《复杂环境下大型顶管工程对周围环境影响及控制研究》

《复杂环境下大型顶管工程对周围环境影响及控制研究》

陈永锋 秦康 龚晋德

中建新疆建工（集团）华东分公司 浙江杭州

摘要：顶管法由于突出的优点得以在世界范围内得到广泛的应用，而顶管施工常需要穿越道路和各种类型的已建建筑。而且顶管施工不可避免的会对周围土体造成影响，所以有必要对邻近建筑物的影响进行探讨和总结。本文结合工程实例，就顶管施工对周围环境的影响方式做以总结、原因分析并提出防治措施。

关键词：钢筋混凝土顶管；沉降；环境影响;原因;防治措施

引言

顶管施工会对周围土体造成强烈扰动，因此如何减少对周围土层的扰动程度，最大限度地降低项管施工对邻近建(构)筑物及地下管线的影响以及对受影响的建筑物如何采取保护措施，已经成为现代顶管技术发展应考虑的重要问题。因此对顶管施工引起的土体扰动和地层移动的研究具有重要意义。

1顶管施工对邻近构筑物的影响

1.1地表变形的影响

过大的沉降或隆起会使房屋周围的混凝土管道山于变形及附加应力过大产生开裂:影响房屋的防水，发生地下水的渗漏;对于公路、铁路以及机场跑道等对地表变形较为敏感的工程，工程要求标准会更加严格。

1.2地表曲率对建筑物的影响

顶管由于直径较小，在穿越一般建(构)筑物时，在地面上的变形是中间大两边小的沉降槽或隆起形状，曲率相对较大，过大的曲率会影响建筑物的安全性。
地表的曲率根据沉降和隆起可分为正曲率和负曲率两种。在这两种情况下，建筑物基础底部都会出现瞬时局部悬空。随着建筑物荷载的作用，地基支撑反力重分布，建筑物基础切入地基，则其内将出现垂直截面的附加弯矩和剪力，使建筑物出现裂缝、变形，遭到破坏。

1.3地表水平变形对建筑物的影响

地表水平变形的主要破坏因素是拉伸变形。位于拉伸区的房屋建筑，其基础底面受来自基础的外向摩擦力，基础侧面受来自地基的外向水平推力的作用。由于一般房屋建筑尤其是一些砌体结构抵抗拉伸作用的能力较小，不大的拉伸足以使其开裂。对于一些地表附近埋设的水管、煤气管等对拉伸变形比较敏感的构筑物，在拉伸变形作用下，通常会造成管接头漏水、漏气，甚至接头脱开。压缩变形可使接头压入而影响接头的密闭性，严重的可以压坏接头，甚至使管道产生纵向裂缝。

地表压缩变形对房屋建筑的作用通过地基对基础侧面的推力与底面的摩擦力来施加，但作用力与拉伸时的相反，一般构筑物都有较强的抗压能力，因而压缩作用不如拉伸作用敏感。但较大的压缩变形会使某些建筑物的薄弱环节产生应力集中，使建筑物产生破坏。

1.4其他变形对建筑物的影响

在实际工程当中，由于顶管与建(构)筑物相对位置的不同、结构物自身形状刚度的不同，以及周围环境的不同等原因，建筑物的破坏很少是某个简单的地表变形因素引起的,通常都是几个作用的综合影响。建(构)筑物在这些因素的作用下发生复杂的应力重分布和变形，这些作用的耦合会使建(构)筑物产生扭转，剪切等各种破坏，因此实际当中应具体问题具体分析，找到引起建(构)筑物破坏的主要因素，指导施工设计。

2沉降原因分析

2.1开挖对土体扰动引起的沉降

顶管在施工前土体只受初始地应力的作用，施工时由于受到千斤顶推力和刀盘切削力的作用，工具头邻近的土体产生压缩、挤压和剪切变形，初始应力状念发生明显的变化。距离顶管不同位置的土体所受到的扰动程度也不同。刀盘前是土体初始应力状态发生明显变化的区域，称为施工扰动区，顶管前端和两侧扰动面的倾角分别约为45+φ12和45°-φ12,其中φ为土体的内摩擦角。按照扰动受力不同还可分为卸荷扰动区、剪切扰动区、固结区。

2.2土层损失引起的地面沉降

在管道顶进施工过程中，通常被挖出的土体体积将大于管道的体积，这些体积将出注浆部分填充，同时随着时间的发展，这部分体积差将在重力的作用下闭合，其闭合的量值即为所谓的地层损失。

1)超挖
在管道顶进施工过程中，通常被挖出的土体体积大于管道的体积，因此将产生超挖。管道顶进施工所造成的超挖主要来自于以下几个方面:

①机头控制图压力变化而引起的超挖，即开挖面的超挖。

②纠偏操作引起的超挖。纠偏是指工具管顶进时由于偏离设计轴线需要纠正顶进方向。工具管纠偏时对土体一侧产生挤压作用，而另一侧由于应力释放形成空隙。在顶管顶进的曲线轨迹中存在许多这种空隙，空隙的大小与纠偏角度有关，纠偏角越大，空隙也越大，管道顶进时周围士体就会填入此空隙引起地面沉降。而当机头向上偏斜过大时，会引起地表的隆起。
④顶管顶进时因摩阻力而对结构外围土体产生拖带效应而带走部分土体产生超挖。同时摩阻力还改变了土体中的初始应力，引起土体变形。

2. 电管进出洞口时由于土体的流失引起的地层损失

顶管工具管在工作井中安装、调试完毕后，即拆除洞口封门，将工具管逐步推入待开挖土体。如果洞口外土体强度不够且未采取必要的土体加固措施，洞口周围土体就会伴随地下水通过洞口大量涌入工作井，导致水土流失和地表大面积沉陷，危及地下管线和周围建筑物。

3）覆盖层太薄

覆盖层太薄也是造成地面沉降的重要原因。覆盖层薄，沉降集中在管顶，沉降的绝对值就大。另外覆土太薄，工具管的正面土体容易上拱，原状土被松动，松动后容易塌方，使士体问留有许多空隙。工具管通过后，再次密实，造成地面沉降，形成先拱后沉现象。

4)土体的固结引起的沉降。.

由于顶管的施工对上体产生扰动,会引起超孔隙水压力，在顶管施工结束后，孔隙水压力的消散固结会引起地表的沉降。对于淤泥质土和饱和软粘土，固结沉降影响较大且时间也较长。

5)地层的多变引起的。

地质条件的变化对地面的变形也有影响。由于顶管施工中不同的土质采用相应的机头，因此如果顶进过程中土质有变化，原有的机头就不适合，必要时还要更换，对周围环境会产生很大影响。同时，土质变化容易使顶进当中机头向土体软弱的方向偏斜，引起地表位移。

3顶管施工沉降防治措施

1. 选择合理的施工工艺；

2. 考虑实际地质地层选择合理的顶进线路；

3. 在管道顶进过程中处理好管道接头的密封问题；

4. 考虑注浆的影响；

5. 做好进出洞技术的处理；

6. 根据不同土质、埋深、管径、地下水位等情况设置合理的施工参数；

7. 顶进管道的埋设深度除工艺需要外，还要考虑与地下构筑物的间距，必要时对构筑物基础进行加固；

8. 实现信息化施工，在施工过程中对于施工及检测信息的采集和分析，对施工参数进行调整和优化。

结语

顶管工程施工扰动对环境影响是一个综合性课题，因此对顶管工程施工扰动的环境影响控制也应采取综合治理的方法,既要重视理论计算分析，做到合理设计，又要重视施工组织措施，还要采用现场监测，实行信息化施工。根据具体工程还可对地基土体进行土质改良以减小施工扰动影响，还可对周边建筑物地基基础进行加固。

参考文献

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