平行顶管施工引起的地面沉降计算方法综述

平行顶管施工引起的地面沉降计算方法综述

摘要：平行顶管施工过程中会引起地面产生沉降，文章阐述了平行顶管施工过程中土体扰动的产生机理，对引起地面沉降的计算方法进行综述，总结了其优点和不足之处，提出了今后该领域中地面沉降的研究内容和研究方向。

关键词：平行顶管；地面沉降；数值分析

在市政管道工程中，顶管技术的应用越来越广泛。但是城市越来越拥挤，地下空间的有限性迫使近距离双线平行管道得到应用，而这一技术施工难度也较大，成为广大科研人员研究的重要课题。根据管道所处位置不同，可以分为水平、垂直平行管道，在大部分工程均采用水平平行管道。以下所述平行顶管均指的是水平平行顶管。

在顶管的施工过程中，管道周围的土体会随着施工的进程产生一定的施工扰动，由于土层性质的不同，其扰动程度也不同，这一点在软土土层中体现的尤为明显。与单个顶管施工相比，平行顶管由于存在管道间的相互影响和相互作用，其施工过程对土体产生的影响要大得多，特别是当近距离管道施工时会对周围环境造成较大危害。因此研究平行顶管施工对周围环境的影响这一课题已越来越受到人们的重视。

目前对平行顶管施工所引起地面变形的研究主要是根据经验公式计算土体的扰动范围和土体扰动程度。

1 平行顶管施工引起地面变形机理分析

平行顶管施工过程中对周围土体产生扰动，引起地面发生变形。而引起地面变形的最主要原因是由施工引起的各种地层损失和管道周围受扰动土体的再固结以及平行顶管管道顶进过程产生的挤土效应。关于顶管顶进施工中产生的地层损失的产生原因，根据顶管施工特点总结起来主要有以下几点：①管节外围环形空隙引起的地层损失；②工具管开挖引起的地层损失；③管道及中继环接头密封性不好引起的地层损失；④工具管及管节与周围地层摩擦所引起的地层损失；⑤工具管纠偏引起的地层损失；⑥顶进过程中工作井后靠土体变形引起的地层损失；⑦工具管进出工作井引起的地层损失。顶管施工引起的地面变形主要由4个部分组成：①掘进机到达前的变形；②掘进机达到和掘进过程中的变形；③掘进工作完成后的后期固结沉降作用引起的地面变形；④平行顶管管道之间的相互作用，产生挤土效应引起的变形。

2 国内外研究概况

2.1 平行顶管土体扰动范围的研究

顶管施工前，土体处于天然静止平衡状态，由于顶管的掘进过程导致管道周围土体的这种平衡状态受到破坏，原始应力状态发生变化，使周围土体出现一系

列复杂的力学行为，这些复杂的力学行为的出现将导致土体产生扰动。根据土体扰动的方向，可以将顶管施工引起的土体扰动分为两个扰动区：横向扰动区和纵向扰动区。

2.1.1 平行顶管横向扰动区范围的经验计算公式

魏纲等根据E.J.Cording和W.H.Hansmire以及S.Y.Chi等的实测结果进行分析，得出对于软塑～硬塑的粘土，单个顶管其地面沉降槽边缘点到管道轴线的水平距离是（h+r），推算出平行顶管横向扰动区范围的计算公式为：

L1= 2（h+r）+B （1）

重叠扰动区范围的计算公式是：

L’=2（h+r）-B （2）

式中：h为管道轴线埋深，r为管道外半径，B为两顶管轴线水平距离。

这两个公式的计算非常简单，其计算结果与平行顶管横向扰动区范围实测结果较吻合，但存在一些不足之处：①单个顶管其地面沉降槽边缘点到轴线的水平距离h+r是根据实测结果进行估算得出的，这样推算出来的横向扰动区计算公式并不具有全面性，不能代表所有的工程；②该经验公式中并未给出B的确定方法，顶管间距的大小也会直接影响到土体扰动的范围和扰动程度，如果B给出不当，可能会导致顶进过程中出现一些不可预知的难题。

2.1.2 平行顶管纵向扰动区范围的经验计算公式

魏纲等根据顶管掘进过程中土体扰动的超前性和开挖面支护力与静止土压力的关系得出了纵向扰动区边缘离开挖面的水平距离的计算公式L2

L2=（h+r）tan（45？觷+？渍/2）（3）

式中：h为管道轴线埋深，r为管道外半径，（45？觷+？渍/2）扰动范围的水平倾角。

这个公式用来计算纵向扰动范围也并不复杂，计算过程中只要得知固结快剪强度指标φ就可以计算出纵向扰动区边缘距离开挖面的水平长度。同样这个公式也存在一定的不足：①（h+r）是由经验的来；②固结快剪强度指标？渍得来的方法不一样，其值也不一样，这样就导致结果出现的偏差会比较大。

2.2 平行顶管施工引起的地面变形计算的经验公式

目前对于平行顶管由土体损失引起的地面变形的计算方法并没有进行单独的研究，还是基于Peck提出的地面沉降横向分布公式来计算，即：

S（X）=■exp■（4）

Smax=■≈■（5）

i=■（6）

式中：S（X）为地面沉降量（mm）；

X为距隧道中心线的距离（m）；

V1为单位长度地层损失（m3/m）；

Smax为隧道中心线处的最大沉降量（mm）；

i为沉降槽宽度系数，由查图表或公式求得；

Z为覆土层厚度（地面到顶管轴线距离），单位为m；

？渍为土的内摩擦角（度）。

V1和i的取值相对都比较复杂，因此实际工程中都采用简化的方法对其定值：①V1在计算过程中可根据以往的施工经验选择一个合适的开挖面的百分率来估算大小，对于正常固结黏土，V1通常取开挖面面积的0.5%～2.5%；②对于黏土，在实际工程中，当管道轴线埋深h在3 m到34 m 之间时，i的取值可由下列经验公式得来：i=0.43 h+1.1（7）

目前，平行顶管施工引起的地面沉降主要是利用单个顶管的地面沉降计算公式，不考虑平行顶管管道间的相互影响以及管道同时顶进过程中产生的挤土效应对地面沉降的影响，分别计算出各自的地面沉降值，然后叠加得到最终的由平行顶管施工引起的地面沉降值。

这种计算方法中，运用Peck公式会非常简单，其曲线形状与顶管实测地面沉降曲线也较吻合，但其存在以下的不足之处：①只能计算顶进过程中的瞬时沉降，没有考虑到土体受扰动引起的再固结沉降；②只能计算横向地面沉降，不能计算纵向地面沉降及土体的分层沉降；③没有考虑到施工过程中的具体施工工艺和土质条件对地面沉降的影响；④参数V1较难确定；⑤没有考虑到平行顶管管道顶进过程中管道间的相互影响和管道同时顶进过程中产生的挤土效应对地面沉降的影响。

3 发展趋势及研究方法

3.1 平行顶管施工引起的地面变形数值模拟分析