件，是山西省重點民生工程。中鐵十七局集團承建龍華口調水工程土建Ⅲ標，承擔46.67 km 供水管道施工任務，管道采用復合鋼管、球墨鑄鐵管，管徑為DN1400、DN1000。由于管道穿越段沿線道路密集、車流量大，不具備斷路明挖施工條件，故采用頂管施工技術。

2 觀測方案

為分析頂管施工對路基的擾動程度，在試驗段施工過程中，采用以下觀測方案：

（1）頂管中心線前后各設置5 個沉降觀測點，記錄施工過程中的地表沉降情況，并測量地下水位的變化，探討兩者之間的關系[2]。

（2）頂管頂進前，沿管線方向，在管外側400 mm 處，分別進行鉆芯取樣和靜力觸探試驗，比較施工前后的土體力學性能指標，評估土體的擾動程度。

3 頂管施工控制要點

為保證觀測數據的準確性，頂管施工的各工序，應嚴格按照施工方案進行，主要有以下控制要點[3]。

（1）工作井施工：根據設計要求及測量控制點，準確測定并標記出工作井位置、方向，以便后續施工；根據沉井施工技術標準，采用鋼筋混凝土預制沉井節進行施工，合理控制沉降速度和方向。

（2）管道頂進：①控制頂進速度、高程，避免偏離設計方向；②頂進過程中，機頭刀盤切削粉碎前方土體形成的泥漿混合物通過機頭泥漿泵排出地面，以保持工作空間；③首節管道頂進到指定位置后，回收機頭，將下一節管道吊裝到工作井內與已頂進管道連接；④重復操作，直到頂進作業完成。

（3）掘進導向：①工作井內安裝激光發射器，激光束投射到機頭接收器，顯示屏顯示頂進方向、高程，實時調整頂管機姿態，保證頂進準確性；②為方便管道連接密封，選用凹凸式承插管道；③為緩沖頂進過程中的外部壓力，管道連接處可設置木質墊圈。

4 觀測結果及分析

4.1 地下水位變化對地表沉降的關系

（1）工作井、接收井距離公路坡腳分別為30.8 m、26 m，其最大降水量為14 m。為保證沉井施工安全，采用輕型井點進行降水處理。由于地下水位降低，土體發生致密下沉，導致地表沉降[4]。

（2）頂管作業結束后，地下水位的變化成為影響地表沉降的主要因素。根據沉降監測數據，當工作井處地下水位上升時，地表沉降有所反彈，路肩和隔離帶位置的沉降值分別為?0.5 mm、?0.28 mm，施工過程地下水位降低與地表沉降變化曲線見圖1。

4.2 頂管施工對沿線土體沉降的影響

（1）地基擾動及土層損失：頂管施工過程中，機頭切削和管道推進會對周圍的土體產生擾動。同時，受上部荷載和地下水的作用，土體會發生壓縮和排水，造成地表的沉降[5]。

（2）沉降觀測點：頂管中心線前后對稱設置5 個沉降觀測點，并在地下水位監測井內安裝水位計。通過觀測數據，劃分擾動區域、非擾動區域。不同施工階段沉降隨時間變化曲線見圖2。

（3）擾動沉降和擾動后固結沉降：根據圖2 可知，頂管施工引起的地表沉降可分為兩個階段：一是擾動沉降階段；二是擾動后固結沉降階段。這兩個階段的沉降量、時間都與土體的擾動程度有關。該工程頂管施工完成后，地下水位上升，土體逐步恢復平衡，地表沉降趨于穩定。

4.3 沿橫向地表沉降變化分析

（1）橫向沉降變化曲線：根據觀測數據繪制各觀測斷面的橫向沉降變化曲線圖見圖3所示。據圖可知，橫向沉降呈現中心對稱性，即頂管中軸線處沉降最大，兩側沉降逐漸減小。

（2）擾動范圍：對比各觀測斷面沉降量可知頂管施工擾動范圍。該工程中，距離頂管中軸線15 m、30 m 處的沉降量分別為14.36 mm、7.85 mm，而降水期間的最大沉降值為13.45 mm，說明頂管施工、降水的擾動范圍在頂管中軸線兩側15 m 范圍內。

為減少頂管施工對周邊道路、建筑以及環境的影響，需嚴格控制頂管機姿態、速度，避免擾動范圍過大，同時及時恢復地下水位和土體平衡，促進地表沉降的穩定。

5 地基擾動程度試驗分析

5.1 靜力觸探對比試驗

（1）錐尖阻力變化曲線：根據測量數據繪制頂管頂進前后的錐尖阻力變化曲線圖，如圖4 所示。據圖可知，錐尖阻力與土體強度呈正相關關系，即錐尖阻力越大，土體強度越高。

（2）對比頂管頂進前后的錐尖阻力可知頂管施工對土體的擾動程度。該工程頂管上部土體（7.0～1.8 m）受擾動較小，錐尖阻力基本無變化；頂管下部土體（7.0～13.8 m）受擾動較大，錐尖阻力明顯降低；深層土體（25 m以下）受降水和重力的作用，發生致密下沉，錐尖阻力顯著增加。

5.2 鉆孔取樣試驗結果

頂管頂進過程中進行管壁外側土體鉆孔取樣試驗，測量不同深度的壓縮系數、孔隙比、液性指數、塑性指數，得到以下結果：

（1） 壓縮系數： 頂管上部土體（0.0～4.0 m） 的壓縮系數變化較小， 變化量為6%～12%； 頂管下部土體（8.0～10.0 m） 的壓縮系數變化較大， 變化量為56.00%～328.57%。這說明頂管施工對下部土體的擾動程度較高，導致土體的可壓縮性增加。

（2）孔隙比：頂管上部土體（2.0～4.0 m）的孔隙比呈現下降趨勢，下降量為2.1 cm；頂管下部土體（8.0～10.0 m）的孔隙比呈現上升趨勢，上升幅度高達35%。這說明頂管施工和降水導致上部土體發生致密下沉，而下部土體發生流砂現象。

（3）液性指數和塑性指數：頂管上部黏性土（2.0～4.0 m）的液性指數和塑性指數都顯著下降；而頂管下部黏性土（8.0～10.0 m）的液性指數和塑性指數都有所上升。這說明頂管施工和降水導致上部黏性土失去水分和塑性，而下部黏性土增加水分和塑性。

6 結論

綜上所述，該文以龍華口調水工程供水管道施工為例，通過頂管施工對道路路基的擾動進行了綜合分析，主要結論如下：

（1）根據工程特點和地質條件，制定了合理的沉降觀測方案，包括沿軸線和橫向的觀測斷面和觀測點的布置，以及地下水位和土體力學性能的監測方法。

（2）總結了頂管施工的主要步驟和技術要點，包括工作井的施工、管道的頂進、掘進導向等，以及相應的質量保證措施，如管道的連接和密封、墊圈的設置等。

（3）通過對比頂管施工前后的觀測數據，分析了頂管施工對沿軸線和橫向土體的影響規律，劃分了擾動區和非擾動區，評估了土體力學性能的變化情況，如壓縮系數、孔隙比、液性指數和塑性指數等。

（4）頂管施工時嚴格控制降水速率和頂進速度，避免過大的擾動范圍和沉降量，尤其在降雨環境下施工時需高度重視其影響。

參考文獻

[1] 段超杰， 蔣曉天， 于飛. 頂管下穿城市道路地表沉降規律分析[J]. 工程勘察， 2023（5）： 35-39.

[2] 劉懿， 張胤， 王翔宇， 等. 頂管施工對堤防穩定的影響分析[J]. 黃河水利職業技術學院學報， 2023（2）： 1-4.

[3] 張海峰. 頂管技術在給水管道施工建設中的實際應用與施工技術[J]. 工程建設與設計， 2019（22）： 210-211.

[4] 徐鵬， 武照遠， 張鴻斌， 等. 我國基于有限元分析的頂管施工技術研究進展[J]. 中國高新區， 2017（7）： 111-112.

[5] 王付利， 袁京鵬. 深厚軟土地區超大矩形頂管施工誘發地表土體變形特性研究[J]. 科技通報， 2022（8）： 54-60.