譚偉源，黃 玲

（1、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500；2、廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)總站有限公司 廣州 510500）

0 前言

頂管施工是一種常見(jiàn)的非開(kāi)挖施工工藝，施工場(chǎng)地占地面積小，不中斷地面道路交通、對(duì)周邊環(huán)境影響較少，而且施工工藝成熟，已廣泛應(yīng)用于城市的污水管網(wǎng)、電力管網(wǎng)等工程建設(shè)［1-3］。

頂管施工由于其施工工作原理及施工工藝控制等問(wèn)題，不可避免引起土體應(yīng)力改變和地層損失進(jìn)而引起管道上方及周邊一定范圍內(nèi)的土層變形。特別是在軟土地區(qū)，由于軟弱土層的廣泛分布，如措施不當(dāng)則會(huì)發(fā)生較大的地表沉降，導(dǎo)致路面基層破壞，甚至產(chǎn)生坍塌等事故［4-5］。

本文基于廣東省軟土地區(qū)某污水管網(wǎng)工程上方的道路沉降、沉陷情況的調(diào)查，采用理論計(jì)算及有限元數(shù)值分析，研究分析了頂管施工對(duì)周邊道路的影響因素，對(duì)類(lèi)似工程具有很好的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

廣東省某污水管網(wǎng)工程沿城市快速路敷設(shè)，頂管上部距離路面6 m，頂管中線(xiàn)距離右幅車(chē)道邊為2 m。本場(chǎng)地主要地層為承載力較低的軟弱土層、孔隙率大、含水率高的高壓縮性土，受擾動(dòng)后土體強(qiáng)度降低?？辈靾?bào)告中指出，頂管埋深位置主要是粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)細(xì)砂、淤泥質(zhì)中砂、殘積土層、全風(fēng)化巖和強(qiáng)風(fēng)化巖等，其主要地層物理力學(xué)性質(zhì)如表1 所示；頂管主要穿越地層為淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、中粗砂層。該地層受頂管施工過(guò)程頂推力及管壁摩擦力影響會(huì)引起砂土層軟化，導(dǎo)致土層沉降及強(qiáng)度下降，對(duì)控制地表沉降極為不利。

表1 土體的特征參數(shù)Tab.1 Characteristic Parameter of Soil

該路段在管網(wǎng)頂管施工過(guò)程及管網(wǎng)竣工后路面普遍發(fā)生了接近10 cm 的沉降，局部位置達(dá)20 cm 以上，個(gè)別嚴(yán)重的區(qū)域還存在路面坍塌現(xiàn)象，管道位置平面如圖1所示。

圖1 頂管管道位置平面位置Fig.1 Pipe Jacking Pipe Location Plan

2 道路病害調(diào)查

針對(duì)道路病害的現(xiàn)狀，采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)頂管上方車(chē)道右幅第車(chē)道3（探測(cè)長(zhǎng)度為1 930 m）以及對(duì)遠(yuǎn)離管道的左幅車(chē)道3（探測(cè)長(zhǎng)度為460 m），對(duì)比分析管道施工的直接影響狀況及影響范圍。

探測(cè)結(jié)果表明：右幅第車(chē)道3路面以下2 m范圍內(nèi)的路基存在不密實(shí)、積水、脫空及空洞情況為536 m，占總檢測(cè)長(zhǎng)度的27.8%；結(jié)合管道施工過(guò)程開(kāi)展的地質(zhì)勘察資料分析，本次雷達(dá)探測(cè)發(fā)現(xiàn)的路基缺陷主要集中在土層存在較厚砂層的區(qū)域，其中當(dāng)存在檢查井的區(qū)域更為嚴(yán)重，如圖2、圖3 所示。在遠(yuǎn)離管道施工影響的左幅車(chē)道3 路面以下2 m 范圍內(nèi)的路基存在不密實(shí)、積水、脫空及空洞情況共16 m，占總檢測(cè)長(zhǎng)度的3.5%，如圖4所示。

圖2 管道檢查井周邊路基缺陷Fig.2 Subgrade Defects around Pipeline Inspection Wells

圖3 管道上方路基缺陷Fig.3 Subgrade Defects above Pipeline

圖4 遠(yuǎn)離管道路基無(wú)明顯缺陷Fig.4 Without Subgrade Defects away from the Pipeline

3 頂管施工引起的路面沉降原因分析

頂管工程由于土層的復(fù)雜性及頂管施工工藝的限制，難免對(duì)周?chē)馏w形成擾動(dòng)導(dǎo)致管道及管道上方形成不均勻沉降［6-7］?？v觀(guān)本項(xiàng)目的工程地質(zhì)情況及路面及路基的沉陷情況，結(jié)合現(xiàn)有的理論研究基礎(chǔ)，本項(xiàng)目管道所處地層主要為砂層地質(zhì)，頂管施工對(duì)路面沉降主要有以下3 個(gè)方面：①頂管施工過(guò)程引起的沉降；②管道周邊擾動(dòng)土體軟化引起的沉降；③管道運(yùn)營(yíng)過(guò)程周邊土體流失引起的沉降。

3.1 頂管施工過(guò)程引起的沉降

在頂管施工過(guò)程中，開(kāi)挖面支護(hù)壓力過(guò)小引起的地基過(guò)大沉降，以及開(kāi)挖面支護(hù)壓力過(guò)大引起的地表隆起都將對(duì)周邊地層帶來(lái)不良的影響。與此同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，為開(kāi)挖面施加支護(hù)壓力（泥水平衡壓力艙）的泥水漿液受土層影響，使得支護(hù)壓力出現(xiàn)波動(dòng)，這將進(jìn)一步加劇了頂管頂進(jìn)開(kāi)挖的不良影響［8］。近些年，在土質(zhì)條件復(fù)雜的上海、廣州、深圳等地區(qū)，頂管施工中因?yàn)檎胺介_(kāi)挖面支護(hù)壓力控制不好引起的頂管施工事故時(shí)有發(fā)生。在本項(xiàng)目中，管道所在位置穿越的地層復(fù)雜且變化大，對(duì)頂管開(kāi)挖面的支護(hù)力控制要求較高。如果在施工過(guò)程中支護(hù)力控制不當(dāng)，將使土體產(chǎn)生較大的破壞，而這種破壞不僅在表現(xiàn)在施工過(guò)程中，對(duì)施工后也將有影響，將引起路面沉陷。

3.2 管道周邊擾動(dòng)土體軟化引起的沉降

頂管法施工引起周?chē)巴恋貙幼冃蔚膬?nèi)在原因是土體處于天然靜止平衡狀態(tài)受到破壞，從而導(dǎo)致其應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化，使得土體經(jīng)歷了擠壓、剪切、扭曲等復(fù)雜的應(yīng)力路徑。由于頂管機(jī)與襯砌的前進(jìn)靠千斤項(xiàng)的推力，因此只有千斤頂有足夠的力量克服前進(jìn)過(guò)程所遇到的各種阻力，才能不斷往前頂進(jìn)，同時(shí)該阻力又反作用土體，對(duì)土體產(chǎn)生附加應(yīng)力，在擾動(dòng)過(guò)程中土體的強(qiáng)度、承載力、變形模量與密實(shí)度都將發(fā)生變化，產(chǎn)生地層損失，引起地層軟化，從而發(fā)生地面沉降。

3.3 管道運(yùn)營(yíng)階段外界作用的地面沉降分析

受施工階段引起的地層沉降及管道周邊擾動(dòng)區(qū)域土體軟化引起地層的沉降影響而在土層中形成空腔區(qū)域，其空間分布如圖5 所示。雖然在其發(fā)展初期因?yàn)槁访婢哂袆傂院鸵欢ǖ某休d力，不會(huì)在車(chē)輛荷載的作用下直接發(fā)生坍塌破壞。但是，該空腔區(qū)域在后期運(yùn)營(yíng)階段受路面上方行車(chē)形成的動(dòng)荷載及管道周邊地下水排泄引起土體流失影響，空腔區(qū)域?qū)⑦M(jìn)一步擴(kuò)大，產(chǎn)生應(yīng)力集中使一定范圍內(nèi)的土體在動(dòng)載的作用下產(chǎn)生屈服破壞，這將影響“空腔”的體積。而“空腔”的這種循環(huán)發(fā)展將加劇應(yīng)力集中和“空腔”周?chē)馏w破壞，造成土層沉降和路面坍塌。

圖5 頂管施工形成空腔區(qū)域示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Cavity Formed by Pipe Jacking Construction

4 頂管施工引起地面沉降的計(jì)算分析

4.1 頂管施工過(guò)程地面沉降的解析計(jì)算

PECK［9］于1969 年通過(guò)對(duì)大量淺層隧道開(kāi)挖引起地表沉陷數(shù)據(jù)及工程資料分析后，認(rèn)為在不考慮土體排水固結(jié)與土體蠕變的情況下，土體的移動(dòng)過(guò)程可看成是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程。這一隨機(jī)移動(dòng)過(guò)程可用柯莫哥洛夫方程表示，由此推出在地下挖去一塊微小介質(zhì)，會(huì)引起地面下沉，其沉降為正態(tài)分布曲線(xiàn)，具體的計(jì)算情況如下。

沉降曲線(xiàn)：

本工程的排污干管管徑D=0.8 m，頂管頂部距路面（即覆土層厚度）z為6.0 m，頂管軸線(xiàn)距路h為6.5 m，內(nèi)摩擦角按照砂土層淤泥質(zhì)粉細(xì)砂〈3〉（φ=20°～22°），選取φ=20°。最大沉降量Smax的計(jì)算如下：

根據(jù)頂管施工在砂土層中引起土層損失的規(guī)律，可得到橫向土層損失的范圍為：

頂管施工對(duì)土層的最大沉降值為7.7 mm，對(duì)地面的影響范圍管道中心兩側(cè)各4.2 m。沉降值在管道正上方為最大值，隨著與中心線(xiàn)距離的增大，沉降值將逐漸減少。該沉降值在管道施工階段不足以引起路面的沉陷，但會(huì)在路面形成不均勻沉降及空腔等病害。

4.2 頂管周?chē)巴翑_動(dòng)軟化沉降的數(shù)值計(jì)算

對(duì)于砂質(zhì)土層，在擾動(dòng)過(guò)程中土體的強(qiáng)度、承載力、變形模量與密實(shí)度都將發(fā)生變化，特別是砂性土的擾動(dòng)軟化。在本計(jì)算中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，把頂管施工后砂土的液化簡(jiǎn)化為不同程度軟化。

利用有限元軟件，模型計(jì)算主要分析頂管施工后對(duì)地面道路的影響，主要包括頂管施工后土體軟化20%、40%和60%的情況下地面車(chē)輛荷載作用下路面的變形。典型頂管影響區(qū)域沉降云圖如圖6所示。

圖6 頂管影響區(qū)域沉降云圖Fig.6 Settlement Contour Affected by Pipe Jacking

通過(guò)數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，土體強(qiáng)度發(fā)生軟化后導(dǎo)致路面的沉降量隨軟化程度的增大而增大。但是由于施工頂管尺寸僅有800 mm，擾動(dòng)的土體范圍較少，其對(duì)路面變形最大為5 mm 的影響，不至于引起路面的大面積沉降，但會(huì)引起路面的形成空腔、不均勻沉降等病害狀況。

4.3 管道運(yùn)營(yíng)階段外界作用下的沉降分析

本項(xiàng)目管道修建在承載力低、孔隙率大的軟弱土層中，當(dāng)管道運(yùn)營(yíng)過(guò)程水管道內(nèi)水體自重及上部土體自重等及土層不均一作用下，土體將發(fā)生不均勻沉降，當(dāng)土體不均勻沉降達(dá)到一定程度后，會(huì)引起管道接口的張開(kāi)，從而形成排水通道，進(jìn)一步加劇了管道周邊土體的流失，形成空腔。在車(chē)輛經(jīng)過(guò)沉陷路段時(shí)形成的沖擊荷載，將導(dǎo)致土體空腔內(nèi)水壓力反復(fù)增加，不斷侵蝕周邊土體，空腔面積不斷增大，當(dāng)空腔面積增大到一定程度上，路基可能發(fā)生明顯沉陷。在檢查井周邊位置，由于管道沉降與檢查井的沉降差異較大，往往更容易形成接口破裂、透水，由此引起的路面沉陷更為嚴(yán)重。

5 結(jié)論

⑴在某城市快速路，通過(guò)采用地質(zhì)雷達(dá)探明了在頂管正上方的路面中存在27.8%的長(zhǎng)度范圍存在不同程度的不密實(shí)、積水、脫空及空洞情況，其中檢查井位置病害情況更為嚴(yán)重；在遠(yuǎn)離管道的車(chē)道存在病害的區(qū)域范圍僅有3.5%的長(zhǎng)度。其存在病害的程度與影響范圍與頂管施工引起地面沉降的PECK理論基本相符，沉降槽中心位置影響大，遠(yuǎn)離中心位置影響逐漸減少。

⑵結(jié)合項(xiàng)目的地質(zhì)及施工資料，采用理論分析計(jì)算與有限元分析，分析了各種因素引起路面沉降的影響范圍及沉降量。受頂管施工影響引起路面的沉降一般為10～20 mm 范圍。當(dāng)施工過(guò)程形成的病害沒(méi)有得到及時(shí)處理時(shí)，經(jīng)過(guò)多次的行車(chē)動(dòng)荷載作用，進(jìn)一步加劇了空腔處的水土流失，當(dāng)空腔增大到一定程度，路基可能發(fā)生明顯沉陷，尤其是在檢查井周邊位置，由于管道沉降與檢查井的沉降差異較大，更容易形成接口破裂、透水，引起的路面沉陷更為嚴(yán)重。