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)測數(shù)據(jù)。本文通過數(shù)值分析方法，對退管法施工進(jìn)行模擬，研究退管法施工對環(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)際工程中回填土對退管時(shí)機(jī)頭刀盤的主動土壓力值一致。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，仍會導(dǎo)致地表變形。將10 m的退管分成5個工況，每個工況退管距離為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)的沉降變形則對稱減小。

圖3 退管對距離工作井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)的沉降變形則對稱減小。

圖4 退管對距離工作井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)的隆起變形則對稱增大。

圖5 退管對距離工作井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地表變形影響的加固區(qū)。

而針對當(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。

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趨于收斂。對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，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，對實(shí)際工程進(jìn)行了簡化，但仍能較好地反映實(shí)際頂管工程中退管法施工對環(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。