四孔并行矩形顶管施工力学及环境影响研究

陈杰 CHEN Jie

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

1 概述

顶管中主要就是利用竖井内顶进油缸设施，使工具管或顶管设备从竖井一端顶推至接收竖井后吊起。工具管或顶推管的管片顶进到是发竖井与接收竖井的土层之间[1]。顶管施工方式能够节省施工期间的开挖环节，并使管道在不破坏施工区域的情况下穿越公路、铁道、地面或地下构筑物，具有技术操作性强、施工成本较低等优势。

2 工程概况

某地下空间工程为例，该工程四4 孔并行矩形顶管通道，每通道的长度为60.0m，相邻顶管间净距为0.5m，顶冠覆土厚度5.0m，矩形顶管截面的外轮廓尺寸为6.9m×4.9m，壁厚为0.45m。

3 模型的建立

结合案例中地下空间工程实际施工要求，配合使用有限差分软件构建起四孔并行矩形顶管三维模型。基于实际施工要求，需要规范化设定模型横向尺寸、纵向尺寸，上至地表、下至顶管的尺寸。

4 分析正面推力引起的土体附加应力值

在顶管施工过程中，会导致周围土体应力场发生改变。顶管推进期间，周边土体结构产生的加压值会使得土体出现挤压与松动、孔隙水压等变化。由于土体应力场出现改变，土体结构变形明显，地表容易出现隆沉现象。本文以案例中1 号顶管顶推正面推力对地层附加应力的影响进行剖析。

4.1 土体附加应力沿y 轴分量σy 分布情况

顶管推进施工时，因土仓中的控制土压力会在挤压作用下改变前方土壤结构的受压应力状态。图1、图2 分别为在1 号顶管顶推到6m 的情况，受推力影响，土体结构产生的附加应力值在y 方向的分量σy沿顶管纵向和横向的分布情况。

图1 附加应力σy 随y 的变化

图2 附加应力σy 随x 的变化

由图1 可知，在顶管顶进过程中，顶进前方的附加应力值衰减速度持续加快，以推进面为中心的前方土体结构附加应力衰减速度最快。在刀盘前方4m 处的土地附加应力值以衰减至50%；在刀盘前方12m 处的附加应力值已经衰减到95%。顶管施工期间顶进前方12m 处的土体、构筑物及地面建筑物受到的扰动作用较小。

由此可见，在顶管施工过程中，正面推力作用产生的土体附加应力值y 轴的分量σy会集中在横向顶管横向宽度为1.5m，纵管推进方向顶管横向宽度为2m 的范围之内。

4.2 土体附加应力沿x 轴分量σx 的分布规律

在顶管施工工作开展期间，土体附加应力沿x 轴的分量σx会直接影响到周边构筑物、建筑结构。图3 及图4 为顶管正面推力下土体附加应力值，沿纵向及横向下的分布规律。

图3 附加应力σx 随y 的变化

图4 附加应力σx 随x 的变化

由图3、图4 可知，因顶管正面推力会在挤压的作用下，导致中方及前方土体结构出现松柏效应，从而出现负附加应力。随y 值不断增加，侧向附加应力值会从负数快速递增值峰值，并逐步衰减。在顶进前方12m 的情况下，衰减达到90%；在顶径前方18m 的情况下，土体附加应力的影响被逐步削弱。由此可见，沿x 轴的分量σx的土体附加应力主要影响范围为顶径18m 区域内。同时，正面推力引起的附加引力会沿x 轴的分量集中在约3m 的顶管横向宽度，纵向推进约3m的顶管横向宽度处。

5 地表位移分析

通过结合1 号顶管施工全过程收集到的各类参数数值，分别取12、18、42 与60m参数作为判断断面地表横向沉降数值的指标，并根据此指标绘制出断面地表横向沉降曲线图，如图5 所示。

图5 1 号管顶推施工地表横向沉降曲线

从图5 可知，在顶管推进到18m 的情况下，开挖面推力会对前方土地产生较大的挤压力。目标断面呈现出轻微隆起状态。随着推进距离不断增加，推进表面隆起范围更大。在顶管推进距离达到30m 的情况下，土体结构会因卸载作用影响，上方地表出现沉降情况，但沉降速率较慢。在顶管推进工作持续开展的情况下，目标地面沉降速度快速增长。当顶管机头推进至36m 时，目标断面地表的沉降率已达到70%。当顶管机头推进至42m 时，目标断面地表沉降值将上升至90%，且目标断面基层结构基本趋于稳定。由此可判断出，顶管施工工作对前方土体的影响范围为顶管轴线两侧10m。通过分析顶管横向沉降曲线图，判断单个顶管施工导致附近地表横向沉降变化规律。发现顶管施工导致的最大地表沉降值为-10.7mm，最大隆起值为0.3mm。

通过分析3 号顶管数值计算内容，设定顶管推进距离为12、18、30、42m。3 号顶管施工完毕后的30m 处断面地表横向沉降数值应当与1 号顶管施工完毕后的30m 处断面地表横向沉降数值进行对比分析，并由对比分析结果绘制出30m 处断面地表横向沉降曲线图。如图6 所示。

从图6 可知，在顶进面距离为18m 的情况下，前方土体会在积压力的作用下出现断面地表隆起现象。推进面向前推进的距离越长，目标断面受挤压作用力也会越显著，断面的容器量进一步增大。在顶管可见距离为30m 时，顶管上方地表沉降值达到40%。3 号顶管顶进期间的横向影响范围为管道中线两侧10m。

图6 3 号顶管施工地表横向沉降曲线

通过分析2 号顶管计算数值，设定顶管推进面距离为12、18、30、42m。将2 号顶管不同推进面产生的断面地表横向沉降数值与3 号顶管不同推进面产生的断面地表横向沉降数值进行对比分析，并将分析结果用于绘制推进面为30m 的断面地表横向沉降曲线图，如图7 所示。

图7 2 号顶管施工地表横向沉降曲线

从图7 可知，因顶管推进正面推力会对土体结构产生较为明显的挤压作用，导致土体向上方移动。在2 号顶管的顶推距离为18m 的情况下，目标断面的沉降值减小。在顶进面向前移动的正向推力增大情况下，前方沉降值持续下降。由于2 号顶管施工会受到1 号顶管施工及3 号顶管施工的扰动作用，施工环境中的土体发生较大改变。在顶管顶进至30m 断面时，目标断面上方地表沉降值会达到50%。通过对比分析不同顶管管体上方土体沉降速率，发现2 号顶管的土体沉降速率最快。

1~4 号顶管各管施工完成后y=30 断面地表横向沉降曲线如图8 所示。

图8 各顶管施工后地表横向沉降曲线

由图8 观测横向沉降槽，发现沉降槽呈现出非对称性特征。左侧位移大于右侧位移，体现出地层及过程的非线性影响。在4 号顶管施工过程中，顶管推进作用力对1 号管道及2 号管道的地表沉降影响较小，对3 号管道上方地表沉降较大。4 号顶管施工后，3 号顶管轴线上方的地表沉降值增大。由于4 号施工区域受到的施工扰动作用力小，因此在顶尖完成后的地表纵向沉降，职业最小，纵向沉降值最大为-11.69mm，4 号顶管施工后的地表最大沉降值为-14.9mm。

6 结论

①基于数据模拟方式，分析顶管施工产生的正向推力以及土体附加应力实际分布情况，所获结果如下所示：1）顶管施工正面推力引起的土体附加应力在靠近推进面中部前方土体内最大。σy在管体纵向沿方向逐渐减小，在刀盘前方4m 处的土地附加应力值以衰减至50%；在刀盘前方12m 处的附加应力值已经衰减到95%。顶管施工期间顶进前方12m 处的土体、构筑物及地面建筑物受到的扰动作用较小。y 值不断增加，侧向附加应力值会从负数快速递增值峰值，并逐步衰减。在顶进前方12m 的情况下，衰减达到90%；在顶径前方18m 的情况下，土体附加应力的影响被逐步削弱。沿x 轴的分量σx的土体附加应力主要影响范围为顶径18m 区域内。同时，正面推力引起的附加引力会沿x 轴的分量集中在约3m 的顶管横向宽度，纵向推进约3m 的顶管横向宽度处。2）顶管施工正面推力引起的土体附加应力会沿着顶管横向坐标x 方向的分量沿x 的面中部小范围内出现负值，随后向两侧扩散增加到峰值。在管体轴线两侧顶管横向宽度为1.5m 的情况下趋于稳定状态；σx沿y 方向会呈现出先增加至峰值、而后衰减的规律，前方推进顶管横向宽度为3m 处已经衰减至95%。

②通过构建三维数据模拟图形，对四孔并行顶管施工下的土体位移情况进行分析，分析结果如下：1）在顶管施工过程中，开挖面土体位移会在顶管向前推进的情况下逐步递增，在顶管沉降机头为3m 的矩形顶管横向宽度后趋于稳定。后续顶管施工工作会对周边土体结构造成较大程度的干扰。在单孔施工过程中，地表横向沉降槽与正态分布曲线相符，由此可判断地表沉降最大值为顶管轴线上方。4 孔顶管施工后的地表横向沉降槽具有非对称性特征，沉降量出现在先施工的顶管上方。2）后顶管施工会受到西安顶管施工及压力作用影响，导致顶管施工区域土体的侧压力较大，后续顶管施工的部分土体被挤压。