程宝康 代一 王升龙 李靖 薛建伟
中国建筑土木建设有限公司 北京 100070
摘要：顶管法作为非开挖管道施工技术的一种，可以在不用开挖地表土的情况下将管道铺设完毕，具有无可比拟的优点，其应用也越来越广泛。但是在顶管施工中不可避免的会破坏管道周围土体原有的平衡，造成地面的沉降，对周围的建筑物造成影响，甚至危及周围建筑物的安全，因此，如何预测和控制地层变形和地面沉降或隆起成为顶管施工需要考虑的主要问题。
关键词：顶管；地表沉降；隆起；控制措施
1简述顶管机分类及工作原理
1.1顶管机分类
目前，在顶管施工中常见的顶管机大体可分为两类，一类为敞开类顶管机，一类为平衡类顶管机。
敞开类顶管机包括：机械式顶管机、挤压式顶管机、人工挖掘顶管机。
平衡类顶管机包括：土压平衡式顶管机、泥水平衡式顶管机、气压平衡式顶管机。
1.2 顶管机工作原理
1.2.1 敞开类：
1）机械式顶管机就是采用机械掘进的顶管机，比如：小型正、反铲挖掘机、装载机等。
挤压式顶管机是依靠顶力挤压出土的顶管机。
1.2.2 平衡类：
现阶段顶管施工中最流行的有三种平衡理论:气压平衡、泥水平衡和土压平衡理论。
1）气压平衡顶管施工就是以一定压力的压缩空气来平衡地下水压力、疏干地下水，从而保持挖掘面稳定的一种顶管施工方法。
2）泥水平衡顶管施工就是采用泥水平衡顶管机进行施工，并利用顶管机泥水仓内的泥水压力来平衡顶管机所处土层中的土压力和地下水压力，同时利用排出的泥水来输送弃土的一种顶管施工工艺。
3）土压平衡顶管工法是利用土压平衡式顶管掘进机进行地下钢筋混凝土管道或其他管道的项进施工工艺。
2引起地表沉降或隆起的原因分析
山西综改区小牛线建设工程，φ1200顶管工程全长4028m，管道平均埋深9.7m，管道所处土层为粉细砂土层并且静止水地下水位埋深介于0.6~2.7m之间，地下水类型为孔隙潜水，依据以上条件，最终选用泥水平衡式顶管施工。
2.1 顶管工具管泥水压不足或过大
在实际顶管施工中，当顶管机通过土层时，若泥水仓内泥水压不足或过大，则顶进面正前方土体弹塑性变形引起体层沉降或隆起。
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2.2 地层损失引起的沉降
顶管顶进过程中引起地层损失原因是多方面的：
1）管节外围环形空隙引起的地层损失
顶管在顶进过程中，为减小顶进摩擦阻力，机头工具管的直径比后续管节直径大2-5mm，因此，工具管顶进后管道外围与土体之间存在环形间隙，如若不能及时充分地以触变泥浆充填，周围土体由于应力释放而向环形空隙移动，导致地层损失，同时若相邻管节的平整度过大也会引起地层损失。
2）机头工具管开挖引起的地层损失
顶管工具管向前顶进时，掘进面土体造成较大的应力，有时开挖时土体向工具管移动、塌落、应力降低土体松动范围超出了工具管，必将造成工具管和后续管道周围地层的松动，有时开挖面土体承受的压力大于原始侧向应力，正面土体自开挖面向外移动，由此可引起相应的地层损失或隆起。
3）顶管回弹引起的土层位移
在顶进过程中，由于中途更换安装管节时主千斤顶系统卸载而使管节回弹，使得顶进面容易塌落或松动，而引起的土层位移，这部分地层损失与顶进长度有直接关系，当顶进长度达到一定长度时，管道摩阻力增大，从而一定程度上减小了管节回弹量，地层损失也就相应的减少。
2.3 顶进工具管纠偏因素
顶进纠偏时工具管轴线偏离原来顶进轴线方向，纠偏后刃脚后部形成一个空隙，空隙的大小与纠偏角有直接关系，纠偏角越大，空隙也越大，相应的管道周围土体填充空隙，造成的地表沉降越严重，同时这一沉降无法避免，但沉降量是可以减少的，那就是要避免大角度纠偏。
2.4 管顶覆土层薄造成的沉降
泥水（土压）平衡式顶管机是靠泥水（土压）仓内的泥水（土）压力来平衡顶管机所处土层中的土压力和地下水压力，当管顶覆土层薄的话，那么工具管正面土体容易上供，原状土被松动，松动后容易塌方，待工具管通过后，再次密实，造成地面沉降，这就是常见的先供后沉现象。
3顶管施工地表沉降或隆起的控制措施
针对以上引起顶管施工造成地表沉降或隆起的原因，施工现场采取了以下几种控制措施，并且通过实践，现场地表沉降或隆起切实得到有效控制，使地表变形降到最低程度。
3.1 设定合理的顶管机平衡参数
顶管施工前，应先对管道沿线进行地质调查，搞清楚地质状态，确定合理的顶管工艺形式。在管道沿线建立地面观察点，并通过试顶确定具体的顶进平衡参数，严格控制顶进工具管泥水（土）压以及管道周边注浆压力，防止泥水压（土压）仓的压力大于或小于工具管开挖面的土应力造成开挖面失稳，以至于顶进过后地表沉降或隆起。
3.2 加强过程管控，减小地层损失
顶管施工前，一定要进行严密的施工组织设计，严格按照施组的要求施工，在顶管顶进过程中及时的注入触变泥浆以填充工具管顶进后管道外围与土体之间存在环形间隙，防止造成地层损失；对进场的顶管管材的验收中，单就防止地层损失来说，必须进行严格的平整度检测。
顶进过程还应每天定期测量实际现场出泥量，将理论出泥量与实际出泥量进行对比分析，如若实际出泥量小于理论出泥量，则顶管千斤顶顶力过大，顶进速度过快，可能造成前方地面隆起，若实际量大于理论出泥量，则可能造成开挖面塌陷，以至于地表沉降，故应严格控制超挖量。
3.3 避免大角度纠偏
管道进洞顶进前，为防止管节漂移，应将前3-5节管体与顶管工具管联成一体，严格控制管道线形，其相邻管间转角不得大于该管材的允许转角，小牛线设计纠偏角度为0.5度，在顶进过程中应绘制顶管机水平与高程轨迹图、顶力变化曲线图、管节编号图，随时掌握顶进方向和趋势，及时纠偏，依照“勤纠微纠，增加纠偏次数，减小纠偏角度”的原则施工。
3.4 覆土层厚度
覆盖土层不能过薄，一般情况下，覆土厚度应大于2倍的顶管直径，在穿越公路、桥涵时，覆土厚度应大于3倍的顶管直径。
4结语
总之，通过以上的分析论述，结合现场施工实践，引起顶管工程地表沉降或隆起的关键因素在于地层损失、工具管泥水（土）压的不足或过大、顶进时大角度纠偏等，而严格的执行沉降或隆起控制措施将有效的预防和减少地表沉降或隆起。
参考文献：
[1]中国工程建设协会标准《给水排水工程顶管技术规程》 CECS 246：2008
[2]余芳.《顶管施工引起地面沉降的分析研究》
[3]刘学琳.《浅谈顶管施工引起地面沉降的原因及控制》 南京市政 . 2002.1
论文作者:程宝康,代一,王升龙,李靖,薛建伟
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/6
标签：顶管论文; 泥水论文; 地层论文; 管道论文; 地表论文; 工具论文; 土层论文; 《建筑学研究前沿》2018年第23期论文;