頂管工程中的退管法施工對(duì)環(huán)境影響的研究

甄 亮

上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司 上海 200433

頂管工程所處地下環(huán)境通常較為復(fù)雜，前期地質(zhì)勘查工作受到周圍環(huán)境和其他不便探測(cè)因素的影響，無法準(zhǔn)確預(yù)知實(shí)際施工階段存在的障礙物和地質(zhì)突變情況，導(dǎo)致無法繼續(xù)頂進(jìn)；此外，頂管施工受到復(fù)雜地質(zhì)條件和施工技術(shù)的影響，會(huì)偏離設(shè)計(jì)軸向，在糾偏不及時(shí)的情況下，軸向?qū)a(chǎn)生較大的偏轉(zhuǎn)變形，導(dǎo)致無法通過常規(guī)方法進(jìn)行糾偏調(diào)整[1]。

在頂管工程中，針對(duì)上述工況，通常采用退回已頂進(jìn)的管節(jié)，在退管產(chǎn)生的空隙處填充土，再調(diào)整軸線重新頂進(jìn)，實(shí)現(xiàn)軸線糾偏。

退管技術(shù)相繼在國內(nèi)外頂管工程中得到實(shí)施。1994年在澳大利亞的Penrith，某工程采用頂管法修建一條長約500 m、φ0.762 m的污水管，在砂質(zhì)黏土層頂進(jìn)7 m時(shí)，由于地層承載力較弱，機(jī)頭出現(xiàn)嚴(yán)重下沉，于是將管節(jié)和機(jī)頭退回出發(fā)井并注砂回填，最終改進(jìn)機(jī)頭重新頂進(jìn)成功[2]。

2000年以后，國內(nèi)也相繼出現(xiàn)了退管法施工的應(yīng)用。廣州市車陂路排污工程采用頂管法施工DN1 350 mm的排污管，單段管道長120 m，埋深7.5 m，在頂管頂進(jìn)28 m時(shí)遇不明障礙物導(dǎo)致無法繼續(xù)頂進(jìn)，通過鋼套管輔助將管節(jié)和機(jī)頭拔出[3]。

在徐州市截污導(dǎo)流16標(biāo)段地涵工程中，長174 m、內(nèi)徑2.4 m的鋼筋混凝土管采用頂管法施工，在頂管頂進(jìn)25 m時(shí)，混凝土管出現(xiàn)了一條橫向裂縫和細(xì)微的縱向裂縫，因此退出全部管節(jié)和機(jī)頭并置換壞管重新頂進(jìn)[4]。

上海某道路新改建工程采用頂管法施工DN1 500 mm的排水管道，頂進(jìn)60.3 m時(shí)遭遇樁基，最終將已頂?shù)?0.3 m管道全部退出[5]。

福州市洋里污水處理廠采用頂管法敷設(shè)φ2.4 m、長904.6 m的鋼筋混凝土污水管，頂進(jìn)10 m后機(jī)頭累計(jì)下沉30 cm，最終退出已頂管節(jié)和機(jī)頭重新頂進(jìn)[6]。

盡管文獻(xiàn)中頂管管徑和退管距離不斷增大，但退管法施工仍然依靠經(jīng)驗(yàn)，而缺乏系統(tǒng)的理論研究。

退管法施工技術(shù)的應(yīng)用，通常是因?yàn)橹車h(huán)境復(fù)雜，難以通過地面措施處理頂管所遇到的障礙物或者軸線偏轉(zhuǎn)問題，所以退管法施工也缺乏相關(guān)環(huán)境影響方面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。本文通過數(shù)值分析方法，對(duì)退管法施工進(jìn)行模擬，研究退管法施工對(duì)環(huán)境的影響。

1 數(shù)值模型

1.1 地質(zhì)條件

結(jié)合上海地區(qū)某頂管工程所處的典型軟土地層條件，部分地層的工程地質(zhì)參數(shù)如表1所示。平均埋深取10 m，頂管主要位于⑤2-2灰色粉砂和⑥暗綠色粉質(zhì)黏土中。

1.2 模型參數(shù)

假設(shè)模型結(jié)構(gòu)均為實(shí)體單元，地層為均質(zhì)各向同性彈性體，約束兩側(cè)x方向的位移、約束前后y方向的位移、約束底部z方向的位移，頂面保持自由。為消除邊界條件的影響，管軸線距離模型四周均為10 m，即假設(shè)頂管埋深為10 m，頂管起始頂進(jìn)面為x-z平面，頂管起始頂進(jìn)截面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，已頂管長為50 m，模型長為100 m（圖1），模擬退管距離10 m。

圖1 退管數(shù)值模型

表1 部分地層的工程地質(zhì)參數(shù)

近似取⑤2-2灰色粉砂層和⑥暗綠色粉質(zhì)黏土層相關(guān)參數(shù)的平均值作為本次分析模型的基本參數(shù)。根據(jù)上海地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，地層土的彈性模量一般可取為壓縮模量的2.5～3.5倍[7]，故地層土的彈性模量取28 MPa，泊松比0.3，重度18.9 kN/m3，考慮滲流孔壓，滲透系數(shù)為6×10-6m/s，孔隙比為0.8。按目前文獻(xiàn)中的工程參數(shù)，取DN2 500 mm鋼筋混凝土管，壁厚 0.25 m，彈性模量35 GPa，泊松比0.2，重度25 kN/m3。

2 分析計(jì)算

假設(shè)在退管過程中注土壓力保持穩(wěn)定，退管后的回填土簡(jiǎn)化為作用在內(nèi)壁上的徑向壓力和開挖面上的壓力來平衡上覆土的自重，基本與實(shí)際工程中回填土對(duì)退管時(shí)機(jī)頭刀盤的主動(dòng)土壓力值一致。但由于管土間的摩擦力和土體開挖回填產(chǎn)生的應(yīng)力重分布，仍會(huì)導(dǎo)致地表變形。將10 m的退管分成5個(gè)工況，每個(gè)工況退管距離為2 m。研究特定管徑下退管的地表變形影響范圍，分析不同退管距離對(duì)沿頂管軸線地表以及同一橫截面地表變形的影響。

3 結(jié)果討論

頂管在常規(guī)頂進(jìn)階段，通常機(jī)頭前方土體受到擠壓，后方土體受到管土摩阻力的拖拽，沿頂管軸線的地表變形表現(xiàn)為頂進(jìn)面前方隆起、后方沉降[8]。根據(jù)退管計(jì)算結(jié)果可知，沿頂管軸線的地表變形剛好相反（圖2）。在機(jī)頭前方地表發(fā)生了顯著的沉降變形，不同工況下最大沉降變形的位置與工作井的距離見表2。在剛開始退管階段，地表最大沉降變形處位置和最大沉降變形量相對(duì)變化較小。在退管4～6 m（約頂管外直徑的2倍）時(shí)，地表最大沉降變形處位置向退管方向移動(dòng)了17～19 m，最大沉降變形量增加了近1倍。隨著退管距離增加，地表最大沉降變形處移動(dòng)至機(jī)頭前方退管施工區(qū)域內(nèi)，與工作井距離的變化趨于減小并逐漸保持穩(wěn)定，而當(dāng)回填土的注土壓力保持不變時(shí)，最大沉降變形量與退管距離近似成正比。隨著與工作井的水平距離的增加，在距工作井約70 m以后，退管對(duì)地表沉降變形的影響趨于穩(wěn)定。在機(jī)頭后方，沿頂管軸線的地表形成了隆起區(qū)。隨著退管距離增加，最大隆起變形量逐漸減小，當(dāng)退管速度和機(jī)頭前方回填土的注土壓力保持穩(wěn)定時(shí)，隆起變形量也隨之趨于穩(wěn)定。

圖2 退管對(duì)沿頂管軸線地表變形的影響

表2 不同工況下最大沉降變形的位置與工作井的距離

在距離工作井50 m截面處（圖3），即初始退管時(shí)機(jī)頭正上方區(qū)域，初始退管時(shí)地表僅有微小的沉降變形。隨著退管距離增大，地表沉降變形也逐漸增大，而兩側(cè)的沉降變形則對(duì)稱減小。

圖3 退管對(duì)距離工作井50 m截面處地表變形的影響

在距離工作井40 m截面處（圖4），即退管10 m后機(jī)頭正上方區(qū)域，初始退管時(shí)地表僅有較小的隆起變形。退管開始階段，隆起變形出現(xiàn)增大，然后隨著退管距離的增大，地表隆起變形逐漸減小，而兩側(cè)的隆起變形則對(duì)稱增大。直到退管6 m以后，該截面地表開始發(fā)生沉降變形，隨著退管距離繼續(xù)增大，地表沉降變形也逐漸增大，而兩側(cè)的沉降變形則對(duì)稱減小。

圖4 退管對(duì)距離工作井40 m截面處地表變形的影響

在距離工作井30 m截面處（圖5），即退管10 m后機(jī)頭后方10 m區(qū)域，初始退管時(shí)地表已有一定的隆起變形。退管開始階段，隆起變形出現(xiàn)增大，然后隨著退管距離的增大，地表隆起變形逐漸減小。直到退管6 m時(shí)，該截面地表隆起變形才恢復(fù)到接近初始退管時(shí)的地表隆起變形量，隨著退管距離繼續(xù)增大，地表隆起變形繼續(xù)減小，而兩側(cè)的隆起變形則對(duì)稱增大。

圖5 退管對(duì)距離工作井30 m截面處地表變形的影響

下面結(jié)合退管施工經(jīng)驗(yàn)分析上述地表變形機(jī)理：由于退管階段回填土無法及時(shí)填充滿退管施工時(shí)產(chǎn)生的空隙，且回填土要求具有一定的流動(dòng)性，其彈性模量遠(yuǎn)小于原位地層土，因此在機(jī)頭前方地表發(fā)生沉降；而退管施工產(chǎn)生的管土摩阻力拖拽了后方土體，造成后方土體擠壓變形，因此在機(jī)頭后方地表發(fā)生隆起。隨著退管距離的增加，地層損失也在不斷增加，機(jī)頭后方地表隆起量因此逐漸減小，有效控制了地層的綜合變形。

綜合分析結(jié)果，退管對(duì)地表變形影響較大的區(qū)域仍集中在退管施工區(qū)域，以及初始退管機(jī)頭前方的約20 m區(qū)域（管外徑6～10倍區(qū)域），和退管機(jī)頭當(dāng)前位置后方的10 m區(qū)域（約為管外徑3倍區(qū)域），該區(qū)域建議為減少退管施工對(duì)地表變形影響的加固區(qū)。

而針對(duì)當(dāng)回填土的注土壓力保持不變時(shí)，最大沉降變形量與退管距離近似成正比且有不斷增長的趨勢(shì)這一情況，建議隨著退管距離的增大，提高回填土量和回填土壓力，并保持實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)語

本文通過數(shù)值模擬分析了頂管工程中退管法施工對(duì)環(huán)境的影響，得到如下結(jié)論：

1）退管施工將造成機(jī)頭前方地表發(fā)生沉降變形，機(jī)頭后方地表發(fā)生隆起變形，沉降和隆起變形最終會(huì)趨于收斂。對(duì)地表變形影響較大的區(qū)域?yàn)槌跏纪斯軝C(jī)頭前方的管外徑6～10倍區(qū)域，以及退管機(jī)頭當(dāng)前位置后方的約管外徑3倍區(qū)域。

2）在退管施工前，預(yù)先對(duì)機(jī)頭前方地表變形影響較大的區(qū)域采用水平或豎直地層加固方法。機(jī)頭后方的隆起變形在退管過程中逐漸減小，有利于地表變形的綜合控制。

3）隨著退管距離的增大，需提高回填土量和回填土壓力，并保持實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而控制隨之增大的退管空隙，也可控制地表發(fā)生急劇的變形。

本文的分析雖然僅考慮了彈性模型、均勻地層和小范圍退管，對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行了簡(jiǎn)化，但仍能較好地反映實(shí)際頂管工程中退管法施工對(duì)環(huán)境影響的客觀變化規(guī)律，可為頂管法施工的進(jìn)一步研究以及相關(guān)設(shè)計(jì)和施工提供有益的參考。