顶管施工引起的地层移动与变形控制研究

顶管施工引起的地层移动与变形控制研究

曾卫华

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司湖北武汉430010）

【摘要】近年来，对于已建成的市政道路进行管线铺设时，一般在开挖施工时都需要将交通中断并设置路障，严重影响到行车和施工人员的安全。所谓的顶管施工，主要是指将砼套管安装到管线需要穿越道路的地方，然后主管线从套管穿越，不会对路面造成破坏和不影响正常交通行驶是顶管施工的主要特点，而且管套能够对道路的主管线起到很好的保护作用，在出现故障以后方便维修。

【关键词】顶管施工；地层变化；控制

【中图分类号】TU992.05【文献标识码】A【文章编号】1002-8544（2017）08-0248-02

1.顶管施工工艺

顶管施工是一种不开挖沟槽而敷设管道的工艺，它运用液压传动产生强大的推力使管道克服土壤摩阻力顶进，故称顶管法。首先要安置基坑底基础及后靠背，然后进行导轨安装，接着进行承压壁的设置，随后机械能主顶设备的安装，然后对顶管机头进行安装，再进行土方运输设备的安置，最后安放管节进行顶进。

在进行顶进施工时，第一步是对沉井中心线进行测量放样，然后将顶机架和主顶设备安装到位，再使用顶进管机进行顶进；第二步是将下一节管节吊下，通过顶进机顶进管节，将第一节管顶完为止；第三步是将第二节管节吊下，然后拼装管节，如此往复，当顶力接近后背允许顶力，将中继环吊放下来，然后按照上述方法继续顶进，最后出洞，顶管机与管节分离。

在进行顶进施工以前，需要全面检查施工设备，并进行试运转；另外要确保顶管在导轨的中心线、坡度和高程与设计要求相符合。同时要避免工作井内进入流动性土或地下水，而且要保证具备所有条件以后才能够实施顶进作业。

2.顶管施工引起地基变形分析

2.1工程概况

某工程顶管区间长41m，顶管由北向南顶进，并列3孔，顶管间距为2.15m顶管平面、纵断面布置及与2号线隧道位置关系如图1和图2所示。2号线盾构隧道直径为6m，净间距为7.2m。顶管上覆土层厚度为3.5m，小于顶管的宽度，属于浅埋顶管隧道。顶管下部与2号线盾构隧道外轮廓最小间距仅为0.61m。

图2顶管断面

2.2施工监测方案

顶管施工区域上方地面为振华路，施工过程中人、车流量密集，因此要防止施工过程中地表出现过大的沉降或隆起变形。为此在顶管施工区域地表布置了沉降监测网点，地表沉降采用钻孔预埋钢筋计的方法监测，测量仪器采用数字电子水准仪。监测点主要布置在顶管轴线及顶管之间的位置。监测点位布置如图3所示。由理论分析可知顶管施工过程中地表的变形主要集中在顶管通道的正上方，因此施工过程中重点监测各个顶管轴线位置处的地表变形规律，在顶管轴线位置分别布置6个监测点，间距6m左右，编号为DB。在南北两侧各布置一个主监测断面，编号为DJC。

图43#顶管轴线各测点地表变形随顶进距离变化规律

图4中同时标出了监测点的位置(如图中虚线所示)。从图4中可以看到，在顶管顶进初始阶段地表基本没有变形，这主要是由于靠近始发井位置处3.5m范围内采用旋喷桩进行预加固处理。当顶管掘进至第一个监测点位置时，测点1处开始出现沉降变形，并随着顶管顶进沉降有增加的趋势。而离掘进面较远处的测点位置地表变形仍不显著。随着顶管逐渐顶进，后续测点处也陆续开始出现显著的沉降变形，测点DB3-5最迟出现沉降变形。地表基本在掘进面到达测点前3m左右时开始出现沉降变形。整个施工过程中出现最大沉降变形的位置位于DB3-4测点处，为21mm。

随着开挖面的不断推进，其中测点DB3-2和DB3-3点处由于顶管外泥浆套注浆压力的作用，地表沉降先逐渐恢复并出现一段时间的隆起变形。如图5中DB3-2测点在顶进至16m左右时沉降变形开始逐渐恢复，顶进至23m位置时，地表出现了显著的隆起变形(最大隆起量10．2mm)，之后随着注浆压力的消散地表隆起变形又开始逐渐减小，最后再次开始出现显著的沉降变形。DB3-1~DB3-4测点也随着顶管的顶进而出现沉降恢复的现象。

对地表变形监测结果总结可以发现，顶管顶进过程中由于地层损失及扰动作用，在机头前方地表表现为沉降变形，随着顶管机的通过以及顶管外注浆压力的影响，先期地表沉降趋于恢复并出现一定的隆起变形。随着注浆压力的逐渐消散，地表隆起变形逐渐恢复并重新出现沉降变形。

顶管施工过程中两个主监测断面上各个测点处地表变形规律如图5所示(其中DJC也在施工过程中被损坏)。

图5主监测断面各测点出地表变形随施工时间变化规律

从图中可以看到这些位于顶管轮廓线范围外测点处地表基本都表现为沉降变形，且各点处地表沉降变形基本随顶管顶进距离的增加而不断累积，基本不受注浆压力的影响。地表变形也在顶管掘进至监测断面附近时开始出现显著的沉降变形。从不同测点处的地表变形规律可以看到，在顶管轮廓范围外，地表沉降变形显著减小。因此顶管施工过程中在横截面方向对地面变形的影响范围相对较小，主要集中在顶管施工区域。顶管施工完成时南、北主监测断面在横截面方向的沉降曲线如图7所示，虽然监测点位较少，但是从变形规律可以较好地看到地表沉降主要集中在顶管施工区域。

图7主监测断面地表沉降曲线

4.结论

某工程顶管通道工程施工引起地表沉降变形实测结果的分析，并采用有限元模拟的方法对施工过程引起地表变形规律进行分析。得到了以下主要结论，可为今后类似工程施工提供参考。

（1）顶管顶进过程中在掘进面附近地表产生显著的沉降变形，而在注浆压力作用下沉降会逐渐恢复，并可能产生隆起变形，顶管施工完成后在顶管施工区域地表形成一个较显著的沉降槽。

（2）通过有限元模拟结果和实测数据的对比分析可以发现，采用有限元模拟能对于浅覆土大断面顶管施工过程中地表的沉降变形规律进行较好的模拟。

（3）通过不同影响因素的分析，发现顶管施工中土体损失是引起地表沉降的主要因素，因此实际施工中需要严格控制出土量。

（4）对于已经产生的地表沉降变形可以采用控制注浆压力的方式控制变形。

5.结语

顶管技术在道路建设中的应用，不但可以减少面层开挖对原有道路造成的破坏，而且具有较少的占地面积，能够在地面构筑物和地下管线中进行穿越。另外还使沿线的拆迁工作量大幅减少，保障了交通畅通，使工程造价得到降低，具有较好的社会效益和经济效益，在未来道路施工中具有广阔的发展前景。

参考文献

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