頂管施工技術及其對土體擾動的分析

付曉暢 （安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001）

1 引言

近些年來，隨著現代城市化的快速發展以及社會的飛速進步，城市大規模建筑日益增多，地面空間日漸縮小，地下空間開發與利用的應用也越來越廣泛。頂管施工作為一種非明挖的管道埋設施工技術，同時也是地下管網建設和綜合管廊建設主要的施工方法，成為了國內外學者研究的熱點內容。頂管施工技術節省了大量地面空間，減少了環境污染，作為城市建設的“器官”為市政工程提供了生機活力。頂管施工雖然有很多的優點，但其對土體造成的擾動也是不可小覷的。在分析引起土體擾動的機理及原因的基礎上，提出一些技術措施以減少對土體的擾動程度，對于類似頂管工程施工具有指導參考價值。

2 頂管施工的施工工藝

頂管法施工首先是在施工前設計好的管道頂進中軸線之間開挖工作井和接收井，在已建工作井內利用頂進設備以及中繼間裝置所產生的頂推力，將頂管機和首節待鋪設管道相繼按設計路線頂入土體。一節管道頂完之后，再吊下另一節管道繼續頂進，直至到達另一端預先開設好的接收井，最后再從接收井將掘進機吊起并回收。完成整段管道的鋪設[1]。

由張文帥等人[2]了解到頂管施工的主要組成部分，包括：①工作井、接收井；②主頂裝置及后背墻；③頂管機；④頂鐵；⑤頂進管節與接口；⑥止水圈；⑦井內導軌；⑧地面吊起設備；⑨測量裝置與注漿裝置；⑩中繼間；○1排土設備；○12輔助頂管施工；○13供電照明系統；○14通風換氣系統。

3 頂管施工的優點及分類

3.1 頂管施工的優點

與市政管道的開槽施工相比較，頂管法施工有很多優點，其優點如下：土方工作量較小；施工工期相對較短；施工噪聲小；緩解交通壓力；管線埋設工作在地下進行，受自然條件的影響比較小，可以跨越地面的各種障礙；減少污染；施工質量高；節省資金；地層的變形容易控制；節省了人力資源。頂管法施工的優點充分體現出頂管施工技術的適應性以及實用性，加快了城市化的建設，具有顯著的社會效益。

3.2 頂管的分類

頂管的分類依據有很多，每個分類依據的側重點各有不同，因此分類方式都不夠全面具有一定的局限性。可分為以下幾類[3]：

①按照管節口徑大小的方式劃分為小、中、大口徑以及微型頂管，就目前頂管工程發展情況而言，中口徑在市政工程中的應用比較多；

②按照頂管向前頂進軌跡的方式不同劃分成曲線頂管和直線頂管；

③由頂管機掘進不同形式劃分為氣壓平衡式、手掘式、土壓平衡式和泥水平衡式；

④根據頂管管材可以劃分為鋼管頂管、鋼筋混凝土管頂管以及其他管材頂管，在長距離頂管施工過程中應該優先選擇鋼管頂管，因為鋼管的抗壓強度較大；

⑤根據始發井和接收井之間距離長短劃分為長距離頂管及一般頂管。

在現場施工中，應該根據土質條件和施工要求選擇合適的頂管施工方式，以此降低成本、縮短工期。

4 頂管施工造成的土體擾動分析

4.1 頂管施工造成的土體擾動

土體擾動是土體原有的應力平衡狀態由于人為因素或者自然因素的存在而被打破，土層之間產生了附加應力場，應力狀態也因而改變，土體結構以及物理力學性能都會發生改變。關于頂管施工所引起的土體擾動已有一些相關重要研究。

鄭震宙，王迪等人[4]用ABAQUS 軟件對深圳某一配水管項目進行了數值模擬，分析了注漿壓力、周邊土體性質和掌子面支護力等因素對上覆土體及管線的擾動，研究結果表明增強土體強度、注漿壓力合理化能夠有效抑制土體擾動。

張建[5]用FLAC3D 軟件對軟土地區的福州文林山隧道管幕群管頂進過程進行了模擬，在模擬過程中不斷調整應力釋放率且通過不斷分析選擇出最佳頂進順序，以此降低對軟土層的擾動。

張艷林等人[6]用ABAQUS 軟件對某引水工程進行真實復雜地層的三維模型建立，又進一步利用FLAC3D 軟件操作進行數值模擬。擾動結果顯示頂管施工對周圍地層產生了影響，上方的地層會發生沉降變形而下方地層會發生隆起變形，在軟弱土層中軟弱土層的厚度越厚變形就越大，故在軟弱土層較厚的施工區段應采取加強措施。

安關峰等人[7]結合廣州一污水處理系統，借助三維建模，基于雙層頂管的施工次序和管道材質，對地層的擾動特點進行探討。雙層頂管施工比單層頂管施工過程要復雜得多，所以雙層頂管對土體的擾動和單層頂管相比會存在一定的差異。經研究發現上下兩層頂管頂進時下層土體受擾動更明顯，下層上側位置的沉降量最大，正確的施工順序應該是先進行下層頂管的施工以便有效控制地表下降。

魏綱[8]在以往的基礎上將土體擾動分成了七個區域，完善了土體擾動分區圖。如圖1、圖2所示。

圖1 頂管施工縱向擾動分區圖

圖2 頂管施工橫向擾動分區圖

4.2 土體擾動機理

為進一步了解頂管施工對不同區域土體的擾動程度、擾動機理，對圖1、圖2各個擾動區的擾動情況進行分析。

擠壓擾動區①距開挖面較遠，土體主要受到擠壓應力。剪切力以及震動荷載對此區域幾乎沒有影響。

剪切擾動區②在開挖面正前方，土體遭受剪切力、頂進力等多重應力的作用。此區域的土體一方面受到平衡泥漿的壓力以及頂推力的影響而使水平應力一定程度上有所增加的同時又因開挖卸載導致應力松弛。

卸荷擾動區③的土體在掘進機向前頂進的過程中會使迎面方向的應力和豎直方向的應力有一定的增加，使地面向上隆起破壞地面平整。掘進機逐漸通過該擾動區范圍以后，由于管徑差的存在和水土流失問題，土體應力會發生卸載松弛現象引起地表沉降。

卸荷擾動區④位于施工管道的下方，該區域的擾動機理與區③大體相同，但由于自重作用明顯以及埋置的深度比區③大，所以卸荷擾動區④的抗剪強度比較高，土體擾動程度較弱，擾動范圍較廣泛。

剪切擾動區⑤主要是由于掘進機在頂進過程中管土之間產生了摩擦阻力而形成的，該區域受摩擦阻力的影響比其他擾動區的影響范圍要小一些。

注漿剪切擾動區⑥是由于頂管施工過程中不注漿或者注漿不及時產生的，適當注漿能減小管土之間的摩擦阻力，而注漿不及時，就會存在剪切摩擦阻力。

固結區⑦土體產生了超孔隙水壓力區。原土體顆粒之間存在孔隙水，隨著管節推進，顆粒之間的縫隙變小，孔隙水逐漸消散，超孔隙水壓力隨之下降，土體最終固結沉降。隨著時間推移，土體隨時間增長還會發生蠕變現象造成次固結沉降。

由此可知，剪切擾動區②以及卸荷擾動區③受到的擾動影響較大，土體的穩定性較差，性能變化比較大，如變形模量、承載力、密實度以及強度等都會隨著土體擾動程度的增大而降低。

5 減小頂管施工對土體產生擾動的措施

土體擾動的關鍵因素在于地層損失[9]。根據相關文獻歸納出造成地層損失的幾點原因：開挖面穩定性不足、管道頂進時糾偏、管土之間存在空隙問題、管道間連接密封性不好、中繼間密封性不好、管土之間存在摩擦阻力管道后退以及掘進機施工時進出工作井等。

針對以上現象并結合前人的研究，提出了一些緩解土體擾動的措施[10]：

①采用注漿減摩工藝。目前有同步注漿與二次注漿兩種工藝。所謂同步注漿就是在施工過程中邊頂進邊注漿。在頂管施工后依據管道與土體之間空隙存在的大小進行注漿是二次注漿的注漿方式，注漿主要有填充存在的空隙、降低摩擦阻力以及支撐洞體等三方面的功能。

②合理控制糾偏角度。在進行糾偏時，管道一側的土體產生空隙而另一側的土體會遭受到擠壓作用，因而大角度糾偏應當被盡量避免，亦須遵循“一勤二少三及時”的原則進行糾偏。嚴格意義上講每節管道頂進之后都需要對頂進線路進行測量、復測，以控制管道偏轉。

③維持開挖面穩定。調控排土速度以及維持靜止土壓力與土倉壓力平衡等措施都可以在一定程度上維持開挖面的穩定性，維持開挖面的穩定有助于緩解土體的擾動與擠壓問題。

④曲率半徑不宜過小。曲率半徑越小頂管的側向頂進荷載就會越大，會對側向土體產生更大的擾動和擠壓。

⑤選擇正確合適的掘進機。工具管背土、頂推力的大小、管道埋深、管徑差、土體孔隙率以及中繼間的布置等物理參數都是影響地表變形的主要原因，而這些因素受機頭的影響比較大，因此，頂管順利施工的關鍵在于選擇合適的頂管機頭。

⑥控制掘進的速率。合理控制掘進速率可以平衡入土量和出土量，這樣就可以達到保持掌子面土壓平衡的目的進而降低地層損失。

6 結論

頂管施工技術在我國的發展及應用相對來說較晚，在實際操作中還存在一定的困難，特別是施工對土體產生的擾動影響更是無法避免。但隨著科技進步，設備升級，這些難題終會迎刃而解，對土體產生的擾動影響也會在一定程度上得到緩解控制。頂管施工技術的發展大大節省了地面空間，解決了地面擁擠的現象，滿足了人們的需求。目前，頂管施工技術已廣泛應用于供水排水、供電、供氣等多個方面。未來，其發展平臺將會更加廣闊，更好地為城市化建設做服務，使城市化建設邁向更高的臺階。