動理論分析及頂管施工引起的土體擾試驗研究

金紹忠

[摘要]近年來，頂管施工技術在中國得到迅速發(fā)展，并廣泛應用于給排水管道工程，但頂管施工中土體的擾動機理及土體性狀的變化有待深入研究與探討。在前人的基礎上，研究頂管施工引起土體擾動的機理，提出更加準確的土體擾動分區(qū)圖。對某頂管工程進行現(xiàn)場監(jiān)測，內(nèi)容包括地面變形、深層土體移動、孔隙水壓力、土壓力、地下水位及頂管施工現(xiàn)場記錄。測試結果土體擾動受土質條件、施工技術和現(xiàn)場控制程度的影響，其中現(xiàn)場控制程度的影響最大。

[關鍵詞]土木建筑工程施工 頂管施工 土體擾動 現(xiàn)場監(jiān)測

中圖分類號：TB1文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0320055－01

在軟土層中采取頂管施工，不可避免地會對管道周圍的土體產(chǎn)生施工擾動，使周圍土體出現(xiàn)卸載或加載等復雜的力學行為，土體的應力變狀態(tài)將會發(fā)生改變，進而引起管道周圍土體的變形，產(chǎn)生土體移動。

一、頂管施工引起的土體擾動分析

（一）受擾動土體的分區(qū)。在頂管施工過程中，開挖面的掘進、土體輸出、掘進機的頂進、平衡泥漿的注入等工藝與盾構法相應的施工工藝類似。但也有不同之處。提出了改進的頂管施工擾動分區(qū)。受頂管施工擾動的土體可分為6個擾動區(qū)，分別是：擠壓擾動區(qū)①，剪切擾動區(qū)②，卸荷擾動區(qū)③，卸荷擾動④剪切擾動區(qū)⑤，注漿剪切擾動區(qū)⑥。

（二）施工擾動機理。頂管施工對土體的擾動是通過施工產(chǎn)生的附加應力對土體發(fā)生作用而產(chǎn)生的。隨掘進機的推進，各擾動區(qū)土體所受到的施工應力有所不同，因此，對土體的擾動作用不同。

1．擠壓擾動區(qū)①。區(qū)①土體距離開挖面較遠，主要承受擠壓應力作用而產(chǎn)生擠壓變形；對該區(qū)的影響較小。

2．剪切擾動區(qū)②。區(qū)②位于掘進機的正前方，受到千斤頂擠壓、刀盤的切削剪切力及振動荷載的作用，應力狀態(tài)十分復雜。

3．卸荷擾動區(qū)③。區(qū)③與開挖面較近，使區(qū)③土體應力松弛，導致地表沉降變形。

4．卸荷擾動區(qū)④。區(qū)④位于管道下方，擾動機理與區(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的擾動程度要明顯小于③，由于應力擴散，其擾動范圍則要比區(qū)③大。

5．剪切擾動區(qū)⑤。掘進機推進過程中上殼與周圍土體之間產(chǎn)生摩擦力，該力作用的結果是在掘進機外殼周圍土體中產(chǎn)生剪切擾動區(qū)，該區(qū)的特點是范圍較其他區(qū)小。

6．注漿剪切擾動區(qū)⑥。當進行注漿時，在注漿壓力的作用下，形成泥漿與土壤的混合體；形成一個相對密實的套狀物，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)場試驗

（一）工程概況。大連市引水指揮部因引水工程需求，在濱海路路段鋪設引水管，采用頂管方法施工。采用單刀盤式土壓平衡掘進機，頂進長度為210m，管節(jié)直徑為φ1200mm。本次頂管施工現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容有地面變形、深層土體側向變形、土壓力的變化。

（二）現(xiàn)場監(jiān)測結果及分析。

1．地面變形監(jiān)測結果及分析。當掘進機距離測點較遠時，土體受到擾動，地面會先出現(xiàn)微小的沉降；隨著掘進機距離的靠近，土體受到的千斤頂擠壓力開始變大，土體開始出現(xiàn)向外擠壓，地面出現(xiàn)急劇隆起；當掘進機靠近到一定距離時，地面會出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。當掘進機尾部離開測點時，由于掘進機外徑與后續(xù)管節(jié)之間的管徑差，地面會產(chǎn)生沉降；當進行注漿減摩時，若注漿壓力過大，地面會產(chǎn)生隆起；此后一段時間，由于注漿壓力的存在，土體的位移維持在一定范圍。但隨著時間的增加，泥漿中的水份逐漸流失，加上頂管周圍受擾動土體發(fā)生固結作用，因此地面開始產(chǎn)生沉降，但這一過程要持續(xù)很長時間。地面最大隆起達到128.2mm。

2．深層土體側向變形監(jiān)測結果及分析。以C3測斜管的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，隨著掘進機的不斷靠的，土體受到擠壓力作用，土層向遠高管壁方向移動；當掘進機通過后，土層開始向管壁方向移動；在掘進機離開一段時間以后，由于受擾動土體的再固結，引起地面沉降，土層會再次向遠離管壁方向移動。因此，深層土體沿管道軸線方向的移動沒有一定的移動趨勢，它會隨頂管施工不斷變化，來回反復移動。

3．土壓力監(jiān)測結果及分析。土壓力在頂管施工過程中是不斷發(fā)生變化的。當掘進機離測點較遠時，各測點的土壓力值變化很??；當掘進機接近測點時，土體受到強烈的擠壓擾動，土壓力會急劇上升；當掘進機距離測點一定距離時，由于土體開挖引起卸載，開挖面四周的土體會產(chǎn)生應力松弛，土壓力又會急劇下降；在掘進機通過的前后一段時間內(nèi)，由于刀盤支擴以及注漿的原因，因此土壓力基本維持不變；測試結果表明，土體在掘進機未到前受擠壓作用所產(chǎn)生的擾動是最大的，且離管道軸心距離越近，土體受到的擾動就越劇烈，土壓力變化越大。

三、施工現(xiàn)場控制分析

該試驗是幾個試驗段中土體擾動最明顯的一段，因為其施工速度要明顯比其他幾段快。頂管施工過程中掘進機開挖面土壓力隨頂進距離的變化，產(chǎn)生地面隆起。這表明施工現(xiàn)場的控制對擾動有直接影響，應該設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、結束語

本文在比較了頂管與盾構法施工對土體擾動的區(qū)別的基礎上，對前人的工作進行了改進，對掘進機的前進劃分為6個擾動分區(qū)。

選擇一個土體擾動比較大的頂管試驗段進行研究，分析了測試數(shù)據(jù)在掘進機通過測試斷面前、后的變化情況。試驗結果表明：

1．土質條件、施工技術和現(xiàn)場控制程度等因素對土體擾動有影響。其中現(xiàn)場控制包括頂力、土壓力、管線糾偏、注漿壓力和頂進速度等，更是與土體擾動有直接關系；頂進速度過快、土壓力設置過造成頂力上升，地面產(chǎn)生隆起現(xiàn)象，土體受到的擾動卻加劇。

2．受擾動區(qū)土體特性的變化跟掘進機與測試斷面之間的距離有直接關系。土壓力、孔隙水壓力、地下水位在掘進機離測點還有一段距離（6-7m）時上升達到峰值；而地面隆起以及土體側向變形則是在掘進機尾部離開測點時達到最大，隨后總體上呈下降趨勢。

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