超大直徑頂管下穿建筑物時的擾動影響測試與分析*

顧 楊 徐偉忠 陳曉晨 陳立生

1. 上海市城市排水有限公司 上海 200233； 2. 上海城建市政工程（集團）有限公司 上海 200065

0 引言

頂管施工是利用掘進機工具管切削土體并排出，結合后方的頂力設備對管節和工具管的推進作用，完成地下管道的非開挖式施工[1]。頂管技術具有施工效率高、建設周期短、對周邊環境影響小、工程安全性高和投資成本低等優點[2,3]。頂管施工最大的優點是減少了對于地表建（構）筑物的直接影響，但頂管機頭刀盤切削開挖土體勢必會引起管道周圍土體的受力變形變化[4]，當土體受力變化較為劇烈或產生過大的沉降變形時將產生明顯的地表和深層土體變形，進而產生環境影響，當頂管鄰近有房屋、道路、下埋管線等建（構）筑物時，土體過大受力變形很有可能危及這些構筑物的安全和正常使用。在管徑、埋深、頂距不斷提升的趨勢下，頂管施工條件日漸復雜，考慮巖土工程中的尺寸效應[5]，直徑大小不同的頂管施工對管周土體的受力變形影響是不同的，因此，測試與分析大直徑頂管工程下穿越建（構）筑物造成的擾動影響，對發展頂管施工控制理論和實際工程建設均具有重要意義。

1 工程概況

上海市污水治理白龍港南線工程干管采用鋼筋混凝土頂管施工，管道內徑4 000 mm、壁厚320 mm。平行雙管間距9.6 m，管中心標高平均－8.37 m。其中SST2.4標段頂進區間南北兩線平均頂距910 m，管頂平均埋深10 m，施工過程中要下穿民房、廠房等建筑物，環境保護要求高。

2 頂管施工穿越數值模擬

2.1 穿越建（構）筑物有限元模型

以本工程SS2.4標段頂管施工中實際下穿建筑物情況為背景，用ABAQUS有限元軟件數值模擬頂管下穿民房過程，FEM模型如圖1所示。管道與民房建筑樁基的相對位置如圖2所示。計算模型為三維模型土體寬度52 m，深30 m；鋼筋混凝土管道內徑4 m，管壁厚320 mm；外表泥漿層厚度為20 mm。民房傾斜計算分析充分考慮了民房自身的樁基作用，用高1 m的實體單元對其進行模擬。

圖1 管道下穿民房FEM模型

圖2 管道與民房相對位置

2.2 數值模擬結果分析

圖3為頂管穿越施工過程中建筑物最大豎向位移隨著時間的變化曲線。由圖可見，頂管掘進機工具管逐步接近尚未穿越時，機頭前土體在開挖面壓力下受到擠壓而呈隆起變化，當機頭穿越時隆起達到最大；而當頂管機頭的尾部通過建筑物時，由于機頭尺寸較管道直徑大2～3 cm，會引起一定程度的地層損失造成地表沉降，隨著管周土體擾動之后的再固結進一步發展，最后趨于穩定值4.5 mm，從環境影響的角度來看，沉降在控制范圍內，滿足環境影響控制的要求。

圖3 建筑物豎向位移模擬曲線

由上述模擬結果得出頂管施工過程中地表會發生先隆起后沉降的變化，因此，地表房屋等建筑物在產生豎向位移的同時也一定伴隨水平方向的位移，圖4為數值模擬得出的頂管下穿過程中，位于民房頂部和底部位置處的水平方向產生的位移變化曲線，觀察可見，頂管下穿施工造成地表先隆起后沉降的變化造成了民房建筑在水平方向上5 mm左右的偏移。由圖中曲線可以計算出民房的傾斜率小于0.5‰，滿足環境保護要求。

圖4 民房建筑頂部與底部水平位移

3 實測情況與測試結果分析

對于頂管下穿越的地面建筑物，主要監測其豎向位移和傾斜。

3.1 地面沉降實測分析

結合圖5、圖6及工況記錄可見，頂管頂進過程中隨著機頭不斷接近測試斷面1，在較大的開挖面壓力作用下且頂進速度較快時地表會呈隆起變化；而當下穿斷面2時，地表未出現前者情況，此時頂進較慢、開挖面壓力較小；監測后期，斷面1和斷面2最大沉降分別為19 mm和12 mm，斷面1后期沉降較大主要由前期對于土體的擾動較大造成。另外，頂管下穿時，管道正上方沉降大于管兩側。可見，管道正上方地表受開挖卸荷影響較大，受到的擾動更厲害。

圖5 下穿斷面1地表沉降監測曲線

圖6 下穿斷面2地表沉降監測曲線

3.2 土層變形實測分析

圖7所示為管道側向土體分層沉降，施工過程中，各層土體最大沉降為14 mm。結合各測點的監測結果可見，在管道頂進中，位于管道兩側的土體也會受到頂進施工的擾動影響而產生一定的沉降，其中越是靠近管道頂部的土體產生的側向沉降越大，地表、管底及較深處土產生的沉降較小。由此可見，頂管注漿和頂進共同作用對周邊土體產生的擾動影響劇烈，土層發生較大沉降。

圖7 下穿斷面分層沉降

3.3 民房沉降實測分析與對比驗證

在頂管下穿民房建筑過程中引起房屋沉降的測試中，頂管穿越過后民房的沉降達到的最大值為4 mm（對房屋沉降的監測記錄從頂管機頭開始穿越民房時開始）。

通過比較可見，數值模擬得出的關于頂管下穿建筑物時產生的變形，滿足變形控制要求的結論與現場測試結果相符，施工對建筑物變形影響較小。

3.4 民房側向變形實測分析與對比驗證

頂管機頭下穿民房過程中引起的房屋水平方向位移的現場監測結果見圖8。圖中曲線代表了民房建筑的水平方向位移的變化發展，觀察可見其最大位移為12 mm。

圖8 頂管穿越民房引起的側斜

因數值模擬建模過程中考慮計算的簡化以及房屋的樁基作用，將民房建筑的高度用1 m實體單元代替，其模擬結果較房屋頂部測點的實測結果有所差別，但房屋底部測點水平方向位移的實測結果與模擬結果接近，較好地驗證了數值模擬結果。房屋實際的水平方向位移經計算低于1‰，滿足對建筑物傾斜控制的要求。

3.5 土體變形規律和機理分析

（a）由上文地面沉降測試結果并結合工況記錄，當機頭開挖面壓力為140 kPa左右時，頂管對土體的擾動較小。可見，開挖面的土層變形與開挖面壓力有關。

如果開挖面壓力P0與自然土壓相等，則理論上無土層變形、無沉降。但實際P0不可能正好與自然土壓相等。當P0較自然土壓大時，將產生擠壓、地表隆起；反之，地表沉降。

（b）頂管施工中沿縱向軸線產生的地表沉降發展分為（圖9）：機頭位置前變形階段、頂進沉降階段和管周土固結沉降階段。由上文地面、分層沉降的實測結果分析，可見，在頂管機頭位置到達測試斷面前，機頭前方的土體對應的不是持續的隆起而是呈一定的波動變化。因此可將頂管穿越施工造成地表縱向變形的過程進一步細分為：機頭接近前的隆沉波動階段、機頭下穿時地面隆起階段、機尾通過時沉降階段和土體再固結后期沉降階段。

圖9 地表縱向變形階段

（c）由監測結果得出地表沉降受以下因素影響：頂管機頭接近監測斷面過程中，在開挖面壓力的作用下，地表出現隆起；機頭尾部通過后，由于管片與機頭外徑的差異，會引起一定程度的土層損失而造成地表沉降的快速形成。

由工況記錄可見，在頂管機頭開挖面處未出現明顯超、欠挖，即開挖面較為穩定的前提下，機頭掘進速度越快，產生的地表沉降發展越快。

比較下穿斷面1時管頂正上方測點與管兩側的測點沉降情況的差異，可以判斷，頂管施工過程中機頭位置處刀盤壓力、注漿孔位置及注漿壓力大小、機頭與管道直徑尺寸上的差異引起的土層損失以及管周土體擾動后的再固結沉降的共同作用造成了管道正上方土體的沉降比管道兩側土體沉降大的結果。

4 結語

（a）通過與實測結果的對比，較好地驗證了數值模擬得出的關于頂管下穿建筑物時產生的變形滿足變形控制要求、施工對于建（構）筑物的影響較小的結論。

（b）實測結果表明開挖面壓力P0若與自然土壓相等，則理論上無沉降變形。當P0較自然土壓大時，將產生擠壓、地表隆起；反之，地表沉降。頂管施工中地表縱向變形發展可以細分為：機頭到達前波動階段、下穿隆起階段、機頭尾部通過后快速沉降階段、土體再固結后沉降階段。

（c）地表變形的影響因素主要有：開挖面壓力、管片與機頭外徑的差異、頂度、外壁剪切力、注漿、地層損失及后期土體固結等。