金紹忠

[摘要]近年來(lái)，頂管施工技術(shù)在中國(guó)得到迅速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于給排水管道工程，但頂管施工中土體的擾動(dòng)機(jī)理及土體性狀的變化有待深入研究與探討。在前人的基礎(chǔ)上，研究頂管施工引起土體擾動(dòng)的機(jī)理，提出更加準(zhǔn)確的土體擾動(dòng)分區(qū)圖。對(duì)某頂管工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，內(nèi)容包括地面變形、深層土體移動(dòng)、孔隙水壓力、土壓力、地下水位及頂管施工現(xiàn)場(chǎng)記錄。測(cè)試結(jié)果土體擾動(dòng)受土質(zhì)條件、施工技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)控制程度的影響，其中現(xiàn)場(chǎng)控制程度的影響最大。

[關(guān)鍵詞]土木建筑工程施工 頂管施工 土體擾動(dòng) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TB1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0320055－01

在軟土層中采取頂管施工，不可避免地會(huì)對(duì)管道周?chē)耐馏w產(chǎn)生施工擾動(dòng)，使周?chē)馏w出現(xiàn)卸載或加載等復(fù)雜的力學(xué)行為，土體的應(yīng)力變狀態(tài)將會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而引起管道周?chē)馏w的變形，產(chǎn)生土體移動(dòng)。

一、頂管施工引起的土體擾動(dòng)分析

（一）受擾動(dòng)土體的分區(qū)。在頂管施工過(guò)程中，開(kāi)挖面的掘進(jìn)、土體輸出、掘進(jìn)機(jī)的頂進(jìn)、平衡泥漿的注入等工藝與盾構(gòu)法相應(yīng)的施工工藝類似。但也有不同之處。提出了改進(jìn)的頂管施工擾動(dòng)分區(qū)。受頂管施工擾動(dòng)的土體可分為6個(gè)擾動(dòng)區(qū)，分別是：擠壓擾動(dòng)區(qū)①，剪切擾動(dòng)區(qū)②，卸荷擾動(dòng)區(qū)③，卸荷擾動(dòng)④剪切擾動(dòng)區(qū)⑤，注漿剪切擾動(dòng)區(qū)⑥。

（二）施工擾動(dòng)機(jī)理。頂管施工對(duì)土體的擾動(dòng)是通過(guò)施工產(chǎn)生的附加應(yīng)力對(duì)土體發(fā)生作用而產(chǎn)生的。隨掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)，各擾動(dòng)區(qū)土體所受到的施工應(yīng)力有所不同，因此，對(duì)土體的擾動(dòng)作用不同。

1．?dāng)D壓擾動(dòng)區(qū)①。區(qū)①土體距離開(kāi)挖面較遠(yuǎn)，主要承受擠壓應(yīng)力作用而產(chǎn)生擠壓變形；對(duì)該區(qū)的影響較小。

2．剪切擾動(dòng)區(qū)②。區(qū)②位于掘進(jìn)機(jī)的正前方，受到千斤頂擠壓、刀盤(pán)的切削剪切力及振動(dòng)荷載的作用，應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜。

3．卸荷擾動(dòng)區(qū)③。區(qū)③與開(kāi)挖面較近，使區(qū)③土體應(yīng)力松弛，導(dǎo)致地表沉降變形。

4．卸荷擾動(dòng)區(qū)④。區(qū)④位于管道下方，擾動(dòng)機(jī)理與區(qū)③基本相同，但由于區(qū)④土體的深度比區(qū)③大，因此區(qū)④的擾動(dòng)程度要明顯小于③，由于應(yīng)力擴(kuò)散，其擾動(dòng)范圍則要比區(qū)③大。

5．剪切擾動(dòng)區(qū)⑤。掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)過(guò)程中上殼與周?chē)馏w之間產(chǎn)生摩擦力，該力作用的結(jié)果是在掘進(jìn)機(jī)外殼周?chē)馏w中產(chǎn)生剪切擾動(dòng)區(qū)，該區(qū)的特點(diǎn)是范圍較其他區(qū)小。

6．注漿剪切擾動(dòng)區(qū)⑥。當(dāng)進(jìn)行注漿時(shí)，在注漿壓力的作用下，形成泥漿與土壤的混合體；形成一個(gè)相對(duì)密實(shí)的套狀物，稱為泥漿套，在注漿壓力作用下，能夠起到支撐隧洞的作用，使其保持穩(wěn)定，不讓土體坍塌到管道上。

二、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

（一）工程概況。大連市引水指揮部因引水工程需求，在濱海路路段鋪設(shè)引水管，采用頂管方法施工。采用單刀盤(pán)式土壓平衡掘進(jìn)機(jī)，頂進(jìn)長(zhǎng)度為210m，管節(jié)直徑為φ1200mm。本次頂管施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容有地面變形、深層土體側(cè)向變形、土壓力的變化。

（二）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析。

1．地面變形監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)距離測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，土體受到擾動(dòng)，地面會(huì)先出現(xiàn)微小的沉降；隨著掘進(jìn)機(jī)距離的靠近，土體受到的千斤頂擠壓力開(kāi)始變大，土體開(kāi)始出現(xiàn)向外擠壓，地面出現(xiàn)急劇隆起；當(dāng)掘進(jìn)機(jī)靠近到一定距離時(shí)，地面會(huì)出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)尾部離開(kāi)測(cè)點(diǎn)時(shí)，由于掘進(jìn)機(jī)外徑與后續(xù)管節(jié)之間的管徑差，地面會(huì)產(chǎn)生沉降；當(dāng)進(jìn)行注漿減摩時(shí)，若注漿壓力過(guò)大，地面會(huì)產(chǎn)生隆起；此后一段時(shí)間，由于注漿壓力的存在，土體的位移維持在一定范圍。但隨著時(shí)間的增加，泥漿中的水份逐漸流失，加上頂管周?chē)軘_動(dòng)土體發(fā)生固結(jié)作用，因此地面開(kāi)始產(chǎn)生沉降，但這一過(guò)程要持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。地面最大隆起達(dá)到128.2mm。

2．深層土體側(cè)向變形監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析。以C3測(cè)斜管的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，隨著掘進(jìn)機(jī)的不斷靠的，土體受到擠壓力作用，土層向遠(yuǎn)高管壁方向移動(dòng)；當(dāng)掘進(jìn)機(jī)通過(guò)后，土層開(kāi)始向管壁方向移動(dòng)；在掘進(jìn)機(jī)離開(kāi)一段時(shí)間以后，由于受擾動(dòng)土體的再固結(jié)，引起地面沉降，土層會(huì)再次向遠(yuǎn)離管壁方向移動(dòng)。因此，深層土體沿管道軸線方向的移動(dòng)沒(méi)有一定的移動(dòng)趨勢(shì)，它會(huì)隨頂管施工不斷變化，來(lái)回反復(fù)移動(dòng)。

3．土壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析。土壓力在頂管施工過(guò)程中是不斷發(fā)生變化的。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)離測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的土壓力值變化很??；當(dāng)掘進(jìn)機(jī)接近測(cè)點(diǎn)時(shí)，土體受到強(qiáng)烈的擠壓擾動(dòng)，土壓力會(huì)急劇上升；當(dāng)掘進(jìn)機(jī)距離測(cè)點(diǎn)一定距離時(shí)，由于土體開(kāi)挖引起卸載，開(kāi)挖面四周的土體會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力松弛，土壓力又會(huì)急劇下降；在掘進(jìn)機(jī)通過(guò)的前后一段時(shí)間內(nèi)，由于刀盤(pán)支擴(kuò)以及注漿的原因，因此土壓力基本維持不變；測(cè)試結(jié)果表明，土體在掘進(jìn)機(jī)未到前受擠壓作用所產(chǎn)生的擾動(dòng)是最大的，且離管道軸心距離越近，土體受到的擾動(dòng)就越劇烈，土壓力變化越大。

三、施工現(xiàn)場(chǎng)控制分析

該試驗(yàn)是幾個(gè)試驗(yàn)段中土體擾動(dòng)最明顯的一段，因?yàn)槠涫┕に俣纫黠@比其他幾段快。頂管施工過(guò)程中掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖面土壓力隨頂進(jìn)距離的變化，產(chǎn)生地面隆起。這表明施工現(xiàn)場(chǎng)的控制對(duì)擾動(dòng)有直接影響，應(yīng)該設(shè)定合理的土壓力值和注漿壓力值，要做到勤糾偏，并保持正常的施工速度。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文在比較了頂管與盾構(gòu)法施工對(duì)土體擾動(dòng)的區(qū)別的基礎(chǔ)上，對(duì)前人的工作進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的前進(jìn)劃分為6個(gè)擾動(dòng)分區(qū)。

選擇一個(gè)土體擾動(dòng)比較大的頂管試驗(yàn)段進(jìn)行研究，分析了測(cè)試數(shù)據(jù)在掘進(jìn)機(jī)通過(guò)測(cè)試斷面前、后的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：

1．土質(zhì)條件、施工技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)控制程度等因素對(duì)土體擾動(dòng)有影響。其中現(xiàn)場(chǎng)控制包括頂力、土壓力、管線糾偏、注漿壓力和頂進(jìn)速度等，更是與土體擾動(dòng)有直接關(guān)系；頂進(jìn)速度過(guò)快、土壓力設(shè)置過(guò)造成頂力上升，地面產(chǎn)生隆起現(xiàn)象，土體受到的擾動(dòng)卻加劇。

2．受擾動(dòng)區(qū)土體特性的變化跟掘進(jìn)機(jī)與測(cè)試斷面之間的距離有直接關(guān)系。土壓力、孔隙水壓力、地下水位在掘進(jìn)機(jī)離測(cè)點(diǎn)還有一段距離（6-7m）時(shí)上升達(dá)到峰值；而地面隆起以及土體側(cè)向變形則是在掘進(jìn)機(jī)尾部離開(kāi)測(cè)點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大，隨后總體上呈下降趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]房營(yíng)光、莫海鴻，頂管施工引起的土體擾動(dòng)區(qū)的實(shí)測(cè)理論與分析[J].廣州建筑，2001增.

[2]房營(yíng)光、莫海鴻、張傳英，頂管施工擾動(dòng)區(qū)土體變形的理論與實(shí)測(cè)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003(4).

[3]邵理中、沈水龍，控制地面沉降的鋼筋混凝土企口頂管施工技術(shù)[J].建筑施工，1993(3).

[4]方從啟、王承德，頂管施工中的地面沉降及其估算[J].江蘇理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1998(4).

[5]屠毓敏，長(zhǎng)距離頂管穿越海堤時(shí)的堤面沉降分析[J].中國(guó)市政工程，2001(1).

[6]喬宏偉、鄧志輝，頂管施工中地面沉降的預(yù)測(cè)[J].巖土鉆鑿工程，2001(5).

[7]方從啟，基于半解析元法研究頂管管引起的土層運(yùn)動(dòng)[博士學(xué)位論文][D].上海：同濟(jì)大學(xué)，1998.

[8]易宏偉，盾構(gòu)施工對(duì)土體擾動(dòng)與地層移動(dòng)影響的研究[博士學(xué)位論文][D].上海：同濟(jì)大學(xué)，1999.