顶管施工引起地面沉降的原因分析

摘要：顶管施工是继盾构施工之后发展起来的一种地下管道施工方法,目前应用十分广泛，本文针对顶管施工引起地面沉降的原因分析进行探讨，有利于提高我国顶管施工水平。

关键词：顶管施工 地面沉降 土体扰动 地层变形 固结 一、引言

顶管施工有许多优点，但施工时不可避免地要产生地层变形和地面沉降。当地层变形和地面沉降达到一定的程度，就会影响周围建筑物和地下管网的安全。因此，如何预测和控制地层变形和地面沉降成为顶管施工需要考虑的主要问题。关于顶管施工引起地面变形与沉降问题，国内外科研工作者做了大量的探讨工作。从地面一点沉降实测结果分析来看，顶管施工引起土体位移是三维的，影响地面沉降的因素也相当复杂，但产生地面沉降最主要的原因可认为是施工引起的各种地层损失和顶管管道周围受扰动土体的再固结造成的[1,2]。 二、顶管施工引起的土体扰动

土的扰动指的是土体在外荷载作用下产生的应力释放、体积、含水量或孔隙水压力的变化，特别是土体结构或组构的破坏和变化(如堆坝、填土路基等)。顶管施工对土体的扰动则表现为顶管机对土体的挤压和松动、加载与卸载、孔隙水压上升与下降所引起土性的变异、地表隆起与下沉等。尤其在软粘土中顶进施工时，土体稍经扰动就会使其力学参数发生很大变化，且长期引起固结和次固结沉降。因此，有必要对顶管施工的扰动区及扰动土体的变形特性进行研究，以便估计施工对周围环境的影响及其危害程度，从而采取有效的防治措施，避免施工病害发生。

1.受扰动土体分区

顶管法施工引起周围地层变形的内在原因是土体所处的天然静止平衡状态受到破坏，从而导致其应力状态发生了变化，使得土体经历了挤压、剪切、扭曲等复杂的应力路径。由于顶管机与衬砌的前进靠千斤顶的推力，因此只有千斤顶有足够的力量克服前进过程所遇到的各种阻力，才能不断往前顶进，同时该阻力又反作用土体，对土体产生附加应力，引起土体变形甚至破坏。 2.受扰动土体的应力状态变化

在顶进过程中因工具管的顶进挤压，工具管周围的土体受到顶进荷载的扰动。由于周围不同部位的土体受到的扰动程度不同，因此，受扰动土体相对于原始应力状态其应力变化也不同。

因此，为减小土体的固结变形，常在施工完成后二次注浆进行置换，以改善土体的物理力学性能，减小地面沉降与土体变形。上面的分区只是在施工某一时刻根据其应力状态变化而化分的。实际上，随着工具管的不断顶进，土体先受挤压而隆起，后工具管通过时将卸载产生沉降，后期由于孔隙水压力消散而产生固结，土体的应力状态在整个施工过程中是不断变化的，并不是单一的受到挤压或剪切荷载作用。

引起土体扰动的外荷载主要包括工具管与周围土层摩阻力产生的摩阻力、顶进正面阻力。当千斤顶总顶推力大于这些作用力产生附加正面推进力时，工具管前方土体将经历挤压加载，土体产生挤压变形。 三、顶管施工引的地层损失

顶管施工过程中产生地面变形的根本原因是顶管施工对周围土体的扰动，顶

管施工对土体的扰动是通过施工产生的附加应力对土体发生作用而使土体产生变形的。由上述分析顶管的施工应力主要考虑正面推进力和顶管工具管与土体的摩擦力、粘着力。

施工对土体的扰动将引起土体的土压力、孔隙水压力等发生变化，引起地面沉降。土质条件、施工技术和现场控制程度等因素对土体扰动有影响。其中现场控制包括顶力、土压力、管线纠偏、注浆压力和顶进速度等，更是与土体扰动有直接关系;顶进速度过快，地面产生隆起现象，土体受到的扰动即加剧。受扰动区土体特性的变化跟掘进机与测试断面之间的距离有直接关系。土压力、孔隙水压力、地下水位在掘进机离测点还有一段距离(6-7m)时上升达到峰值。

根据顶管施工特点及相关资料的查阅，总结出顶管顶进施工中产生的地层损失可认为主要由以下几个原因产生的：(1)管节外围环形空隙引起的地层损失；(2)工具管开挖引起的地层损失；(3)管道及中继环接头密封性不好引起的地层损失；(4)工具管及管节与周围地层摩擦所引起的地层损失；(5)工具管纠偏引起的地层损失；(6)顶进过程中工作井后靠土体变形引起的地层损失；（7）工具管进出工作井引起的地层损失。

四、顶管顶进中对地层变形进行控制的要求

（1）根据顶进方法及顶管机的不同，制定开挖面的稳定技术措施、控制超挖量、确定压力平衡技术参数；

（2）采用触变泥浆进行注浆，及时填充管外壁与土体之间的间隙； （3）控制顶力方向，发生偏差应及时纠偏；

（4）避免管节本身、管节接口、工作井洞口及顶管机尾部等部位的泥水渗漏，并确保管节接口端面完好。 五、受扰动土体的再固结

顶管施工导致管线周围土体的再固结过程主要是两种因素的作用结果。其一，管道周围土体受到顶管施工的扰动后，便在管道周围土体中形成超孔隙水压力区。 当顶管机头离开该处地层时，由于管道四周土体表面的应力释放，管道周围土体中孔隙水排出，孔隙压力下降，引起土层固结，形成地层移动和地面沉降。其二 ，由于顶管推进中的挤压作用和压浆作用等因素，周围地层形成正值的超孔隙水压力区，其超孔隙水压在顶管施工后的一段时间内消散[36]。在此过程中，地层也发生排水固结变形，引起地面沉降。 六、结语

顶管施工将会对周围土体产生复杂的卸载与加载行为，在分析了对周围土体的扰动与土体应力状态的变化基础上，根据其相对于原始应力状态的变化情况将管道周围的土体进行详细分区。同时探讨了顶管顶进施工中地层移动及地面沉降的原因及地层移动的一般规律。顶管掘进引起土体应力状态改变使土体产生变形，土体变形主要表现为地面沉降，地面沉降是由上体应力状态变化和顶管与土体间的空隙共同引起的。顶管施工引起地面沉降的主要因素是正负地层损失，而另一主要因素为施工应力对土体产生扰动，土体再固结造成的。

参考文献：

[1]房营光, 莫海鸿, 张传英.顶管施工扰动区土体变形的理论与实测分析[J].岩石力学与工程学报.2003.22(4)；

[2]魏纲, 朱奎.顶管施工对邻近地下管线的影响预测分析[J].岩土力学.2009.30(3)。