考虑顶管施工过程的地面沉降控制数值分析

考虑顶管施工过程的地面沉降控制数值分析

李路路

中铁市政环境建设有限公司 上海 200331

摘要：在开展顶管施工的过程当中，容易导致顶管上部土层扰动的现象，有可能会造成地表发生沉降和塌陷的现象。采用常规的地表沉降监测和探地雷达的土体空洞探测相结合的方式进行检测，及时的找出隐患并且预警，将其作为基础来制定出合理的施工方案。本文主要是对顶管施工技术进行了概述，对顶管施工引起地面沉降原因展开了分析，充分考虑了顶管施工过程的地面沉降控制数值，以期能实现对工程施工风险的预警和控制，避免顶管施工的过程中出现地面沉降的现象，从而保证施工安全。

关键词：顶管工程；地表沉降控制数值；分析

引言：顶管工程是在盾构施工之后发展起来的一种土层下施工的方法，这种方法不需要开挖面从就可以做到各种路面和建筑物以及地下管线的穿越，属于一种非开挖的地下管道施工方法，并且有着不少的优势性特点，在地下工程中有着广泛的应用。但是顶管施工会对土体原有的应力状态进行改变，容易引起地层的扰动，比较容易出现地下空洞的现象，进一步导致地表沉降和坍塌现象。故而，应通过数值模拟方法，进一步优化施工参数，从而保证顶管施工的顺利开展，提升控制水平及效果。

1顶管技术的概述

伴随着经济的不断建设与发展，城市建设与人口之间的矛盾日益显现。因为现阶段基础设施已经无法满足人口的设计需求，例如，地下管道铺设维修会对交通产生比较严重的影响，而在这一情况下，非开挖施工技术就成为建设工作中的重点。顶管技术在城市地下空间施工中获得了广泛的利用，这一技术是非常常见的施工方式，通过掘进机能够使其穿过道路下方，保证交通正常展开，在面对一些铁路等设施的情况下，能够减少工作量。这一技术在实际应用中已经有百年历史，国外的发展时间比较早。在上世纪50年代，这一技术获得了广泛的利用与进步，我国主要是在1964年开始针对顶管技术展开全方位的研究，因为其停留在初始阶段，并且没有针对性的理论指导，所以并没有获得太大程度的进步。直到上世纪80年代左右，顶管施工技术才获得了较好的发展，现阶段这一技术在我国已经普遍利用，成为管道施工中的重点，如下图为顶管施工作业现场。

图1顶管施工作业现场

2顶管施工引起地面沉降原因分析

2.1掘进机正面土压控制失衡

在开展顶管施工时，土层中掘进机一直在向前掘进后会有流动性土体在土仓内形成。地面在正面的土压处于被动土压与主动土间中间时就会出现下陷或隆起等现象。一直以来，土质变化在施工现场十分明显，若在控制过程中依据理论进行计算，必将会产生较大差异，明显提高了施工人员开展工作的难度，极易导致土压控制失衡情况，最终造成地面沉降。除此之外，顶管施工还会受到设备选用不科学的影响，例如，无法调整螺旋输送机转速或掘进机推进速度以及刀盘切削面积过小，也会造成地面沉降，使土压出现失稳现象。

2.2管道外周空隙过大

在实际推进时，掘进机受曲线推进或纠偏的影响，通常会在管道外周形成一定的空隙。当空隙过大时，必将会造成土体下沉或坍塌情况。由于在曲线推进和纠偏的过程中，拙进机所形成的通道截面面积要明显大于管道截面面积，所以两者间的空隙会造成周边墙体填充而出现的沉降问题。现阶段，通常使用触变泥浆减摩技术来进行顶管施工，即利用注浆技术开展掘进施工，以此来降低周边土体和掘进机间的摩擦现象，进而形成浆套堵塞空隙。若施工时没有及时向空隙内注浆，也会导致地面沉降问题的发生。

2.3管道与周围土体摩擦

周边的土体会在一定程度上受到顶管施工的影响，这一问题在软土层中比较突出。管道推进时会摩擦周围土体，轻时会产生一些小扰动，重时将造成地面沉降现象的发生。另外，若施工工艺不达标、管理与实际情况不符以及选择的设备不合理还会加剧土体扰动现象，这时产生的地面沉降也将会更加严重。

2.4管道接口发生渗漏

将数节管道顶入土层就是所谓的顶管施工，将密封圈设置在管道间的接口处能够起到防连接渗漏的作用。若管道接口因为受力不均、密封圈安置不当导致弯折、破损以及密封主良问题，将造成接口出现渗漏现象，使水土从接口处进入管道，以此引发地面沉降，导致土体流失。不仅如此，管道接口渗漏也会使得泥浆流失，大幅度降低了降低摩擦与支承土体的作用，从而造成地面沉降现象的发生。

2.5进出洞口承载力不同

当掘进机进、出洞口时，在接收井与工作井内，会因为一半在土里、一半在洞外，造成承载力的差异现象。如果没有结合实际情况进行提前准备，就会导致“磕头”问题的发生，极易造成洞中口上方的土体出现坍塌或沉降现象。

3顶管施工过程的地面沉降控制数值分析

3.1建立模型

在模型的建立过程中，可从以下四方面实施假设计算：第一，顶管外土壤阻力沿顶管平面曲线法向均匀分布。模型采用莫尔-库仑（M-C）弹塑性模型，以剪应力强度作为屈服准则。第二，顶管与土壤之间的摩擦力沿管道长度均匀分布。根据测量曲线，摩擦力约为2KPa。第三，顶管过程中不需要对土体的时间效应予以考虑，只考虑顶管间距变化即可。第四，将圆形均布载荷作为掘进的推力，数值为顶管头泥浆罐压力实测数据0.18mpa。在我国一项市政工程中，通过建模进一步分析了某顶管工程项目。假设模型上天然地表作为表面，那么上下表面差距将为50米，顶管轴线宽为60米，长为80米，管线水平向为450米，竖起向曲率半径为650米。边界条件为：将位移边界运用在整体模型各边界处，上下表面分别为自由边界与紧身位移固定，除此外其余边界均各自法向位移固定，并遵循实测数据明确土层参数。

3.2不同摩阻力对地面沉降的影响规律

在工程开展中，顶管的作用主要体现在管外壁表面的摩阻力：第一，通常砂性土与黏性土在未注浆时摩阻力为20至30kPa。第二，实施注浆作业后，不但会降低地表沉降情况的发生，降低顶管作业时对土体的扰动影响，还会降低对顶管的摩擦阻力。故而，应注入泥浆构建完整的泥浆套，降低摩阻力，完全分隔土层和顶管外壁。通过详细的数据计算得知，横向上顶管中心地面沉降最大程度与纵向上地面最大隆起量分别15mm与2mm，基本符合实际监测。由此可见，泥浆套质量会受到注浆数量、位置以及压力等多方面因素的影响，但这些影响相对较小。

3.3机头压力对地面沉降的影响规律

地表变形隆起值与机关压力息息相关，隆起值在压力的不断增大下也会随之提高，且隆起的最高点会越来越接近机头位置。机头压力增大后，在机关掘进方向，也会在一定程度上增加前方土体的变形情况。在机头后方，土体沉降现象也会随着机头压力的加大而增大，但与隆起值相比，沉降值则会相对较小。对于机头压力从横向方面而言，不会大幅度影响正上方土体，也就是说，基于不同压力值下，其变形量变化较小，这时沉降最大值处于顶管中心位置。针对机头压力从现场监测情况而言，其对地面沉降带来的影响规律完全符合得到的模拟计算结果。

3.4土体抗力对地面沉降的影响规律

在管道纵向方面，不同土体抗力基本不会对其产生影响，而是会影响管道横向。顶管在施工时会对外侧土体产生抗力作用，沿顶管轴线方向，地表横向变形并不完全处于对称状态，内测地表土体明显比外侧要大，而且随着抗力的不断增加，内外差别也愈来愈明显。地表沉降最大点并不是顶管轴线正上方的点，而是过于偏向顶管曲线圆心一侧。基于模拟技术，能够进一步优化施工参数：第一，当在10kPa数值内控制顶管周围的摩阻力时，应保持其地面沉降在7mm范围，若超出此范围则表现地面沉降较大；第二，当机头压力处于0.18Mpa数值时，对于周围环境而言，前方隆起的1mm影响相对较小，若比这个数值大时，那么隆起量也会较大；第三，在横向方面，土体抗力可以改变对地面沉降的影响，对纵向沉降带来的影响也相对较小。

结束语：

总而言之，顶管技术在我国经济快速发展下将面临着新的机遇和挑战，应用前景不可小趋。但由于顶管施工极易导致地面沉降问题，会阻碍这一技术的应用效果，所以，必须重视对地面沉降控制问题的研究力度，通过深入分析地面沉降控制数值，为顶管技术的规范化、规模化、现代化发展保驾护航。

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