顶管施工对周围环境的影响及防护措施分析

顶管施工对周围环境的影响及防护措施分析

陆升

身份证号： 652325198902091216

摘要：顶管施工以其非开挖的特点在城市地下管道工程中应用越来越广泛。顶管在掘进过程中，机头前舱切削土体时会造成土体应力平衡破坏，从而引起周边建筑的沉降。本文结合工程实例，采取在顶管与被保护建筑物之间施工一排旋喷桩作为防护措施，并利用Midas建立二维有限元模型进行计算，根据位移值来评价该措施效果，为类似工程提供帮助。

关键词：顶管，旋喷桩，沉降，位移

1 前言

顶管施工技术作为一种非开挖施工技术，以其对周边环境影响小的优点，在城市管线的建设和改造中得到极大推广和应用。目前工程上常用的平衡类顶管机主要有土压平衡式、泥水平衡式及气压平衡式。不管采用何种机型，管道在顶进过程中，机头在切削土体后，由于充填介质的不及时，或充填压力与原应力场差异较大时，都会造成土体应力平衡破坏，引起顶管周围的土体位移，进而引起周围的建筑物位移。

部分研究及实测数据表明顶管两侧一定范围内为位移敏感区域，位移值从顶管两侧向中间递增，顶管正上方位移值达到最大。因此对处于顶管敏感区域内的建筑物，应该采取有效的防护措施。

目前，针对顶管施工对周边建筑物影响的工程防护手段可以大致归结为三类：（1）从源头控制，即针对所采用的顶管机型，不断调整机头前方切削土体的土压/气压/泥水压，使其尽量与原应力场接近，这样可最大限度减小顶管前进过程中顶管周围土体的位移以达到保护建筑物的目的。该方法对顶管操作人员技术要求高，且对地层变化非常敏感，机头前仓介质压力值需要不断调整，实现难度较大；（2）从传播途径控制，将顶管周围土体进行加固，提高其对抗变形的能力，将沉降变形控制在一定范围内，从而达到保护建筑物的目的。该方法实施难度小，可操作性强，但目前工程上应用较少，效果未知；（3）对被保护建筑物基础进行预加固，以减小建筑物沉降。该方法目的明确，可操作性较强，但工程造价高。本文主要针对第二类方法，结合工程实例，建立二维有限元模型，通过分析被保护建筑物的位移及内力变化，评价该方法效果，以期为类似工程的设计、施工提供借鉴。

2 工程概况

揭阳引韩供水工程是从韩江取水，输送到揭阳市区的供水工程，工程全线采用DN2400mm/2600mm管道封闭输水。在经过老桃村、北洋村及环市北路三段，由于地表建筑物密集，地面交通量大等特点，不适合采用明挖方式施工，因此设计阶段均采用顶管穿过该区域。

在管线穿环市北路段，地面高程3.9m，输水管线直径2.4m，管中心高程-4.8m，管线与一地下排水箱涵平行布置，箱涵为混凝土矩形断面，2孔，断面尺寸8.4m×4m，箱涵顶部覆土厚度约0.5m。两者最近处水平净距1.6m，竖直净距3.1m。该段地质条件根据钻孔揭示从上至下为人工填土层，层厚3.2m；淤质黏土层，层厚2.8m；粉质黏土层，层厚8.4m，其下为砂层。箱涵基础位于淤质黏土层内，顶管位于粉质粘土层内。

箱涵基础位于淤质黏土层内，该层土c，φ值低，受扰动后易变形。为尽量减小由于顶管施工造成该箱涵的不均匀沉降，设计阶段采用在两者中线处施工一排旋喷桩，由于该段空间小，初步选择旋喷桩桩径600mm，间距500mm，搭接100mm。本文根据该工况，建立二维模型，进行有限元计算。

3 数值计算

本文采用MIDAS/GTS分别针对无防护措施和旋喷桩防护两种工况建立二维有限元模型。建立施工阶段组，较符合实际顶管施工过程，分别进行初始应力场、箱涵施工、旋喷桩施工、顶管开挖、钢管顶进五个施工阶段，计算箱涵的位移及受力，将两种工况数据进行对比。

3.1 模型简介

模型长50m，高30m，侧边及底部施加法向约束。土体采用莫尔-库伦模型，单元类型为平面应变；箱涵采用弹性模型，单元类型为梁；输水钢管采用弹性模型，单元类型为梁，旋喷桩加固区域土体采用莫尔-库伦模型，单元类型为平面应变。材料特性见表1。

表1材料参数表1

表2 材料参数表2

模型如图1.

图1 顶管施工对箱涵影响计算模型

3.2计算结果分析

3.2.1地面沉降曲线如表3.

选取地表各点处竖向位移值，截取计算结果如图2。

图2 地面各点竖向位移图

提取两种工况下地面各点处的位移值，整理得到表3曲线。表中横坐标0表示顶管中心，负值表示顶管左侧地面，正值表示顶管右侧地面。

表3 地面沉降曲线

从图2可知，地表各点竖向位移呈两侧对称分布，两侧向中间递增。沉降从10m左右处开始激增，因此将顶管左右5D（顶管直径）范围设为沉降敏感区域是合适的，对处于其间的建筑物应进行严格监测并在必要时候采取措施防止过大变形。

表3两条曲线分别为一侧采用旋喷桩支护后的地表沉降曲线和未采取防护措施地表沉降曲线。两条曲线对比可知，当在顶管右侧采用旋喷桩防护后，地表沉降极值减小。以本文为例，未采取防护措施时，沉降最大值为21.5mm，超过了顶管规范对公路路面沉降限值的要求（规范要求不大于20mm）。当在一侧施工旋喷桩后，顶管中心地面沉降值减小到17.8mm左右，基本满足规范要求。

3.2.2箱涵的位移及受力分析

截取两种工况下，箱涵的位移，如图3、4。

图3 旋喷桩防护下箱涵位移

图4 无防护箱涵位移

Midas可以进输出每一步施工阶段的计算结果，提取箱涵初始应力数据、顶管施工完成后箱涵内力数据及位移值，整理得到表3

表3 箱涵位移及内力表

由表3可以看出，两种工况在顶管施工完成后，箱涵内力值（轴力、剪力、弯矩）均有一定程度的增加，且旋喷桩方案内力增加更大。这是因为该工况是分两步进行，旋喷桩施工过程即对箱涵产生了影响，导致其内力有了一定程度的增加。

两种方案导致的位移差别较为明显。在不采取保护措施的情况下，箱涵最大位移达到9.6mm，在施工旋喷桩防护后，箱涵最大位移减小到4.4mm。由此可见该防护措施对于减小箱涵位移有较为明显作用。实际上，顶管周围建筑物的破坏大部分是由于不均匀沉降而导致的，结构微小的位移就可能导致较大的内力从而导致结构的破坏。因此采用旋喷桩来防止顶管周围建筑物沉降是可行的，且效果明显。

4 结论

本文通过数值模拟顶管施工，得到了地面沉降曲线规律，在顶管中心处地面沉降值达到最大。顶管两侧5D（D为顶管直径）范围内为沉降敏感区域，对处于其间的建筑物应采取保护性措施，以防止由于顶管施工而造成的建筑物破坏。在顶管周围施工旋喷桩效减小建筑物的沉降值，效果较明显。且可以减小顶管中心地面处的沉降。因此本工程采用旋喷桩措施是较为合适的，可有效减小地面沉降及地下箱涵的不均匀沉降，从而起到保护地面及箱涵的作用。

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