关于减小顶管法施工对土体扰动措施的研究综述

关于减小顶管法施工对土体扰动措施的研究综述田冲冲1，沈亚斌2(1.长安大学，陕西西安710064；2.长安大学，陕西西安710064)摘要：近年来，顶管工程在我国得到了迅速地发展，随着技术及施工水平的提高，顶管施工在地下管道铺设中的应用越来越广泛。但是顶管法施工时不可避免的对周围土体产生了扰动，对相邻建筑物所产生了不良影响，本文介绍了顶管法施工时对周围土体的扰动，对相邻建筑物所产生的不良影响，以及这些不良影响的应对措施。关键词：顶管法；土体位移；地表沉降；地基加固InfluenceofthePipeJackingMethodtotheEnvironmentandItsResponseMeasuresChongchongTian1，YabinShen2(1.Chang'anUniversity,ShaanxiProvinceXi'anCity710064;2.Chang'anUniversity,ShaanxiProvinceXi'anCity710064）Abstract:Inrecentyears,thepipejackingmethodisdevelopedfast.Pipejackingconstructionisusedinlayingtheundergroundpipelinecomprehensivelywiththeimprovingthelevelofthetechnologyandconstruction.Butthesurroundingsoilcanbedisturbedunavoidablyduringthecourseofthepipejacking.Thesurroundingbuildingswillalsobeinfluenced.Thepaperresearchesthedisturbanceofsoilbody,adverseeffectstothearoundbuildingswhenconstructundergroundthroughpipejackingmethod,andthemethodhowtocopewiththeseproblems.Keywords:PipeJackingMethod;DisturbanceoftheSoilBody;SurfaceSubsidence;FoundationReinforcement0引言顶管法在施工过程中，由于施工的顶进及开挖卸载，机头土压力与土体的静止土压力不平衡、机头产生偏斜、超挖或欠挖以及顶管的摩阻力等因素的影响，改变了原土层的边界，对周围土体会产生较大的扰动作用，以致改变周围土体的土压力、孔隙水压力以及地下水位，使土体产生较大范围的变形，对周围环境会产生较大影响。国内外学者以及工程实践者纷纷提出了不同的针对这一现象的应对措施，主要有施工工艺的改善，地基加固措施，线型控制和加大顶进的曲率半径等。1顶管法施工对土体的扰动1.1土压力的变化顶管法施工引起周围土压力变化的内在原因是处于天然静止平衡状态的土体受到了破坏，从而导致其应力状态发生了变化。由于千斤顶对管道的推力，克服了前进过程中所遇到的各种阻力，管道不断向前顶进，同时又作用于周围土体，使土体向上挤压，在顶管机头接近位置，土压力值明显升高，当机头顶过之后，由于顶进时受挤压土体的卸载作用，开挖面四周的土体会产生应力松弛，使其土压力值逐渐减小，恢复。土体受力模型简图如图1。图1土体受力模型简图1.2孔隙水压力的变化顶管法施工过程中均会对周围地层产生扰动，引起附加应力场，产生的附加应力越大，则相应的超孔隙水压力增加越大，而土体扰动程度与附加应力场成正比，因此可用顶管周围形成的超孔隙水压力来评价土体的扰动程度。孔隙水压力在整个顶管施工过程中是不断发生变化的，当然，不同的土体所发生的变化也不一样，但是大致都是当管道顶进时，土体受到强烈的挤压扰动，空压迅速变化，当顶管尾部离开顶进断面时，空压开始快速下降，随后随着土体的固结作用，孔压逐渐趋于稳定，距离顶进管道轴线越近处水压力变化越大，较远处其变化相对较小。一般顶管机在顶入某处土层后，顶管机周围的超空隙水压力分部状态如图2(a)所示，当顶管机离开该处土层后，由于土体表面的应力释放，管道周围的超空隙水压力下降，其分布状态如图2(b)所示。（a）(b)图2超空隙水压力分部状态简图1.3地表的沉降地表的沉降是发生在顶管过后，由于洞壁上部的松弛和卸载，导致上部土体发生了竖向位移，此规律与深层土体位移变化规律相似，并随时间沉降逐渐变大。这主要是因为管壁与土体的摩檫，带走了部分土体，造成土体损失所致。地表变形的一般规律如图3所示。图3地表变形的一般规律2各种减小顶管法施工对土体扰动措施的对比和优缺点顶管法施工工艺的改善主要是通过工程实践经验来对具体施工方法进行改善，因为没有理论的指导，加之各种工况和施工条件都不一样，因此具有一定的盲目性和主观性。地基加固措施则是为了减少顶管法施工过程中对土体产生的不良影响，在施工前对地基进行加固处理，目前主要用的方法是通过注浆来进行地基的加固。注浆加固是采用液压或气压方式，通过注浆管把浆液均匀注入土层，赶走原土层中水分或空气，浆液使土层松散颗粒和裂隙胶结成新的结合体，从而提高原土层承载力和压缩模量，起到地基加固的作用。然而注浆所用的浆液要根据不同的土质而配制，对于土土体性质的了解需要对土体进行采样，测试和试验，不断调整浆液的配合比，这一过程增加了整个施工的程序，且较为耗时繁琐，无疑延长了施工工期。在注浆过程中还需要液压和气压注浆设备，这些都会使工程的造价增加不少，即使这些问题都能克服，但是注浆加固地基这一措施却不能避免地基整体下沉现象的发生，因此地基加固的措施不适用整体地基条件不良的情况。顶管法的线型控制措施即通过运用测量设备，进行方向和管缝的控制，以期达到施工中对土体扰动的影响。这种施工工艺的提出在一定程度上减少了顶管法施工过程中造成的不良影响，只能增加施工顶进线型的准确度，能有效避免顶偏，减少超挖和欠挖，却不能有效地较少施工中对土体压力、孔隙水压力以及地表沉陷等的扰动。选择大顶进的曲率半径即在顶管设计与施工时，由于环境的影响，有些管路的施工必须采用曲线绕道施工，选择大曲率半径则可以减少管道在顶进过程中转角处与土体的摩檫力，从而减少对土体的扰动。这种措施从原理上来说的确能有效的减少对土体的扰动，但是实际施工中，由工况和施工场地所决定，往往没有足够宽广的面积布线，特别是比较发达的城市地区，那里地下管线通常比较密集，施工线性受到限制，不能选择较大曲率半径做为线型的控制措施。3基于注浆减阻技术和盾构原理而改良的创造性措施注浆减阻技术即为了减小千斤顶顶管时土体对管道的摩檫力，施工中一边顶管前进，一边喷射浆液，使其与土体充分搅拌混合，泥浆与土体作用原理如图4所示，一方面泥浆夹在管道壁与洞壁之间，起到了良好的润滑作用，另一方面，泥浆的凝固作用使洞壁变得相对较平，在一定程度上防止了洞壁的坍塌。根据不同的土质配置相应的浆液，因此注浆减阻技术能适用于各种土质，尤其对级别较差的土质作用很好。图4泥浆与图作用原理注浆减阻技术虽然能减少管道在顶进过程中所受到的阻力，但是在顶进较长一段距离后顶管所受到的阻力会随之增大，如果遇到密实性和强度较大的土质，顶管在顶进过程中所受到的阻力会增大很多，况且该技术不能避免施工过程中引起土体表面的隆起和沉陷，对减少土体土压力、空隙水压力等的影响只能起到一定的作用。为使顶管法施工对土体的扰动降低到最小，基于注浆减阻技术和盾构原理而对现有的顶管法技术进行改良，改良的主要对象为顶管设备。受到盾构法中盾构机设备的启发，在管道的前端装上与其配套的刀盘系统，其主要功能为将顶管前方的土体进行切削、搅拌，便于顶进，同时也起到减小顶管推进阻力、保持开挖面土体稳定等重要作用。刀盘的工作原理可简单比作一把剃须刀，在前进过程中逐渐将泥浆砂石变成碎块，同时也大大加快了顶管法的施工速度。4结语顶管法施工是一门综合性的技术，其发展也越来越普及，应用的领域也越来越广，将基于注浆减阻技术和盾构原理而改良的创造性措施运用于实践之前尚有很多问题需要解决，比如说与管道配套刀盘的研发，如何减小刀盘系统的造价等等。不过随着科学技术的进步，这一切问题将被解决。参考文献[1]赵宁.顶管施工的土体变形问题研究（D）.上海：同济大学，2008[2]吴义.顶管施工对周边土体和环境的扰动分析（J）.物流工程与管理，201133（5）：126—127[3]何大鹏.顶管施工工艺及质量控制（J）.山西建筑，201036（9）:146—147[4]董海涛.顶管施工关键技术及实例（J）.中国市政工程，2009（6）：58—64[5]冯海宁.顶管施工环境效应影响及对策（D）.浙江：浙江大学，2003[6]余剑锋.顶管施工引起地表变形问题研究（D）.广东：广州大学，2006[7]魏纲.顶管施工中土体性状及环境效应分析（D）.浙江：浙江大学，2003[8]丛茂强.软土中大直径顶管的施工扰动机理与控制研究（D）.上海：上海交通大学，2013[9]徐迎伍.平行管道顶进施工的相互影响与设计方法和施工工艺的优化研究（D）.同济大学博士学位论文，2000[10]刘招伟，王梦恕等.地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析.岩石力学与工程学报，2003，22（8）:1297一1301[11]Shijinsheng,OrtigaoJAR,BaiJunli.Modularneuralnetworksforpredictingsettlementduringtunneling.JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,ASCE,1998,124(5):389-395