市政項(xiàng)目供水管道頂管施工對路基的擾動分析

馮欣

（湖南尚上市政建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 長沙 410000）

頂管施工面為地下，一定程度上規(guī)避了大量開挖原地面的不足，可在對地面上構(gòu)造物、環(huán)境不造成破壞的前提下鋪設(shè)管道。本文選擇某市供水管道工程項(xiàng)目為研究對象，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際，有針對性設(shè)定觀察方案，分析觀測獲取數(shù)據(jù)，通過兩組實(shí)驗(yàn)總結(jié)了地基擾動程度，并就本項(xiàng)目實(shí)際，提出動態(tài)控制路堤穩(wěn)定的建議、方法，為類似工程施工作有益探索。

1 工程概況

本文就某市供水管道項(xiàng)目展開研究，本項(xiàng)目的管線穿越公路路堤，由混凝土制作，管外徑為2880mm，經(jīng)地質(zhì)勘查了解，本項(xiàng)目所處平原地帶，圖1 所示為頂管穿越地層詳細(xì)位置及相關(guān)情況；使用排水法推進(jìn)兩側(cè)頂管，左側(cè)沉井底板埋深度為15.3m，右側(cè)沉井底板埋深度為14.5m。本工程根據(jù)實(shí)際需求，需要科學(xué)降低地下水位，深度為13-14m。

圖1 頂管穿越地層位置示意:（單位：m）

2 受擾動土體應(yīng)力變化情況

因工具管導(dǎo)致的擠壓力，受到此額外載荷擾動的影響，周圍土體部位不同，受到不同的擾動，未受擾動之前，其應(yīng)力分布相對固定且保持平衡，但是遭受到擾動后，其應(yīng)力變化較為顯著。因載荷的影響，擠壓區(qū)出現(xiàn)擾動，出現(xiàn)水平方向的應(yīng)力。施工過程中會使用多種機(jī)械設(shè)備，受到振動、攪拌作用，導(dǎo)致應(yīng)力所處狀態(tài)較為復(fù)雜。一方面因?yàn)槭┕そ档土怂綉?yīng)力，另一方面在推進(jìn)壓力或者泥漿平衡的作用下，導(dǎo)致增加水平應(yīng)力，受力的多方面改變，要是確保應(yīng)力水平基本穩(wěn)定，則會極大降低施工影響擾動情況。

同時，還有一部分土體，受到擠壓載荷的影響，水平方向、垂直方向應(yīng)力均出現(xiàn)改變。主要是因?yàn)樵陧斶M(jìn)時，周邊土壤與管道之間摩擦力作用，受摩擦力的影響，導(dǎo)致影響一定范圍內(nèi)的土壤，致使其存在擾動，又被稱為剪切擾動，該區(qū)域被稱為剪切擾動區(qū)。摩擦力大小直接關(guān)系到剪切擾動的大小、范圍及影響程度等。進(jìn)行施工活動時，無注漿或者未及時注漿，管道、土壤之間存在摩擦力，導(dǎo)致剪切擾動。在摩擦剪切力的影響下，土壤運(yùn)動向前，為將這部分剪切力降低，最大程度規(guī)避剪切擾動。實(shí)踐中常通過注漿的方式予以規(guī)避，改變土體、管道之間的摩擦情況，用濕摩擦代替干摩擦，不僅實(shí)現(xiàn)摩擦力的降低，還能扮演相應(yīng)的支撐效果。此擾動區(qū)的大小與注漿壓力等有關(guān)，也與注漿量存在一定關(guān)系，同時管道外徑也是重要影響因素。

該施工活動還會導(dǎo)致卸荷擾動，施工區(qū)域進(jìn)行施工活動初期，在剪切力、擠壓力等作用下，導(dǎo)致地表出現(xiàn)隆起。施工進(jìn)行一段時間后，尤其是通過工具管通后，因其外徑大于管道，周邊提讓需要填補(bǔ)多余的外徑部分，同時地下水滲透加劇水土流失問題，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)應(yīng)力松散。因埋置土體較為深入，具有較大的抗剪強(qiáng)度，且上部分布土體在相關(guān)設(shè)備自動的作用下出現(xiàn)一定程度的擾動。其影響程度不足、擾動范圍較小，甚至有的不會出現(xiàn)出擾動情況。

3 觀察方案

本工程布置5 個觀測點(diǎn)，便于觀測沉降情況，有效監(jiān)測、就擾動的范圍、情況等進(jìn)行深入分析，就路堤的水文變化、沉降情況進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測，探尋二者之間關(guān)系；實(shí)施頂管施工前，沿平行管軸方向40cm 處設(shè)置對比試驗(yàn)，有針對性分析土體力學(xué)指標(biāo)的變化。圖2 所示為詳細(xì)布設(shè)觀測儀器圖，下文中將對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，形成定量結(jié)果。

圖2 布設(shè)觀測儀器圖

4 觀測成果分析

4.1 地下水位降低對路堤的影響

4.1.1 分析變形規(guī)律：其一，工作井和公路坡腳之間相距30.7m，與接收井的距離為25.9m，其中水位最大下降14m。沉井施工過程中，在沉井四周設(shè)置相應(yīng)的井點(diǎn)。載荷因地下水位的降低而增加，實(shí)現(xiàn)壓密度的提升，上述為引發(fā)該部位地表沉降的成因；其二，頂管施工完成后，下低水位沉降為導(dǎo)致地表沉降的主要誘因，本項(xiàng)目觀測發(fā)現(xiàn)，工作井一側(cè)提升水文，出現(xiàn)沉降回彈，回彈大小不等，中央分隔帶、路肩處回彈分別為-0.3mm、-0.5mm。圖3 詳細(xì)記錄了地表沉降與地下水位變化的情況。

圖3 施工全過程地下水位降低與地表沉降變化曲線（2019 年）

4.1.2 沉降影響路堤動態(tài)指標(biāo)控制情況：圖3 所載明情況顯示，在橫向方向，路堤將出現(xiàn)不均勻沉降，因路堤自身剛性較大，兩側(cè)沉降不均勻是誘發(fā)路面出現(xiàn)縱向裂縫的主要原因，所以施工全程必須強(qiáng)化監(jiān)測和預(yù)報降水時的沉降情況。路面之所以出現(xiàn)裂縫，主要是因?yàn)槌两挡痪瑢?dǎo)致拉應(yīng)力大于路面路基最大值，主要判斷依據(jù)為沉降差異導(dǎo)致的路面橫、縱坡改變情況，根據(jù)國家相關(guān)施工規(guī)范，該變量應(yīng)不超過0.5%。

4.2 頂管施工沿軸線沉降規(guī)律

4.2.1 頂管施工主要在兩方面影響地表沉降，其一為地層損失，其二為地基擾動。掘進(jìn)頂管時，地下水位變化、上部載荷增加共同作用，擾動出現(xiàn)再次固結(jié)，導(dǎo)致地面發(fā)生沉降問題。

4.2.2 本項(xiàng)目設(shè)置的觀測點(diǎn)，充分考慮不同位置在頂管掘進(jìn)過程中的沉降情況。本工程經(jīng)充分考慮不同位置后設(shè)置觀測點(diǎn)，詳細(xì)觀察頂管掘進(jìn)時沉降現(xiàn)象。經(jīng)過觀測可發(fā)現(xiàn)，頂管達(dá)到后，達(dá)到頂管后，會影響一定范圍內(nèi)的土地，外在表現(xiàn)為隆起、沉陷，但是不會對擾動區(qū)外的土體造成影響。路基下面穿越頂管后，沿軸線方向會出現(xiàn)不同程度的沉降，圖4 所示為各觀測點(diǎn)在施工不同階段隨時間變化而出現(xiàn)沉降變化曲線。

圖4 不同施工階段沉降隨時間變化曲線（2019 年）

4.2.3 根據(jù)圖4 所載明的數(shù)據(jù)表明，機(jī)頭進(jìn)入到相關(guān)位置后，路堤出現(xiàn)沉降情況較為嚴(yán)重。同時沉降由兩個階段組成。第一階段，擾動沉降，呈現(xiàn)出典型的超前性、瞬時性特點(diǎn)。第二階段，擾動后再固結(jié)，存在典型的時間效應(yīng)，穩(wěn)定時間受土質(zhì)情況、擾動程度的影響，即擾動、土質(zhì)等情況不同，其穩(wěn)定時間也不盡相同。

4.3 沿橫向地表沉降分析

為對頂管施工的影響情況科學(xué)有效直觀的給予評價，本文以頂管為中心，設(shè)置5 個觀測斷面，斷面設(shè)置在其前后30 米內(nèi)，通過上述方式有效了解沉降變化的情況并予以對應(yīng)分析。

經(jīng)上述5 個觀測斷面觀測發(fā)現(xiàn)，見以圖5 不同位置沿縱向沉降變化曲線，在頂管穿越中線周邊集中出現(xiàn)沉降，即距離中線越近，其沉降量越大，距離其越遠(yuǎn)，沉降越低。最大沉降量為14.35mm，出現(xiàn)在距中線15m 處，最小沉降量為7.8mm 出現(xiàn)在距離中線30m 處，由于下雨出現(xiàn)13.40mm 的最大沉降量，因此可以斷定，頂管施工主要影響軸線外15m 范圍內(nèi)的土體，而降水對土體的影響范圍也相同。所以在下穿公路路基過程中，必須充分考慮擾動范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)物受擾動的影響，尤其是下穿土體伴隨存在地下水的情況，計算時必須予以高度關(guān)注。

圖5 不同位置沿縱向沉降變化曲線

5 地基擾動程度分析

頂管下穿路基前后，與外壁較為靠近處分別進(jìn)行兩項(xiàng)試驗(yàn)，第一項(xiàng)試驗(yàn)為靜力觸探，第二項(xiàng)試驗(yàn)為鉆孔取樣試驗(yàn)，主要是分析土體的力學(xué)指標(biāo)，尤其是通過分析這些指標(biāo)，定量分析擾動程度。

5.1 靜力觸探對比試驗(yàn)

土體強(qiáng)度高度通過靜力觸探試驗(yàn)?zāi)軌颢@取，尤其是經(jīng)由側(cè)壁阻力、錐尖阻力等測試反映的更加精確。施工前后錐尖阻力變化曲線如圖6 所示：通過試驗(yàn)得出結(jié)論數(shù)據(jù)如下：

圖6 施工前后錐尖阻力變化曲線

5.1.1 錐尖阻力在深度7.0～1.5m 范圍內(nèi)變化不明顯，其變化較小。

5.1.2 因施工擾動影響，頂管穿越深度7.0～13.5m 范圍內(nèi)，降低了土體強(qiáng)度，錐尖阻力顯著降低，經(jīng)評估和計算，影響量平均為-13.3%。

5.1.3 相關(guān)資料表明，深度超過25m 后，因伴隨頂管施工實(shí)施降水，也就意味著將荷載增加在上部，再次壓縮地基，進(jìn)一步提升土體強(qiáng)度，錐尖阻力顯示增加較為普遍。

5.2 鉆孔取樣對比試驗(yàn)

通過本試驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)ν馏w力學(xué)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行清晰分析，了解相應(yīng)變化情況，通過試驗(yàn)得出如下結(jié)論：

5.2.1 壓縮系數(shù)變化情況：其一，粘性土壓縮系數(shù)在0.0～4.0m 范圍內(nèi)穩(wěn)定性較高，變化不大，該變量介于6%至12%之間，壓縮系數(shù)變化較低。其二，在8.2m 處，改變量驟然增加56%；在9.2m 處，改變量有出現(xiàn)驟然增加的情況，增加量為328.57%；在10.2m 處，改變量驟然增加127%；從深度、壓縮系數(shù)變化情況而言，主要擾動區(qū)為管壁四周1m 范圍內(nèi)。其三，壓縮系數(shù)介于1m 至4m之間存在降低情況，致因?yàn)榈叵滤档?。通過上述我們可以得出，通過對其相關(guān)指標(biāo)變化情況進(jìn)行分析，擾動區(qū)共有兩部分，軸線上部區(qū)域?yàn)樯喜糠?，軸線下部區(qū)域?yàn)橄虏糠郑簧喜繀^(qū)域土體強(qiáng)度有所下降，下部因遭受密壓效果，強(qiáng)度有所提升。

5.2.2 孔隙比變化情況：其一，深度2-4m 范圍內(nèi)土壤，孔隙度和深度之間關(guān)系為負(fù)相關(guān)，即深度降低，孔隙比提高。壓縮變化也是如此，壓縮量累計為2.1cm；其二，深度8m 至10m 之間為頂管穿越區(qū)，因?yàn)槭┕せ顒訑_動公路地基，因?yàn)樵谑┕み^程中會出現(xiàn)流砂，但量非常少，增加了孔隙，最大增幅時35%；其三，在上部降水的影響下，軸線以下的地基土也存在壓縮。

5.2.3 液性指數(shù)、塑性指數(shù)變化情況：塑性指數(shù)作為重要指標(biāo)，旨在了解土體固結(jié)壓縮特，從塑性指數(shù)變化角度看，上部粘性土出現(xiàn)減少，但程度大小不一，其表現(xiàn)出與孔隙比減少的一致性。從也行指標(biāo)變化角度看，上部粘性土的該指標(biāo)均出現(xiàn)降低，但降低程度大小不一，主要是由于降水導(dǎo)致土體壓縮所致。

6 結(jié)論

公路地基完成固結(jié)后進(jìn)行頂管穿越勢必擾動土體并導(dǎo)致土層損失，因受這一影響，導(dǎo)致路堤出現(xiàn)橫向、縱向不均勻沉降。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行頂管施工時，進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控和預(yù)警措施，控制路堤縱向、橫向變量不超過0.5%，能夠有效規(guī)避路面出現(xiàn)裂縫問題，本文相關(guān)結(jié)論如下：

6.1 如路堤兩側(cè)沉井施工需同步實(shí)施降水操作時，必須充分了解項(xiàng)目所在地的地質(zhì)情況，科學(xué)設(shè)定降水深度，有針對性明確降水速率。本項(xiàng)目實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，如路堤縱向、橫向變量因沉降差所致不超過0.5%時，路面會保持良好，行車較為平穩(wěn)，駕駛較為舒適；頂管下穿公路路堤過程中，如果也需要降水操作，也必須思考降水情況影響擾動區(qū)的范圍。施工擾動導(dǎo)致的路堤沉降不均同樣采取0.5%的控制指標(biāo)，以此確定掘進(jìn)速度，并有有針對性選擇施工工藝。

6.2 頂管施工也會擾動土體，其擾動范圍以管壁為中心1m 距離，呈四周擴(kuò)散狀，擴(kuò)散程度主要取決于土壤內(nèi)部摩擦角。相關(guān)試驗(yàn)表明，擾動區(qū)以軸線為中心劃分為兩個區(qū)域，其一為上區(qū)，其二為下區(qū)。上區(qū)土壤強(qiáng)度不斷降低，壓縮系數(shù)增大，增大量超50%，同時孔隙比增加，最高為35%，導(dǎo)致地表發(fā)生沉降的主要因素為土體出現(xiàn)擾動后再次固結(jié)。下部土體主要呈現(xiàn)出壓密狀態(tài)。

6.3 頂管下穿公路過程中，尤其是土質(zhì)為含砂層，應(yīng)科學(xué)協(xié)調(diào)水、砂二者的關(guān)系，以免導(dǎo)致流砂問題，有效規(guī)避土體局部區(qū)域出現(xiàn)空洞，直接影響到公路竣工后的正常使用。