顶管施工技术及其对土体扰动的分析

1 引言

近些年来，随着现代城市化的快速发展以及社会的飞速进步，城市大规模建筑日益增多，地面空间日渐缩小，地下空间开发与利用的应用也越来越广泛。顶管施工作为一种非明挖的管道埋设施工技术，同时也是地下管网建设和综合管廊建设主要的施工方法，成为了国内外学者研究的热点内容。顶管施工技术节省了大量地面空间，减少了环境污染，作为城市建设的“器官"为市政工程提供了生机活力。顶管施工虽然有很多的优点，但其对土体造成的扰动也是不可小觑的。在分析引起土体扰动的机理及原因的基础上，提出一些技术措施以减少对土体的扰动程度，对于类似顶管工程施工具有指导参考价值。

2 顶管施工的施工工艺

顶管法施工首先是在施工前设计好的管道项进中轴线之间开挖工作井和接收井，在已建工作井内利用顶进设备以及中继间装置所产生的顶推力，将顶管机和首节待铺设管道相继按设计路线顶入土体。一节管道项完之后，再吊下另一节管道继续顶进，直至到达另一端预先开设好的接收井，最后再从接收井将掘进机吊起并回收。完成整段管道的铺设。

由张文帅等人了解到顶管施工的主要组成部分，包括：①工作井、接收井；②主项装置及后背墙；③顶管机；④顶铁；⑤顶进管节与接口；⑥止水圈；⑦井内导轨；⑧地面吊起设备；⑨测量装置与注浆装置；⑩中继间；⑪排土设备；⑫辅助顶管施工；⑬供电照明系统；⑭通风换气系统。

3 顶管施工的优点及分类

3.1顶管施工的优点

与市政管道的开槽施工相比较，顶管法施工有很多优点，其优点如下：土方工作量较小；施工工期相对较短；施工噪声小；缓解交通压力；管线埋设工作在地下进行，受自然条件的影响比较小，可以跨越地面的各种障碍；减少污染；施工质量高；节省资金；地层的变形容易控制；节省了人力资源。顶管法施工的优点充分体现出项管施工技术的适应性以及实用性，加快了城市化的建设，具有显著的社会效益。

3.2顶管的分类

顶管的分类依据有很多，每个分类依据的侧重点各有不同，因此分类方式都不够全面具有一定的局限性。可分为以下几类：

①按照管节口径大小的方式划分为小、中、大口径以及微型顶管，就目前顶管工程发展情况而言，中口径在市政工程中的应用比较多；

②按照顶管向前顶进轨迹的方式不同划分成曲线顶管和直线顶管；

③由顶管机掘进不同形式划分为气压平衡式、手掘式、土压平衡式和泥水平衡式；

④根据顶管管材可以划分为钢管顶管、钢筋混凝土管顶管以及其他管材顶管，在长距离顶管施工过程中应该优先选择钢管顶管，因为钢管的抗压强度较大；

⑤根据始发井和接收井之间距离长短划分为长距离顶管及一般顶管在现场施工中，应该根据土质条件和施工要求选择合适的顶管施工方式，以此降低成本、缩短工期。

4顶管施工造成的土体扰动分析

4.1顶管施工造成的土体扰动

土体扰动是土体原有的应力平衡状态由于人为因素或者自然因素的存在而被打破，土层之间产生了附加应力场，应力状态也因而改变，土体结构以及物理力学性能都会发生改变。关于顶管施工所引起的土体扰动已有一些相关重要研究。

郑震宙，王迪等人用ABAQUS软件对深圳某一配水管项目进行了数值模拟，分析了注浆压力、周边土体性质和学子面支护力等因素对上覆土体及管线的扰动，研究结果表明增强土体强度、注浆压力合理化能够有效抑制土体扰动。

张建用FLAC3D软件对软土地区的福州文林山隧道管幕群管项进过程进行了模拟，在模拟过程中不断调整应力释放率且通过不断分析选择出最佳顶进顺序，以此降低对软土层的扰动。

张艳林等人用ABAQUS软件对某引水工程进行真实复杂地层的三维模型建立，又进一步利FLAC3D软件操作进行数值模拟。扰动结果显示顶管施工对周围地层产生了影响，上方的地层会发生沉降变形而下方地层会发生隆起变形，在软弱土层中软弱土层的厚度越厚变形就越大，故在软弱土层较厚的施工区段应采取加强措施。

安关峰等人结合广州一污水处理系统，借助三维建模，基于双层顶管的施工次序和管道材质，对地层的扰动特点进行探讨。双层顶管施工比单层顶管施工过程要复杂得多，所以双层顶管对土体的扰动和单层顶管相比会存在一定的差异。经研究发现上下两层顶管项进时下层土体受扰动更明显，下层上侧位置的沉降量最大，正确的施工顺序应该是先进行下层顶管的施工以便有效控制地表下降。

魏纲在以往的基础上将土体扰动分成了七个区域，完善了土体扰动分区图1、图2所示。

图1 顶管施工纵向扰动分区图

图2 顶管施工横向扰动分区图

 

4.2土体扰动机理

为进一步了解顶管施工对不同区域土体的扰动程度、扰动机理，对图1、图2各个扰动区的扰动情况进行分析。挤压扰动区①距开挖面较远，土体主要受到挤压应力。剪切力以及震动荷载对此区域几乎没有影响。

剪切扰动区②在开挖面正前方，土体遭受剪切力、顶进力等多重应力的作用。此区域的土体一方面受到平衡泥浆的压力以及顶推力的影响而使水平应力一定程度上有所增加的同时又因开挖卸载导致应力松弛。

卸荷扰动区③的土体在掘进机向前顶进的过程中会使迎面方向的应力和竖直方向的应力有一定的增加，使地面向上隆起破坏地面平整。掘进机逐渐通过该扰动区范围以后，由于管径差的存在和水土流失问题，土体应力会发生卸载松弛现象引起地表沉降。

卸荷扰动区④位于施工管道的下方，该区域的扰动机理与区③大体相同，但由于自重作用明显以及埋置的深度比区③大，所以卸荷扰动区④的抗剪强度比较高，土体扰动程度较弱，扰动范围较广泛。

剪切扰动区⑤主要是由于掘进机在顶进过程中管土之间产生了摩擦阻力而形成的，该区域受摩擦阻力的影响比其他扰动区的影响范围要小一些。

注浆剪切扰动区6是由于顶管施工过程中不注浆或者注浆不及时产生的，适当注浆能减小管土之间的摩擦阻力，而注浆不及时，就会存在剪切摩擦阻力。

固结区①土体产生了超孔隙水压力区。原土体颗粒之间存在孔隙水，随着管节推进，颗粒之间的缝隙变小，孔隙水逐渐消散，超孔隙水压力随之下降，土体最终固结沉降。随着时间推移，土体随时间增长还会发生螺变现象造成次固结沉降。

由此可知，剪切扰动区②以及卸荷扰动区③受到的扰动影响较大，土体的稳定性较差，性能变化比较大，如变形模量、承载力、密实度以及强度等都会随着土体扰动程度的增大而降低。

5 减小顶管施工对土体产生扰动的措施

土体扰动的关键因素在于地层损失。根据相关文献归纳出造成地层损失的几点原因：开挖面稳定性不足、管道顶进时纠偏、管土之间存在空隙问题、管道间连接密封性不好、中继间密封性不好、管土之间存在摩擦阻力管道后退以及掘进机施工时进出工作井等。

针对以上现象并结合前人的研究，提出了一些缓解土体扰动的措施。

①采用注浆减摩工艺。目前有同步注浆与二次注浆两种工艺。所谓同步注浆就是在施工过程中边顶进边注浆。在顶管施工后依据管道与土体之间空隙存在的大小进行注浆是二次注浆的注浆方式，注浆主要有填充存在的空隙、降低摩擦阻力以及支撑洞体等三方面的功能。

②合理控制纠偏角度。在进行纠偏时，管道一侧的土体产生空隙而另一侧的土体会遭受到挤压作用，因而大角度纠偏应当被尽量避免，亦须遵循“一勤二少三及时”的原则进行纠偏。严格意义上讲每节管道顶进之后都需要对顶进线路进行测量、复测，以控制管道偏转。

③维持开挖面稳定。调控排土速度以及维持静止土压力与土仓压力平衡等措施都可以在一定程度上维持开挖面的稳定性，维持开挖面的稳定有助于缓解土体的扰动与挤压问题。

④曲率半径不宜过小。曲率半径越小顶管的侧向顶进荷载就会越大，会对侧向土体产生更大的扰动和挤压。

⑤选择正确合适的掘进机。工具管背土、顶推力的大小、管道埋深、管径差、土体孔隙率以及中继间的布置等物理参数都是影响地表变形的主要原因，而这些因素受机头的影响比较大，因此，顶管顺利施工的关键在于选择合适的顶管机头。

⑥控制掘进的速率。合理控制掘进速率可以平衡入土量和出土量，这样就可以达到保持掌子面土压平衡的目的进而降低地层损失。

6结论

顶管施工技术在我国的发展及应用相对来说较晚，在实际操作中还存在定的困难，特别是施工对土体产生的扰动影响更是无法避免。但随着科技进步，设备升级，这些难题终会迎刃而解，对土体产生的扰动影响也会在一定程度上得到缓解控制。顶管施工技术的发展大大节省了地面空间，解决了地面拥挤的现象，满足了人们的需求。目前，顶管施工技术已广泛应用于供水排水、供电、供气等多个方面。未来，其发展平台将会更加广阔，更好地为城市化建设做服务，使城市化建设迈向更高的台阶。

 

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