顶管施工引起的土体扰动理论分析及试验研究VIP

顶管施工引起的土体扰动理论分析及试验研究隧道网 (2005-8-31)来源：隧道网 摘 要 近年来，顶管施工技术在中国得到迅速发展，并广泛应用于给排水管道工程，但顶管施工中土体的扰动机理及土体性状的变化有待深入研究与探讨。在前人的基础上，研究了顶管施工弓I起土体扰动的机理，提出了更加准确的土体扰动分区图。对某项管工程进行了现场监测，内容包括地面变形、深层土体移动、孔隙水压力、土压力、地下水位以及顶管施工现场记录。测试结果表明土体扰动受土质条件、施工技术和现场控制程度的影响，其中现场控制程度(包括顶力、土压力、管线纠偏和注浆压力)的影响最大。土压力、孔隙水压力、地下水位、地面变形及深层土体移动的变化都跟掘进机与测试断面之间的距离有直接关系。当掘进机离测点还有一段距离(67 m)时，土压力、孔隙水压力和地下水位上升达到峰值。地面隆起及深层土体移动则是在掘进机尾部离开测点时达到最大，随后总体上呈下降趋势。现场测试结果很好地验证了土体扰动理论。 关键词 土木建筑工程施工 顶管施工 土体扰动 扰动机理 现场监测 分类号 TU94 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)03-0476-07 1 引 言 近年来顶管施工技术在我国得到迅速发展，并广泛应用于给排水管道工程。在软土土层中采取顶管施工，不可避免地会对管道周围的土体产生施工扰动，使周围土体出现卸载或加载等复杂的力学行为，土体的应力应变状态将会发生改变，进而引起管道周围土体的变形，产生土体移动。 文1，2参考盾构法施工对土体的扰动，提出了顶管施工对土体扰动的机理和土体扰动分区。目前国内对顶管施工现场的监测仅限于地面变形与土体侧向变形，对于顶管施工过程中土体的土压力、孔隙水压力和地下水位的变化还了解不够。 本文比较了顶管与盾构对土体扰动的区别，对前人的工作进行了改进，提出了更加详细的土体扰动分区图。另外，通过分析地面变形、深层土体侧向变形、孔隙水压力、土压力和地下水位的现场监测数据，以及顶管施工现场记录(包括顶力与掘进机开挖面土压力)，来验证理论的正确性。 2 顶管施工引起的土体扰动分析 2.1受扰动土体的分区 在顶管施工过程中，开挖面的掘进、土体输出、掘进机的顶进、平衡泥浆(或气体)的注入等工艺与盾构法相应的施工工艺类似。但也有不同之处，盾构法施工过程中管道采用衬砌，拼装后就在原位不动：而顶管法采用预制管道，施工过程中管节随掘进机一起向前顶进，管道与周围土体之间要产生剪切摩擦作用，并且注浆的机理也跟盾构法不一样。 在前人研究的基础上，提出了改进的顶管施工扰动分区图(图1，2)。受顶管施工扰动的土体可分为7个扰动区，分别是：挤压扰动区，剪切扰动区，卸荷扰动区，卸荷扰动区，剪切扰动区，注浆剪切扰动区和固结区。 掘进机前端的倾角约为(45-/2)，与被动土压力角一致，两侧卸荷扰动区与固结区分界线倾角与掘进机外壳约成(45十/2)，与主动土压力角一致，其中尹为土的内摩擦角。 2.2 施工扰动机理 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产生的。随掘进机的推进，图1中各扰动区土体所受到的施工应力有所不同，因此，对土体的扰动作用也不同。图1 顶管施工纵向扰动分区图图2 顶管施工横向扰动分区图 (1) 挤压扰动区 区土体距离开挖面较远，主要承受挤压应力作用而产生挤压变形：掘进机推进时，挤压应力也随之增大，土体水平应力会有所增加，刀盘产生的振动荷载和切削剪切力则对该区的影响较小。 (2) 剪切扰动区 区位于掘进机的正前方，受到千斤顶推力的挤压、刀盘的切削剪切力及振动荷载的作用，应力状态十分复杂。该区土体一方面由于开挖导致应力松驰，使水平应力减小；另一方面又由于顶进推力和平衡泥浆的压力使水平应力增加。 当这两方面引起的应力变化能够维持水平应力基本不变时，施工对邻近土体的扰动最小：若由此引起的水平应力的减小值大于主动土压力，则开挖面的土体将发生坍塌，可能由此引起上方的区土体塌陷或崩塌，导致较大的地表沉降，甚至使土层失稳；若由此引起的水平应力的增加值大于被动土压力，则将使区的土体向外挤出，引起地表的隆起变形。 (3) 卸荷扰动区 区与区，相邻且与开挖面较近，受到由 区扩散的挤压应力和剪切应力的作用。顶管推进时，水平和竖直方向应力均有所增加，使地表产生隆起变形。掘进机通过后，由于掘进机与后续管节之间的管径差，加上泥浆中水份逐渐流失，使区土体应力松驰，导致地表沉降变形。 (4) 卸荷扰动区 区位于管道下方，扰动机理与区基本相同，但由于区土体的深度比区大，其抗剪强度要明显大于区，加上掘进机与后续管节的重力压载作用，因此区的扰动程度要明显小于区，由于应力扩散，其扰动范围则要比区大。 (5) 剪切扰动区 掘进机推进过程中外壳与周围土体之间产生摩擦阻力，该力作用的结果是在掘进机外壳周围土体中产生剪切扰动区，该区的特点是范围较其他区小。 (6) 注浆剪切扰动区 当不注浆时，区内土体受到管道与周围土体之间的剪切摩擦阻力，在施工过程中会沿管道轴线方向反复地前后移动。 当进行注浆时，在注浆压力的作用下，先是水份向土体颗粒之间的空隙渗透，然后是泥浆向土体颗粒之间的空隙渗透，形成泥浆与土壤的混合土体：随着浆液渗透越来越多，会在泥浆与混合土体之间形成致密的渗透块，随着土块越来越多，在注浆压力的挤压作用下，许多渗透块之间粘结、凝固，形成一个相对密实的套状物，称为泥浆套，它能够起到阻止泥浆继续向外渗流的作用；另外在注浆压力作用下，能够起到支撑隧洞的作用，使其保持稳定，不让土体坍塌到管道上。 如果注入的润滑泥浆能在管子的外周形成一个比较完整的泥浆套，则接下来注入的泥浆不能向外渗透，留在管道与泥浆套的空隙之间，在自重作用下，泥浆会先流到管道底部，随后向上涨，管道会受到泥浆的飘浮作用，管道就在泥浆的包围之中项进，如图3所示，其减摩效果将是十分令人满意的。 该区的范围则与注浆压力、注浆量、注入地层的部位、顺序和管道外径等有关。 (7)固结区 顶管管道周围土体受施工扰动后，将形成超静孔隙水压力区。随着掘进机向前推进，超静孔隙水压力下降，孔隙水消散，土体发生固结作用，土层将产生沉降。图3 泥浆与土体作用机理 3 现场试验 3.1 工程概况 杭州市运河污染综合整治指挥部因截污工程需求，在石桥路路段铺设污水管，采用顶管方法施工。石桥路位于杭州市北部，长约6 600 m，路宽1030m。 标段36#37#顶管段，采用单刀盘式土平衡掘进机，顶进长度为210m，管节直径为1 200mm，共84节。施工时间为2001年6月18日-2001年6月30日，共13 d，平均每天16.2 m。顶力最大为8.5MPa，覆土深度(地表到轴心)为3.91m，管道位于粉土层1和2之间，如图4所示。粉质粘土层的天然含水量W=28.0，孔隙比e=0.77，重度=19.7kN/m3，压缩系数al-2=0.44MPa-1。粉土层1的天然含水量W=28.9，孔隙比e=0.83，重度=19.1kN/m-3，固结快剪强度指标ccq=5.7 kPa，cq=24.3，压缩系数al-2=0.45MPa-1。粉土层2的天然含水量W=32.9，孔隙比e=0.94，重度=18.56kN/m3，固结快剪强度指标ccq=9.8 kPa，cq=319，压缩系数a1-2=0.40MPa-1。图4 顶管施工地质断面图 3.2 现场监测内容及布置 本次顶管施工现场监测内容有地面变形、深层土体侧向变形、孔隙水压力、土压力和地下水位的变化，另外还记录了顶力和掘进机内的土压力随顶距的变化。 地面变形通过测量桩测量地面垂直向位移进行监测。根据场地情况，布置了4个观测点，编号为d1d4。深层土层侧向变形由测斜管进行监测，布设了3根测斜管，编号为c1，c2，c3，埋设深度为12m。土压力监测通过埋设5个土压力盒，编号为t1t5，如图5所示。图5 顶管工程现场试验仪器布置图(1) 孔隙水压力由孔隙水压力计进行监测，埋设了5个孔隙水压力计，编号为k1k5。k1，k2，k3测点埋设在顶管管道轴线正上方，k4、k5离轴线距离为1.5 m。地下水位由水位管进行监测，在测斜管边上埋设了3根水位管，编号为s1s3，埋设深度为10m，如图6所示。图6 顶管工程现场试验仪器布置图(2) 4 现场监测结果及分析 4.1 地面变形监测结果及分析 如图7，8所示，当掘进机距离测点较远时，土体受到扰动，地面会先出现微小的沉降；随着掘进机距离的靠近，土体受到的千斤顶挤压力开始变大，土体开始出现向外挤压，地面出现急剧隆起；当掘进机靠近到一定距离时，地面会出现沉降现象。这是由于土体开挖引起卸载，开挖面四周的土体因应力松驰而向开挖面和隧洞空间膨胀，从而引起土体移动，即地面产生沉降；当掘进机通过测点所在横截面时，地面又开始急剧隆起，这是由于土体受到掘进机向外的挤压。当掘进机尾部离开测点时，由于掘进机外径与后续管节之间的管径差，地面会产生沉降；当进行注浆减摩时，若注浆压力过大，地面会产生隆起；此后一段时间，由于注浆压力的存在，土体的位移维持在一定范围。但随着时间的增加，泥浆中的水份逐渐流失，加上顶管周围受扰动土体发生固结作用，因此地面开始产生沉降，但这一过程要持续很长时间。地面最大隆起达到128.2mm。图7 测点位移随时间变形曲线图8 地面横截面变形图 4.2 深层土体侧向变形监测结果及分析 以c3测斜管的监测数据分析为例，来说明深层土体侧向变形情况，c3测斜管离轴线距离为5.2m。如图9所示，随着掘进机的不断靠近，直到掘进机尾端离开测点后一段时间内，土体受到挤压力作用，土层向远离管壁方向移动；当掘进机通过后，由于管径差以及泥浆中水份的逐渐流失，土层开始向管壁方向移动；在掘进机离开一段时间以后，由于受扰动土体的再固结，引起地面沉降，土层会再次向远离管壁方向移动。图9 垂直于管壁方向土体移动曲线 如图10所示，沿管道轴线方向深层土体的移动规律比较复杂，它受到许多因素的共同作用。每当管道向前顶进时，会对周围的土体产生摩擦力，使得土体产生沿管道顶进方向的移动：而当更换管节时，由于主干斤顶卸载，此时管道会产生后退的现象(特别当顶进距离较短时)，土体会产生部分弹性回缩，向反方向移动。此外，由于掘进机刀盘的切削搅拌以及取土，导致开挖面附近土体应力松弛，使得水平应力减小，也会使土体向顶进的反方向移动。因此，深层土体沿管道轴线方向的移动没有一定的移动趋势，它会随顶管施工不断变化，来回反复移动。图10 沿管道轴线方向土体移动曲线 4.3 土压力监测结果及分析 如图11所示，土压力在顶管施工过程中是不断发生变化的。当掘进机离测点较远时，各测点的土压力值变化很小；当掘进机接近测点时，土体受到强烈的挤压扰动，土压力会急剧上升；当掘进机距离测点一定距离时，由于土体开挖引起卸载，开挖面四周的土体会产生应力松驰，土压力又会急剧下降：在掘进机通过的前后一段时间内，由于刀盘支护以及注浆的原因，因此土压力基本维持不变；在掘进机通过约2 h后，由于管径差以及泥浆中水份流失，造成土体向管壁移动，土压力又开始下降；过一段时间后，由于土体再固结作用，孔隙水压力消散，土体有效应力增大，因此土压力会有所上升。图11 土压力随时间变化曲线 测试结果表明，土体在掘进机未到前受挤压作用所产生的扰动是最大的，且离管道轴心距离越近，土体受到的扰动就越剧烈，土压力变化越大：在离管道轴心距离相同的点，由3#与4#测点的比较可知，4#测点要比3#测点变化幅度大，表明侧向土体受到的扰动要比轴线上方受到的扰动剧烈。另外，由图11可见，当土压力变化基本稳定时，除1#，2#测点由于受扰动小而跟初始值基本相同外，3#5#测点的土压力都比初始值要大，这表明由于顶管施工的挤压作用，使得管道周围的土体被挤密，土体强度有不同程度的提高。 4.4 孔隙水压力监测结果及分析 如图12，13所示，孔隙水压力在顶管施工过程中是不断发生变化的。当掘进机接近测点时，土体受到强烈的挤压扰动，孔压迅速变大。孔压在掘进机离测点还有一段距离(67 m)时达到最大，此后孔压略有下降。当7月1日14时，掘进机尾部离开测点所在断面，孔压开始快速下降。在本次测试中，c3测斜管垂直于管壁方向的土体移动最大值在7月1日11时30分，而孔隙水压力变化最大值出现在7月1日6时48分，相差约5h，但是由曲线可看出最大值可能出现在更早的时间。图12 孔隙水压力随时间变化曲线图13 孔隙水压力随时间变化曲线 测试结果表明，超孔隙水压力变化的幅度反映了土体受扰动的程度。由3#，4#测点比较可知，4#测点要比3#测点变化幅度大许多，这表明侧向土体受到的扰动要比轴线上方受到的扰动剧烈。 孔压的变化比土层移动反应早，且灵敏，因此，在顶管施工过程中测定土层的超孔隙水压力变化可提前对施工中引起的土层移动作出超前预测预报，为环境保护决策提供依据110l。 4.5 地下水位监测结果及分析 如图14，15所示，当掘进机离测点较远，地下水位基本保持稳定，由轴线到远处，地下水位呈线性下降；随着掘进机的靠近，土体受到掘进机的挤压力作用，由于土体颗粒之间存在孔隙(孔隙中含有水和空气)，因此在挤压力的作用下，孔隙水和气体排出，在这个过程中地下水位会开始上升。地下水位在掘进机离测点约5倍的管径距离时(本次测试为900，提前5.5 h)上升到最高值，此后水位一直下降。其中在7月7日由于下雨原因，地F水位略有上升。图14 地下水位随时间变化曲线图15 地下水位横截面变化曲线 测试结果表明，地下水位变化总体上是先上升后下降，下雨会使地下水位有所上升。地下水位在最初基本成线性分布，由轴线处向外缓慢下降。离管道轴线距离越近，地下水位变化越剧烈，水位上升越高。这也说明离管道轴线距离越近，土体受到的扰动也越大。 4.6 施工现场控制分析 该试验段是几个试验段中土体扰动最明显的一段，因为其施工速度要明显比其他几段快。 图16为顶管施工过程中掘进机开挖面土压力随顶进距离的变化曲线。由图可以看出，由于速度快，造成土压力不断增加，导致掘进机前面的土体被不断挤压