动理论分析及顶管施工引起的土体扰试验研究

金绍忠

[摘要]近年来，顶管施工技术在中国得到迅速发展，并广泛应用于给排水管道工程，但顶管施工中土体的扰动机理及土体性状的变化有待深入研究与探讨。在前人的基础上，研究顶管施工引起土体扰动的机理，提出更加准确的土体扰动分区图。对某顶管工程进行现场监测，内容包括地面变形、深层土体移动、孔隙水压力、土压力、地下水位及顶管施工现场记录。测试结果土体扰动受土质条件、施工技术和现场控制程度的影响，其中现场控制程度的影响最大。

[关键词]土木建筑工程施工 顶管施工 土体扰动 现场监测

中图分类号：TB1文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0320055－01

在软土层中采取顶管施工，不可避免地会对管道周围的土体产生施工扰动，使周围土体出现卸载或加载等复杂的力学行为，土体的应力变状态将会发生改变，进而引起管道周围土体的变形，产生土体移动。

一、顶管施工引起的土体扰动分析

（一）受扰动土体的分区。在顶管施工过程中，开挖面的掘进、土体输出、掘进机的顶进、平衡泥浆的注入等工艺与盾构法相应的施工工艺类似。但也有不同之处。提出了改进的顶管施工扰动分区。受顶管施工扰动的土体可分为6个扰动区，分别是：挤压扰动区①，剪切扰动区②，卸荷扰动区③，卸荷扰动④剪切扰动区⑤，注浆剪切扰动区⑥。

（二）施工扰动机理。顶管施工对土体的扰动是通过施工产生的附加应力对土体发生作用而产生的。随掘进机的推进，各扰动区土体所受到的施工应力有所不同，因此，对土体的扰动作用不同。

1．挤压扰动区①。区①土体距离开挖面较远，主要承受挤压应力作用而产生挤压变形；对该区的影响较小。

2．剪切扰动区②。区②位于掘进机的正前方，受到千斤顶挤压、刀盘的切削剪切力及振动荷载的作用，应力状态十分复杂。

3．卸荷扰动区③。区③与开挖面较近，使区③土体应力松弛，导致地表沉降变形。

4．卸荷扰动区④。区④位于管道下方，扰动机理与区③基本相同，但由于区④土体的深度比区③大，因此区④的扰动程度要明显小于③，由于应力扩散，其扰动范围则要比区③大。

5．剪切扰动区⑤。掘进机推进过程中上壳与周围土体之间产生摩擦力，该力作用的结果是在掘进机外壳周围土体中产生剪切扰动区，该区的特点是范围较其他区小。

6．注浆剪切扰动区⑥。当进行注浆时，在注浆压力的作用下，形成泥浆与土壤的混合体；形成一个相对密实的套状物，称为泥浆套，在注浆压力作用下，能够起到支撑隧洞的作用，使其保持稳定，不让土体坍塌到管道上。

二、现场试验

（一）工程概况。大连市引水指挥部因引水工程需求，在滨海路路段铺设引水管，采用顶管方法施工。采用单刀盘式土压平衡掘进机，顶进长度为210m，管节直径为φ1200mm。本次顶管施工现场监测内容有地面变形、深层土体侧向变形、土压力的变化。

（二）现场监测结果及分析。

1．地面变形监测结果及分析。当掘进机距离测点较远时，土体受到扰动，地面会先出现微小的沉降；随着掘进机距离的靠近，土体受到的千斤顶挤压力开始变大，土体开始出现向外挤压，地面出现急剧隆起；当掘进机靠近到一定距离时，地面会出现沉降现象。当掘进机尾部离开测点时，由于掘进机外径与后续管节之间的管径差，地面会产生沉降；当进行注浆减摩时，若注浆压力过大，地面会产生隆起；此后一段时间，由于注浆压力的存在，土体的位移维持在一定范围。但随着时间的增加，泥浆中的水份逐渐流失，加上顶管周围受扰动土体发生固结作用，因此地面开始产生沉降，但这一过程要持续很长时间。地面最大隆起达到128.2mm。

2．深层土体侧向变形监测结果及分析。以C3测斜管的监测数据分析，随着掘进机的不断靠的，土体受到挤压力作用，土层向远高管壁方向移动；当掘进机通过后，土层开始向管壁方向移动；在掘进机离开一段时间以后，由于受扰动土体的再固结，引起地面沉降，土层会再次向远离管壁方向移动。因此，深层土体沿管道轴线方向的移动没有一定的移动趋势，它会随顶管施工不断变化，来回反复移动。

3．土压力监测结果及分析。土压力在顶管施工过程中是不断发生变化的。当掘进机离测点较远时，各测点的土压力值变化很小；当掘进机接近测点时，土体受到强烈的挤压扰动，土压力会急剧上升；当掘进机距离测点一定距离时，由于土体开挖引起卸载，开挖面四周的土体会产生应力松弛，土压力又会急剧下降；在掘进机通过的前后一段时间内，由于刀盘支扩以及注浆的原因，因此土压力基本维持不变；测试结果表明，土体在掘进机未到前受挤压作用所产生的扰动是最大的，且离管道轴心距离越近，土体受到的扰动就越剧烈，土压力变化越大。

三、施工现场控制分析

该试验是几个试验段中土体扰动最明显的一段，因为其施工速度要明显比其他几段快。顶管施工过程中掘进机开挖面土压力随顶进距离的变化，产生地面隆起。这表明施工现场的控制对扰动有直接影响，应该设定合理的土压力值和注浆压力值，要做到勤纠偏，并保持正常的施工速度。

四、结束语

本文在比较了顶管与盾构法施工对土体扰动的区别的基础上，对前人的工作进行了改进，对掘进机的前进划分为6个扰动分区。

选择一个土体扰动比较大的顶管试验段进行研究，分析了测试数据在掘进机通过测试断面前、后的变化情况。试验结果表明：

1．土质条件、施工技术和现场控制程度等因素对土体扰动有影响。其中现场控制包括顶力、土压力、管线纠偏、注浆压力和顶进速度等，更是与土体扰动有直接关系；顶进速度过快、土压力设置过造成顶力上升，地面产生隆起现象，土体受到的扰动却加剧。

2．受扰动区土体特性的变化跟掘进机与测试断面之间的距离有直接关系。土压力、孔隙水压力、地下水位在掘进机离测点还有一段距离（6-7m）时上升达到峰值；而地面隆起以及土体侧向变形则是在掘进机尾部离开测点时达到最大，随后总体上呈下降趋势。

参考文献：

[1]房营光、莫海鸿，顶管施工引起的土体扰动区的实测理论与分析[J].广州建筑，2001增.

[2]房营光、莫海鸿、张传英，顶管施工扰动区土体变形的理论与实测分析[J].岩石力学与工程学报，2003(4).

[3]邵理中、沈水龙，控制地面沉降的钢筋混凝土企口顶管施工技术[J].建筑施工，1993(3).

[4]方从启、王承德，顶管施工中的地面沉降及其估算[J].江苏理工大学学报，1998(4).

[5]屠毓敏，长距离顶管穿越海堤时的堤面沉降分析[J].中国市政工程，2001(1).

[6]乔宏伟、邓志辉，顶管施工中地面沉降的预测[J].岩土钻凿工程，2001(5).

[7]方从启，基于半解析元法研究顶管管引起的土层运动[博士学位论文][D].上海：同济大学，1998.

[8]易宏伟，盾构施工对土体扰动与地层移动影响的研究[博士学位论文][D].上海：同济大学，1999.