小直徑螺旋頂管施工環(huán)境變形響應(yīng)及施工控制研究

0 引言

螺旋頂管法作為一種新型的非開挖施工技術(shù)，具有適應(yīng)性強(qiáng)、施工精度高等特點(diǎn)，但使用此技術(shù)施工時(shí)，由于土體的擾動(dòng)和應(yīng)力的重新分布，往往會(huì)引起地表沉降、土體位移等環(huán)境變形。這些變形嚴(yán)重影響施工的安全性和效率，還對(duì)周邊建筑物和地下管線造成損害[1-3]

目前已有多位學(xué)者針對(duì)頂管施工技術(shù)展開了研究。孟慶軍等[依托地鐵站換乘通道工程，探討了三頂管并行施工方案，并對(duì)地表沉降規(guī)律和分布特征進(jìn)行研究。苗宇滔等[5基于數(shù)值分析，分析頂管施工方式及開挖面推力對(duì)地層變形的影響。楊子川等[6依托具體工程，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)開展了對(duì)頂管施工引起的地表變形規(guī)律研究。鄭彬等[7]將工程和施工重難點(diǎn)結(jié)合，解決了螺旋頂管施工時(shí)遇到的技術(shù)難點(diǎn)。胡燕林[8對(duì)新型螺旋式頂管的關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行了介紹，并提出了頂管改進(jìn)措施。

對(duì)小直徑螺旋頂管施工環(huán)境變形響應(yīng)及施工控制展開研究，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。基于此，本文依托污水管網(wǎng)項(xiàng)目，基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析小直徑螺旋頂管施工過程中的環(huán)境變形響應(yīng)，并探討相關(guān)的施工控制技術(shù)，以期為相關(guān)工程提供理論指導(dǎo)。

1工程概況

菲律賓奎松東污水管網(wǎng)項(xiàng)目（第二標(biāo)段）非開挖工程總長(zhǎng)為 3202m ，管道直徑為 400mm ，采用螺旋頂管法施

工。區(qū)段平均坡度為 0.33% ，管道平均埋深 7～10m ，兩工作井區(qū)間平均長(zhǎng)度為 40～60m 。地下主要地質(zhì)情況為含砂的黏土層和粉砂層，地下水一般在地下 4～6m 可見。

2頂管施工環(huán)境變形響應(yīng)分析

2.1 地表監(jiān)測(cè)方案

2.1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置

基于工程概況，選定長(zhǎng)度為60m的工作井區(qū)間，在區(qū)間內(nèi)設(shè)置12個(gè)縱斷面，斷面間距為 5m 。每個(gè)縱斷面上，從距管壁2m開始沿橫斷面往地表布置監(jiān)測(cè)儀器，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距設(shè)為 2m ，每個(gè)縱斷面上有4個(gè)點(diǎn)位分布，共有48個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置如圖1所示。

圖1監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置

2.1.2監(jiān)測(cè)儀器安裝

在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位上均安裝3個(gè)土壓力計(jì)，用于測(cè)量頂管施工時(shí)各點(diǎn)位附近的土壓力。在每個(gè)斷面上上均安裝靜力水準(zhǔn)儀，以測(cè)量不同點(diǎn)位在頂管施工時(shí)產(chǎn)生的沉降值。

2.1.3 數(shù)據(jù)采集

在施工前，對(duì)各個(gè)點(diǎn)位所監(jiān)測(cè)的沉降值進(jìn)行清零，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。頂管機(jī)頂進(jìn)施工過程中，每隔2h對(duì)各點(diǎn)位監(jiān)測(cè)一次，記錄土壓力和沉降值。頂管施工完成后，再進(jìn)行為期14d的沉降監(jiān)測(cè)，每天測(cè)量一次，記錄土壓力和沉降值。

2.2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.2.1頂進(jìn)過程中的點(diǎn)位沉降

由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位過多，選擇位于區(qū)間中間的斷面6，對(duì)其各點(diǎn)位沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在小直徑螺旋頂管施工過程中，頂管與斷面6各點(diǎn)位的橫向距離一直處于動(dòng)態(tài)變化，各點(diǎn)位的沉降量也不斷變化。斷面6各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位沉降曲線如圖2所示。

圖2斷面6各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位沉降曲線

對(duì)圖2中的沉降值變化趨勢(shì)進(jìn)行分析可知，各點(diǎn)位的沉降值隨著頂管與斷面6的相對(duì)距離發(fā)生變化，其沉降值變化呈現(xiàn)出明顯的“V”字形趨勢(shì)。在頂管正上方處，沉降值達(dá)到最大；隨著距離的增加，沉降值逐漸減小，有明顯的非線性特征，且在距離超過20m后逐漸趨于穩(wěn)定。

斷面6的4個(gè)點(diǎn)位（地表處、距地表 2m 、4m、6m)的沉降值變化趨勢(shì)基本一致，但沉降值的大小有所差異。其中，地表處的沉降值最大，隨著深度的增加，沉降值逐漸減小。這表明頂管施工對(duì)地表的影響最為顯著，隨著深度的增加，影響逐漸減弱。

分析認(rèn)為，頂管施工過程中，頂管機(jī)的推進(jìn)和管道的安裝會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生擠壓和擾動(dòng)，導(dǎo)致土體應(yīng)力重新分布，從而引起沉降。同時(shí)，該地層為含砂的黏土層和粉砂層，具有一定的孔隙性和滲透性，在施工過程中，地下水會(huì)加劇土體沉降。

2.2.2頂進(jìn)過程中的各點(diǎn)位土壓力分析

小直徑螺旋頂管在頂進(jìn)過程會(huì)造成土體發(fā)生應(yīng)力重分布，因此對(duì)頂進(jìn)過程中斷面6不同點(diǎn)位的土壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。斷面6各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位土壓力變化如圖3所示。

圖3斷面6各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位土壓力變化

從圖3可以看出，不同點(diǎn)位的土壓力隨著距離的變化呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。在頂管正上方附近（距離在-5～5m) ，土壓力變化劇烈，有較為明顯的峰值趨勢(shì)。在距離為0m處，土壓力達(dá)到最大值。隨著頂管距離點(diǎn)位越遠(yuǎn)，土壓力變化越平緩，逐漸趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)轫敼苷戏礁浇馏w受到的擠壓作用最為明顯，因此土壓力最大。而隨著距離的增加，土體受到的擠壓作用逐漸減弱，土壓力也隨之減小。

4個(gè)點(diǎn)位（地表處、距地表 2m 、4m、6m）的土壓力變化趨勢(shì)中，最大值與最小值的差值超過 60kPa 。其中，距地表6m處點(diǎn)位的土壓力變化趨勢(shì)較顯著，峰值超過90kPa；而其他3個(gè)點(diǎn)位的土壓力變化趨勢(shì)不明顯，距地表越近，其土壓力越低，變化也越為平緩。地表處的土壓力最小，約為 25kPa 。

2.2.3施工后地表沉降

頂管施工完成后，還需進(jìn)行為期14d的監(jiān)測(cè)，以確保工作井區(qū)間的沉降在允許范圍內(nèi)。14d內(nèi)的斷面6各點(diǎn)位沉降曲線如圖4所示。

圖414d內(nèi)的斷面6各點(diǎn)位沉降曲線

由圖4可知，不同深度點(diǎn)位的沉降值在頂管施工完成后的14d內(nèi)均呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。在監(jiān)測(cè)周期的前3d內(nèi)，各深度點(diǎn)位的沉降值變化較為迅速，尤其是距地表4m和6m處的沉降值下降明顯。之后沉降值變化逐漸減緩，并趨于穩(wěn)定。該現(xiàn)象表明施工完成后，土體需要一定時(shí)間來適應(yīng)新的應(yīng)力狀態(tài)，因此沉降會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生，但會(huì)逐漸減小。

隨著時(shí)間的推移，土體逐漸適應(yīng)了新的應(yīng)力狀態(tài)，沉降值變化也開始趨于平緩。且距地表越近，其沉降值越小，這說明頂管施工對(duì)地表土體的影響較小，對(duì)管道周圍土體的影響較大。

3頂管施工控制

小直徑螺旋頂管施工的基本原理，是通過螺旋鉆桿將管道逐步頂入土體中，同時(shí)利用螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)作用將土體切削并排出。在頂進(jìn)過程中，通過調(diào)整螺旋鉆桿的轉(zhuǎn)速和頂進(jìn)速度，可以控制土體的切削和排出量，從而實(shí)現(xiàn)管道的順利頂進(jìn)。基于此，為減少小直徑螺旋頂管施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，提出以下幾條施工控制措施[9]。

3.1 優(yōu)化施工參數(shù)

施工參數(shù)優(yōu)化是減少施工環(huán)境變形的重要手段之一。由于該過程地層的滲透性較大，需要合理調(diào)整頂進(jìn)速度、注漿壓力等施工參數(shù)，以控制土體的擾動(dòng)程度和變形情況。具體措施如下：一是合理控制頂進(jìn)速度。在施工中，應(yīng)根據(jù)土層性質(zhì)和管道參數(shù)等因素，合理控制頂進(jìn)速度，避免過快或過慢的頂進(jìn)速度對(duì)土體造成過大的擾動(dòng)。二是優(yōu)化注槳壓力。注槳壓力的大小和分布對(duì)地表沉降和土體位移有重要影響。在施工中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，合理調(diào)整注漿壓力的大小和分布，以填充管道周圍的空隙，減少土體的固結(jié)和壓縮。

3.2注漿減阻

施工人員可以通過在管道周圍注入適量的漿液，使其形成一層潤(rùn)滑層，減少管道與土體之間的摩擦阻力，從而降低頂進(jìn)過程中的土體擾動(dòng)和變形。具體要點(diǎn)如下：一是選擇合適的注漿材料。注漿材料的選擇應(yīng)根據(jù)土層性質(zhì)和施工要求等因素進(jìn)行綜合考慮。一般來說，選擇流動(dòng)性好、固化時(shí)間適中、強(qiáng)度高的注漿材料為宜。二是合理確定注漿量。注漿量的確定應(yīng)根據(jù)施工進(jìn)行綜合考慮。如根據(jù)管道直徑和土層性質(zhì)等因素進(jìn)行確定，以確保注漿效果。

3.3 加固土體

土體加固可以有效提高土體承載能力和穩(wěn)定性的。通過加固土體，可以減少頂管施工過程中造成的土體擾動(dòng)和變形。可采取的措施如下：一是化學(xué)注漿加固。通過向土體中注入化學(xué)漿液，使?jié){液與土體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成具有一定強(qiáng)度的固化體，從而提高土體的承載能力和穩(wěn)定性。二是采用土釘墻加固。基于在土體中設(shè)置一定數(shù)量的土釘，將土體與土釘連接成一個(gè)整體，從而提高土體的抗剪強(qiáng)度和承載能力。

4結(jié)論

本文以菲律賓奎松東污水管網(wǎng)項(xiàng)目為依托，系統(tǒng)研究了小直徑螺旋頂管施工的環(huán)境變形響應(yīng)規(guī)律及控制技術(shù)。通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析，揭示了含砂黏土與粉砂地層中頂管施工的地表沉降規(guī)律及土壓力分布特征，并提出針對(duì)性施工優(yōu)化措施。結(jié)論如下：

1）螺旋頂管施工引發(fā)的地表沉降在橫向距離上呈“V”形分布，隨水平距離增加呈非線性衰減， 20m 外趨于穩(wěn)定；垂直方向上，地表沉降值最大，隨深度增加逐漸減小，表明施工擾動(dòng)對(duì)淺層土體影響更為顯著。

2）頂管軸線附近（ -5m～5m ）土壓力變化劇烈，最大土壓力達(dá)90kPa（距地表6m處），隨距離增大逐漸趨于穩(wěn)定。土壓力峰值與頂管推進(jìn)速度和注漿壓力直接相關(guān)，粉砂層地層滲透性加劇了應(yīng)力重分布的非均勻性。

3）頂進(jìn)施工完成后14d內(nèi)，土體經(jīng)歷快速穩(wěn)定至平穩(wěn)的過程，前3d沉降速率最高（約 2mm/d) ，后期趨于平緩（ Ω<0.5mm/dΩ ），表明該工程選擇的注漿工藝對(duì)保證管網(wǎng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性具有關(guān)鍵作用。

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