顶管施工对土体影响的现场试验研究_冯海宁

2003年10月 Rock and Soil Mechanics Oct. 2003
收稿日期：2002-05-04
作者简介：冯海宁，男，1974年生，浙江大学博士生，主要从事地基处理及顶管工程方面的研究。

文章编号：1000－7598－(2003) 05―0781―05
顶管施工对土体影响的现场试验研究
冯海宁１，　温晓贵１，　魏　纲１，　刘　春２，　杨仲轩１，　龚晓南１
( 1. 浙江大学 建筑工程学院, 浙江 杭州 310027; 2. 中国科学院武汉岩土力学研究所, 湖北 武汉 430071 )
摘 要：通过对顶管工程的现场试验，得到了顶管施工对土压力，孔隙水压力，水位以及深层土体位移和地表位移的影响，从中得出了顶管施工对土体扰动的大小及其扰动范围的规律，并从理论上分析了原因，为顶管工程的应用提供了参考。

关 键 词：顶管；土压力；孔隙水压；地表位移 中图分类号：TU 41 文献标识码：A
In-situ test research on influence of pipe jacking on soil
FENG Hai-ning 1, WEN Xiao-gui 1, WEI Gang 1, LIU Chun 2, YANG Zhong-xuan 1, GONG Xiao-nan 1
( 1. Zhejiang University, Hangzhou 310027, China ; 2.Institute of Rock and Soil Mechanics,
Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China )
Abstract ：Through in-situ test, the influence of pipe jacking on earth pressure, pore water pressure, groundwater level movement, displacement of earth’s surface and the rule of the degree and area in disturbed soil can be found. The theory explanation is also presented.
Key words ：pipe jacking; earth pressure; pore water pressure; displacement of earth surface
1 前 言
近年来，顶管工程在我国得到了迅速地发展，随着技术及施工水平的提高，顶管施工在地下管道铺设中的应用越来越广泛。

采用顶管法施工，不需要开挖面层就能穿越公路、铁道以及建筑物和各种地下管线[1]，对于某些不能明挖情况下的管线铺设具有重要意义。

然而，在顶管工程中，由于施工的顶进及开挖卸载，机头土压力与土体的静止土压力不平衡、机头产生偏斜、超挖或欠挖以及顶管的摩阻力等因素的影响，改变了原土层的边界，对周围土体会产生较大的扰动作用[2]，以致改变周围土体的土压力、孔隙水压力以及地下水位，使土体产生较大范围的变形，对周围环境会产生较大影响。

因此，研究顶管施工对周围土体的影响具有重要的意义。

我国一些学者从很多方面对顶管施工及其计算进行过一些[3～5]研究，本文结合杭州市截污顶管工程，在现场取一试验段，研究顶管对周围环境的影响。

2 工程背景
杭州市运河污染综合整治指挥部因截污工程的
需要，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 ，路宽约10～30 m ，是进出杭州的一条重要通道，本次试验段选在石桥路附近的24#工作井处。

顶管施工区段内地表向下的土层可以分为4个工程地质层，5个工程地质亚层：①-1杂填土：紫红色-褐黄色，松-稍密，由碎石，块石和少量粘性土组成。

②-3粉土：灰黄色-褐黄色，局部呈灰色，很湿，稍密，粘粒含量较高，为软-可塑状粉质粘土。

③-1-a 粉土：灰色，很湿，稍密，局部夹少量软塑状粉质粘土薄层。

④-1-1淤泥质粉质粘土：灰色，流塑。

④－1-2淤泥质粘土：灰色，流塑。

　
3 试验内容及结果分析
试验区段为24#，顶进长度为22.65 m ，覆土深度为4 m 。

试验设备采用土压平衡式顶管，所选用的管道直径为1.2 m ，长度为1.85 m 的混凝土管道。

试验所涉及的内容包括有：（1）顶管施工中土压力和土体位移的变化；（2）注浆对管道周围土压力的影响；（3）管道沿轴线的偏移对周围土体的影响；（4）顶管施工对周围土体的扰动作用；（5）顶
管施工的影响范围（包括横向和纵向）；（6）土体位移随顶管顶进时间的变化。

根据以上试验内容对土体进行监测，监测项目有孔隙水压力、深层土体位移、地下水位、土压力和地表沉降。

量测工作于2001年8月23日9时开始测量初值，顶管施工于8月25日上午开始。

3.1 土压力
土压力是研究顶管施工影响的重要一项内容。

土压力的量测采用钢弦式土压力盒。

土压力盒在距工作井6.7，16 m 的轴线上，共设有2个观测孔，编号为1#，2#，每个观测孔埋设了6个土压力盒，各观测点位置如图1所示。

图1 土压力观测点位置及压力盒编号图（单位：m ） Fig.1 Location and serial number of the earth
pressure boxes （unit: m ）
图中，1-5，1-6，2-5，2-6土压力盒因埋设深度超过顶管的埋深，只能测到顶管到达前的数据。

图2，3分别示出了各测点土压力随时间的变化曲线，可以看出，在顶管机头接近监测断面位置时，土压力值明显升高，当到达监测位置时，监测点的土压力值同时达到最大。

当机头顶过之后，压力值逐渐减小，恢复。

图2 1# 孔压力盒土压力变化曲线
Fig.2 The earth pressure curve of No.1 bore
图3 2#孔压力盒土压力变化曲线
Fig. 3 The earth pressure curve of No.2 bore
在同一个监测断面上的土压力，距顶管轴线越近，所受到的影响越大，其中，距离最近的1-4，1-5，2-4，2-5点的土压力超出原来的3倍多。

距离越远影响越小，其中，距地表0.8 m 处的土压力值几乎没有影响。

为了研究管壁与土之间的接触应力，在试验管道外壁的上下左右4个方位分别埋设土压力盒，导线由管道内引出。

由试验结果可以看到，随着管道的推进，接触土压力逐渐增长，这与后面顶进的机头偏斜有关。

在长距离顶管中，为减小管壁与土之间的摩阻
力以及填充管周空隙，需要向土体内注浆，浆液主要由膨润土组成[3]。

为了研究注浆对接触压力的影响，笔者分别测量了各阶段的接触压力：注浆前接触压力为0.118 MPa ，注浆开始后为0.12 MPa ，当注浆110.39 L 时为0.133 MPa ，注浆154.55 L 时为0.137 MPa 。

由此可以看出，随着注浆量的增大，土体的接触压力逐渐增大。

3.2 孔隙水压力
孔隙水压力布置了2个观测孔，编号为1#，2#，每个观测点埋设6个孔隙水压力计，分别在距工作井6 ，15.3 m 的轴线上，各观测点位置如图4所示：
图4 孔隙水压力观测点位置及编号图(单位：m) Fig.4 Location and serial number of the pore water
pressure instrument(unit: m)
第5期 冯海宁等：顶管施工对土体影响的现场试验研究 其中，1-5，2-6孔压计因损坏未测得数据，其余孔压与时间的关系如图5，6所示。

测孔1#，2#内的孔隙水压力分别在顶管机头到达该测孔时达到最大值，而后随着机头的向后推进孔隙水压力逐渐减小。

距离轴线越近处的孔隙水压力变化越大，越远处变化越小。

其影响范围大约在距轴线2.5 m 的范围内。

　
图5 1# 孔孔隙压力-时间变化曲线
Fig. 5 The pore water pressure curve in No.1 bore
图6 2# 孔孔隙压力-时间变化曲线
Fig. 6 The pore water pressure curve in No.2 bore
3.3 深层土体位移
深层土体位移采用测斜管进行测量，分别测量垂直于轴线和平行于轴线的深层土体位移。

监测断面距24# 井6.7 m 。

该断面布设3个测斜管，离顶管轴线距离分别为1.5，3.5和5.5 m ，编号分别为3#，2#，1#。

埋设深度为10 m 。

图7～12分别给出了各测管沿深度方向垂直于轴线和平行于轴线的水平位移。

由图可见，垂直轴线方向深层土体向外发生位移，位移幅度较大，最大幅度达到155 mm ，形状为弓形。

平行轴线方向深层土体位移向顶管顶进方向移动，最大幅度达到70 mm ，形状为弓形。

离轴线最近的3# 测斜孔深层土体水平位移最大，距离轴线5 m 远处的1#测斜孔垂直方向的水平位移最小，不到6 mm ，而其平行轴线方向的位移最大也只有8 mm 左右，地表位移最大为4.75 mm 。

可以认为，顶管对深层土体的影响范围在5 m 左右。

图7 1# 测斜管垂直方向深层位移变化曲线 Fig.7 Depth displacement of soil in No.1 bore on
perpendicular direction
图8 1# 测斜管平行方向深层位移变化曲线 Fig. 8 Depth displacement of soil in bore No.1 on
parallel direction
图9 2# 测斜管垂直方向深层位移变化曲线 Fig. 9 Depth displacement of soil in No.2 bore on
perpendicular direction
图10 2# 测斜管平行方向深层位移变化曲线
Fig. 10 Depth displacement of soil in No.2 bore on
parallel direction
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岩土力学 2003年
图11 3# 测斜管垂直方向深层位移变化曲线Fig.11 Depth displacement of soil in No.3 bore on
perpendicular direction
图12 3# 测斜管平行方向深层位移变化曲线
Fig.12 Depth displacement of soil in No.3 bore
on parallel direction
从图可以看出，深层土体最大位移点在与轴线同一埋深的位置处。

在此位置处，水平位移和垂直位移均达到了最大值。

且顶管施工对垂直于轴线方向土体位移的影响大于与轴线平行方向的影响。

因此，在顶管施工中，对在顶管周围且与顶管埋深相近位置处的地下管线要做好防护措施。

由3# 测斜管数据可以看出，深层土体的最大位移发生在机头通过该断面时，其中，平行轴线方向位移最大值出现的时间较垂直轴线方向位移出现的早。

随着机头的向前顶进，距离监测断面远去，土体水平位移逐渐恢复。

3.4 地下水位
在距工作井7.2 m，布置了一个断面观测地下水位，该断面有3个水位管，编号分别为3#，2#，1#，3个水位管与轴线距离分别为1.5，3.5，5.5 m。

从水位管监测图可以看出，在机头刚顶进封门时，由于进洞产生的水土流失，水位开始有所下降。

随着顶管的顶进并到达监测断面处，1#，2#管水位达到最大值并随后趋于稳定，距顶管轴线最近的3#水位孔中的水位随着顶管的顶进，一直呈上升趋势，最终达到与1#，2#相同的水位（见图13）。

图13 各水位管水位变化曲线
Fig. 13 The curves of water level movement
3.5 地表沉降隆起
为了得到地面沉降曲线以及顶管施工对地面竖向位移的影响范围，沿轴线和断面布置了18个地面沉降观测点，各观测点位置如图14所示。

图14 地表沉降观测点平面位置图（单位：m）
Fig. 14 The observation location of earth surface
displacement（unit: m）
图15～17给出了这些观测点的沉降变化曲线。

图15 1～6测点地表沉降变化曲线
Fig.15 The curve of displacement on earth surface
of points No.1～6
图16 7～12测点地表沉降变化曲线
Fig.16 The curve of displacement on earth surface
of points No.7～12
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第5期冯海宁等：顶管施工对土体影响的现场试验研究
图17 13～18测点地表沉降变化曲线
Fig.17 The curve of displacement on earth surface
of points No.13～18　
由图15～17 可以看出，顶管施工对地表土体位移有较大的影响。

在顶管施工中由于机头的偏斜会引起较大的地表位移。

在本次试验中，机头向上最大偏斜为350 mm，地表测量点最大隆起量为203 mm。

并且，在沿顶管轴线方向出现纵向裂缝，在机头前部裂缝呈枝状向前伸展，并有横向裂缝产生。

裂缝宽度在机头附近最大，向前逐渐减小愈合。

由地表位移曲线可以看出，地表土体先隆起后沉降。

当机头到达通过测量点位置的时候，该点的竖向位移达到最大值。

此规律与深层土体位移变化规律相似。

此时的沉降或隆起速率也变大。

随着机头的向前推进，远离测点，该点逐渐由隆起变为沉降，并且，随着顶管的顶进沉降逐渐变大。

这主要是因为管壁与土体的摩擦带走了部分土体，造成土体损失所致。

测点1#，2#很好的反映了这一规律。

因为顶管在通过1#，2 #测点时，偏斜很小，可以反映直线顶进的普遍规律。

而在通过2#测点以后，机头向上偏斜较大，所以只有隆起。

但当机头通过这些测点以后，地表土体会逐渐沉降，变化规律相同。

由试验数据可以看到，在直线顶进的过程中，机头土压力保持在0.3 MPa，此时沿轴线方向的地表位移影响范围可达6 m左右。

机头位置在6测点时，13测点的位移达11 mm，而14测点以后的位移不超过5 mm。

在沿与顶管轴线垂直方向上的地表竖向位移的变化规律可见图18 。

图18是顶管顶进6.7 m机头到达断面1的断面地表沉降线。

由图可以看出，最大位移点在顶管轴线两侧1～2.5 m左右的地方。

其中，轴线左侧的位移比右侧的大是因为管道向这边偏斜30 mm的缘故。

由图中还可以看到，顶管对垂直轴线方向的影响在4 m左右的范围内；并且机头偏向一侧的土体的位移及影响范围大于另一侧；4 m以外影响较小。

　
3.6 顶进数据　
为便于比较，图19列出了顶管顶进时的顶进距离与时间的变化关系曲线，曲线特点表明：顶管速度是大体相同的。

图18 断面１的地表沉降图　
Fig.18 Displacement of earth surface in section 1
图19 顶管顶进时间与顶进长度的关系曲线
Fig.19 The curve of time and distance in pipe jacking
4 结语
通过以上的现场试验，得到了顶管施工对于周围土体土压力、孔隙水压力、土体位移、水位等一系列数据，并较为全面地讨论了顶管施工对周围环境的影响。

施工前后的标准贯入试验显示，上部②-3层粉土和③-1-a层粉土，由于顶管向上偏斜产生挤压，其密实度略有提高，顶管下部④-1-2层淤泥质粉质粘土，由于施工的扰动，标贯数值略有减小。

而在地表9.7 m以下的淤泥质粘土的标准贯入值没有任何变化。

顶管施工对在此深度下的土体没有影响。

在整个顶进结束后的第1天，再次对土体进行测量，发现土压力和孔压没有什么变化，而土体表面的略有沉降，管道与土的接触压力变小。

本文的研究成果对顶管工程的应用及预防施工引起的土体变形具有指导意义。

参考文献
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