顶管施工过程的地面沉降控制数值分析

林　鑫（厦门地山建设发展集团有限公司）

顶管施工过程的地面沉降控制数值分析

林鑫（厦门地山建设发展集团有限公司）

随着我国城镇化进程的进一步加快，市政管网建设日益增多，对顶管施工需求也相应增大。而顶管施工会引起地面沉降，甚至影响周围环境和施工安全。因此，地面沉降控制就显得尤为重要。本文从顶管施工概述入手，分析顶管施工过程的地面沉降控制，以供参考。

顶管施工；地面沉降；施工参数；数值分析

随着我国社会和经济的快速发展，城镇化建设持续推进，地下管线的需求量也在逐年增加，顶管技术在地下管道施工中的地位和作用明显增强。顶管施工是继盾构施工之后应用于地下管道施工的一种主要方法，可穿越河流、道路、地面建筑物、地下构筑物以及各种管线等。该方法具有技术先进、对地面活动影响小、节约资金和时间等显著优点，具有开槽明挖法不可比拟的优越性。但顶管施工过程中容易造成地面沉降，导致地面建筑物损坏或者影响施工安全。为了减少顶管施工对附近土体的扰动和地面建筑物的影响，必须对地面沉降进行有效的控制。为此，需要采用数值模拟方法，对施工参数进行优化，以期获得良好的控制效果，确保顶管施工过程安全顺利。

1　顶管施工概述

顶管技术就是采取非开挖施工方式进行施工的方法，是一种少开挖或者不开挖的管道埋设施工技术。顶管法施工就是通过顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤之间的摩擦力，将管道按设计的路线和角度顶入土中，并将渣土运走。一节管子完成顶推到位后，再顶进第二节管子，依此类推。其原理是借助于主顶油缸及管道间、中继间等推力，把工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推进到接收坑内吊起。顶管施工随着我国城镇化进程的加快而越来越普及，应用的领域也越来越广泛。近年来，在水管、煤气管、电缆、光缆和供暖等许多管道的施工中得到了广泛应用。［1］

顶管施工的工艺要点包括：工作井和接收井、洞口止水圈、掘进机、主顶装置、顶铁、基坑导轨、后座墙、推进用管及接口、输土装置、地面起吊设备、测量装置、注浆系统、中继间、辅助施工、供电及照明、通电与换气等。在顶管施工中，主要有三种平衡理论：气压平衡、泥水平衡和土压平衡理论。顶管技术最突出的特点就是适应性很强，即根据不同的设计要求、地质情况和施工条件，选用合适的顶管施工方式。另外，正确选择顶管机和配套辅助设备，对于顶管施工非常关键。近年来，顶管技术在我国取得了长足的进步，但也存在一些问题，主要包括：机械设备技术比较落后、地区差异明显、行业规范化不够、人才不足、宣传推广不力等，需要坚持与时俱进，积极创新发展。

2　顶管施工引起地面沉降原因分析

顶管施工会导致地面沉降，造成这一现象的主要因素包括：土体损失、正面附加推力、掘进机和连续管道与土体之间的摩擦力等。

2.1掘进机正面土压控制失衡

在顶管施工过程中，当掘进机在土层中向前掘进时，在进土仓内会形成流动性的土体。当正面的土压控制在主动土压和被动土压之间时，地面才会隆起或下陷。由于施工场地往往土质变化较大，如果完全按理论计算进行控制则会产生较大的差异，使施工人员难以正确把握，从而造成土压控制失衡，引起地面沉降。另外，设备选用不当也会造成较大影响，比如掘进机刀盘切削面积过小、推进速度或螺旋输送机转速不能调整，则会导致土压失稳，引起地面沉降。

2.2管道外周空隙过大

掘进机在推进过程中，由于纠偏或曲线推进，通常会在管道外周形成空隙。如果空隙过大，则可能引起土体坍塌沉降。因为拙进机在纠偏和曲线推进时，所形成的通道截面面积比管道截面面积大，二者之间的空隙会引起周边土体填充而导致沉降。当前，顶管施工一般都采用触变泥浆减摩技术，即在掘进过程中采用注浆技术减少掘进机与周边土体的摩擦，同时形成浆套堵塞空隙。施工过程中，如果不及时向空隙内注浆，就难免引起地面沉降。

2.3管道与周围土体摩擦

顶管施工会对周边土体产生扰动，这一现象在软土层中表现更为明显。管道推进时会与周围土体产生摩擦，使土体发生剪切扰动，严重时会引起土体移动并导致地面发生沉降。如果出现设备选用不当、管道不符合要求、施工工艺粗糙等问题，则会加剧剪切扰动现象，从而造成更严重的地面沉降。

2.4管道接口发生渗漏

顶管施工是将数节管道顶入土层之中，管道接口之间设置有密封圈以防连接渗漏。如果出现密封圈安置不当、因受力不均而破损或管道接口过度弯折造成密封不良等问题，就会导致接口渗漏，使水土从接口处进入管道造成土体流失，从而引起地面沉降。同时，管道接口渗漏也会导致触变泥浆流失，使其支承土体、减小摩擦的作用大大降低，也会引起地面沉降。

2.5进出洞口承载力不同

在工作井和接收井内，当掘进机进、出洞口时，由于一部分在洞外、一部分在土体内，使其承载力不同。若没有事先做好相关准备工作，极易产生设备“磕头”现象，从而导致洞口上方的土体沉降和坍塌。

3　顶管施工过程的地面沉降控制数值分析

3.1建立模型

在建立模型和进行有限元计算中，可作如下假设：①掘进推力为圆形均匀分布的荷载，取值为顶管机头泥水舱压力的实测数据0.18MPa；②顶管推进过程中只考虑顶进空间距离的变化，而不考虑土体时间效应；③顶管与土体间的摩擦力沿管道长度方向均匀分布。根据实测曲线图，摩阻力约为2kPa；④顶管对外侧土体的抗力沿顶管平面曲线法向方向均匀分布。

采用Mohr-Coulomb（M-C）弹塑性模型建模，以剪应力强度为屈服准则。在某市政工程中，针对某顶管工程进行建模分析。假设模型上表面为天然地表，上下表面相差50m，顶管轴线方向长80m，横向宽60m，管线竖直向曲率半径为650m，水平向为450m。边界条件为：整体模型各边界处均采用位移边界条件，上表面为自由边界，下表面竖向位移固定，其它表面则各自法向位移固定。土层参数按实测数据确定。

3.2不同摩阻力对地面沉降的影响规律

顶管在作业过程中作用在管外壁表面的摩阻力：①没有注浆时，一般在黏性土和砂性土中的摩阻力为20～30kPa。②注浆后，不仅会有效降低对顶管的摩擦阻力，还会减少顶管前进时对土体的扰动，有效减少地表沉降现象的发生。为使摩阻力减到最低，必须注入泥浆形成一层完整的泥浆套，使顶管外壁与土层完全分隔开。经数据计算分析，横向上顶管中心地面沉降最大达15mm，纵向上地面最大隆起量为2mm，与现场监测基本一致。实践表明，注浆压力、位置、数量等对泥浆套的质量都会产生一定的影响，但这些影响通常较小。

3.3机头压力对地面沉降的影响规律

机头压力与地表变形的隆起值相关联，压力越大则隆起值越高，且隆起的最高点距机头位置越近。在机头掘进方向，机头压力增大则影响范围相应增大，前方土体的变形也随之增大。在机头后方，机头压力越大则土体沉降也越大，但沉降值相对于隆起值则要小得多。横向上看，机头压力对正上方土体的影响不大，即其变形量在不同压力下基本保持不变，而沉降最大值在顶管中心。从现场监测情况看，机头压力对地面沉降的影响规律与模拟计算结果是一致的。

3.4土体抗力对地面沉降的影响规律

不同的土体抗力对管道纵向的变形几乎没有影响，对横向的则有一定的影响。施工过程中，顶管对外侧土体会产生抗力作用，而地表横向变形沿顶管轴线方向并不对称，内侧地表土体的变形要大于外侧，并且抗力越大则内外差别也越大。同时，地表沉降最大点是偏向顶管曲线圆心一侧的点，而不是顶管轴线正上方的点。

通过模拟分析，可以对施工参数进行优化：①当顶管周围的摩阻力控制在10kPa时，其地面沉降为7mm在允许范围内，超过这个值时则地面沉降较大。②机头压力为0.18MPa时，前方隆起1mm对周围环境影响较小，超过这个值则隆起量较大。③土体抗力在横向上改变对地面沉降影响不敏感，对纵向沉降影响也较小。［2］

综上所述，在我国经济高速发展时期，顶管技术的创新发展面临前所未有的机遇，其应用前景非常乐观。但顶管施工造成的地面沉降问题又直接影响到这一技术的应用。因此，加强地面沉降控制问题研究，对于推动顶管技术向着现代化、规模化、规范化方向发展仍然具有重要的现实意义。

［1］余 芳.顶管施工引起地面沉降的分析研究［D］.上海交通大学，2009.

［2］喻 军，龚晓南.考虑顶管施工过程的地面沉降控制数值分析［J］.岩石力学与工程学报，2014，S1：2605～2610.

P642.26

A

2095-2066（2016）21-0128-02

2016-7-10

林 鑫（1975-），男，本科，从事施工管理工作。