冯欣

（湖南尚上市政建设开发有限公司，湖南 长沙 410000）

顶管施工面为地下，一定程度上规避了大量开挖原地面的不足，可在对地面上构造物、环境不造成破坏的前提下铺设管道。本文选择某市供水管道工程项目为研究对象，根据项目实际，有针对性设定观察方案，分析观测获取数据，通过两组实验总结了地基扰动程度，并就本项目实际，提出动态控制路堤稳定的建议、方法，为类似工程施工作有益探索。

1 工程概况

本文就某市供水管道项目展开研究，本项目的管线穿越公路路堤，由混凝土制作，管外径为2880mm，经地质勘查了解，本项目所处平原地带，图1 所示为顶管穿越地层详细位置及相关情况；使用排水法推进两侧顶管，左侧沉井底板埋深度为15.3m，右侧沉井底板埋深度为14.5m。本工程根据实际需求，需要科学降低地下水位，深度为13-14m。

图1 顶管穿越地层位置示意:（单位：m）

2 受扰动土体应力变化情况

因工具管导致的挤压力，受到此额外载荷扰动的影响，周围土体部位不同，受到不同的扰动，未受扰动之前，其应力分布相对固定且保持平衡，但是遭受到扰动后，其应力变化较为显著。因载荷的影响，挤压区出现扰动，出现水平方向的应力。施工过程中会使用多种机械设备，受到振动、搅拌作用，导致应力所处状态较为复杂。一方面因为施工降低了水平应力，另一方面在推进压力或者泥浆平衡的作用下，导致增加水平应力，受力的多方面改变，要是确保应力水平基本稳定，则会极大降低施工影响扰动情况。

同时，还有一部分土体，受到挤压载荷的影响，水平方向、垂直方向应力均出现改变。主要是因为在顶进时，周边土壤与管道之间摩擦力作用，受摩擦力的影响，导致影响一定范围内的土壤，致使其存在扰动，又被称为剪切扰动，该区域被称为剪切扰动区。摩擦力大小直接关系到剪切扰动的大小、范围及影响程度等。进行施工活动时，无注浆或者未及时注浆，管道、土壤之间存在摩擦力，导致剪切扰动。在摩擦剪切力的影响下，土壤运动向前，为将这部分剪切力降低，最大程度规避剪切扰动。实践中常通过注浆的方式予以规避，改变土体、管道之间的摩擦情况，用湿摩擦代替干摩擦，不仅实现摩擦力的降低，还能扮演相应的支撑效果。此扰动区的大小与注浆压力等有关，也与注浆量存在一定关系，同时管道外径也是重要影响因素。

该施工活动还会导致卸荷扰动，施工区域进行施工活动初期，在剪切力、挤压力等作用下，导致地表出现隆起。施工进行一段时间后，尤其是通过工具管通后，因其外径大于管道，周边提让需要填补多余的外径部分，同时地下水渗透加剧水土流失问题，导致区域内应力松散。因埋置土体较为深入，具有较大的抗剪强度，且上部分布土体在相关设备自动的作用下出现一定程度的扰动。其影响程度不足、扰动范围较小，甚至有的不会出现出扰动情况。

3 观察方案

本工程布置5 个观测点，便于观测沉降情况，有效监测、就扰动的范围、情况等进行深入分析，就路堤的水文变化、沉降情况进行科学监测，探寻二者之间关系；实施顶管施工前，沿平行管轴方向40cm 处设置对比试验，有针对性分析土体力学指标的变化。图2 所示为详细布设观测仪器图，下文中将对相关数据进行分析，形成定量结果。

图2 布设观测仪器图

4 观测成果分析

4.1 地下水位降低对路堤的影响

4.1.1 分析变形规律：其一，工作井和公路坡脚之间相距30.7m，与接收井的距离为25.9m，其中水位最大下降14m。沉井施工过程中，在沉井四周设置相应的井点。载荷因地下水位的降低而增加，实现压密度的提升，上述为引发该部位地表沉降的成因；其二，顶管施工完成后，下低水位沉降为导致地表沉降的主要诱因，本项目观测发现，工作井一侧提升水文，出现沉降回弹，回弹大小不等，中央分隔带、路肩处回弹分别为-0.3mm、-0.5mm。图3 详细记录了地表沉降与地下水位变化的情况。

图3 施工全过程地下水位降低与地表沉降变化曲线（2019 年）

4.1.2 沉降影响路堤动态指标控制情况：图3 所载明情况显示，在横向方向，路堤将出现不均匀沉降，因路堤自身刚性较大，两侧沉降不均匀是诱发路面出现纵向裂缝的主要原因，所以施工全程必须强化监测和预报降水时的沉降情况。路面之所以出现裂缝，主要是因为沉降不均，导致拉应力大于路面路基最大值，主要判断依据为沉降差异导致的路面横、纵坡改变情况，根据国家相关施工规范，该变量应不超过0.5%。

4.2 顶管施工沿轴线沉降规律

4.2.1 顶管施工主要在两方面影响地表沉降，其一为地层损失，其二为地基扰动。掘进顶管时，地下水位变化、上部载荷增加共同作用，扰动出现再次固结，导致地面发生沉降问题。

4.2.2 本项目设置的观测点，充分考虑不同位置在顶管掘进过程中的沉降情况。本工程经充分考虑不同位置后设置观测点，详细观察顶管掘进时沉降现象。经过观测可发现，顶管达到后，达到顶管后，会影响一定范围内的土地，外在表现为隆起、沉陷，但是不会对扰动区外的土体造成影响。路基下面穿越顶管后，沿轴线方向会出现不同程度的沉降，图4 所示为各观测点在施工不同阶段随时间变化而出现沉降变化曲线。

图4 不同施工阶段沉降随时间变化曲线（2019 年）

4.2.3 根据图4 所载明的数据表明，机头进入到相关位置后，路堤出现沉降情况较为严重。同时沉降由两个阶段组成。第一阶段，扰动沉降，呈现出典型的超前性、瞬时性特点。第二阶段，扰动后再固结，存在典型的时间效应，稳定时间受土质情况、扰动程度的影响，即扰动、土质等情况不同，其稳定时间也不尽相同。

4.3 沿横向地表沉降分析

为对顶管施工的影响情况科学有效直观的给予评价，本文以顶管为中心，设置5 个观测断面，断面设置在其前后30 米内，通过上述方式有效了解沉降变化的情况并予以对应分析。

经上述5 个观测断面观测发现，见以图5 不同位置沿纵向沉降变化曲线，在顶管穿越中线周边集中出现沉降，即距离中线越近，其沉降量越大，距离其越远，沉降越低。最大沉降量为14.35mm，出现在距中线15m 处，最小沉降量为7.8mm 出现在距离中线30m 处，由于下雨出现13.40mm 的最大沉降量，因此可以断定，顶管施工主要影响轴线外15m 范围内的土体，而降水对土体的影响范围也相同。所以在下穿公路路基过程中，必须充分考虑扰动范围内结构物受扰动的影响，尤其是下穿土体伴随存在地下水的情况，计算时必须予以高度关注。

图5 不同位置沿纵向沉降变化曲线

5 地基扰动程度分析

顶管下穿路基前后，与外壁较为靠近处分别进行两项试验，第一项试验为静力触探，第二项试验为钻孔取样试验，主要是分析土体的力学指标，尤其是通过分析这些指标，定量分析扰动程度。

5.1 静力触探对比试验

土体强度高度通过静力触探试验能够获取，尤其是经由侧壁阻力、锥尖阻力等测试反映的更加精确。施工前后锥尖阻力变化曲线如图6 所示：通过试验得出结论数据如下：

图6 施工前后锥尖阻力变化曲线

5.1.1 锥尖阻力在深度7.0～1.5m 范围内变化不明显，其变化较小。

5.1.2 因施工扰动影响，顶管穿越深度7.0～13.5m 范围内，降低了土体强度，锥尖阻力显著降低，经评估和计算，影响量平均为-13.3%。

5.1.3 相关资料表明，深度超过25m 后，因伴随顶管施工实施降水，也就意味着将荷载增加在上部，再次压缩地基，进一步提升土体强度，锥尖阻力显示增加较为普遍。

5.2 钻孔取样对比试验

通过本试验能够对土体力学相关指标进行清晰分析，了解相应变化情况，通过试验得出如下结论：

5.2.1 压缩系数变化情况：其一，粘性土压缩系数在0.0～4.0m 范围内稳定性较高，变化不大，该变量介于6%至12%之间，压缩系数变化较低。其二，在8.2m 处，改变量骤然增加56%；在9.2m 处，改变量有出现骤然增加的情况，增加量为328.57%；在10.2m 处，改变量骤然增加127%；从深度、压缩系数变化情况而言，主要扰动区为管壁四周1m 范围内。其三，压缩系数介于1m 至4m之间存在降低情况，致因为地下水降低。通过上述我们可以得出，通过对其相关指标变化情况进行分析，扰动区共有两部分，轴线上部区域为上部分，轴线下部区域为下部分；上部区域土体强度有所下降，下部因遭受密压效果，强度有所提升。

5.2.2 孔隙比变化情况：其一，深度2-4m 范围内土壤，孔隙度和深度之间关系为负相关，即深度降低，孔隙比提高。压缩变化也是如此，压缩量累计为2.1cm；其二，深度8m 至10m 之间为顶管穿越区，因为施工活动扰动公路地基，因为在施工过程中会出现流砂，但量非常少，增加了孔隙，最大增幅时35%；其三，在上部降水的影响下，轴线以下的地基土也存在压缩。

5.2.3 液性指数、塑性指数变化情况：塑性指数作为重要指标，旨在了解土体固结压缩特，从塑性指数变化角度看，上部粘性土出现减少，但程度大小不一，其表现出与孔隙比减少的一致性。从也行指标变化角度看，上部粘性土的该指标均出现降低，但降低程度大小不一，主要是由于降水导致土体压缩所致。

6 结论

公路地基完成固结后进行顶管穿越势必扰动土体并导致土层损失，因受这一影响，导致路堤出现横向、纵向不均匀沉降。相关研究发现，进行顶管施工时，进行动态监控和预警措施，控制路堤纵向、横向变量不超过0.5%，能够有效规避路面出现裂缝问题，本文相关结论如下：

6.1 如路堤两侧沉井施工需同步实施降水操作时，必须充分了解项目所在地的地质情况，科学设定降水深度，有针对性明确降水速率。本项目实践发现，如路堤纵向、横向变量因沉降差所致不超过0.5%时，路面会保持良好，行车较为平稳，驾驶较为舒适；顶管下穿公路路堤过程中，如果也需要降水操作，也必须思考降水情况影响扰动区的范围。施工扰动导致的路堤沉降不均同样采取0.5%的控制指标，以此确定掘进速度，并有有针对性选择施工工艺。

6.2 顶管施工也会扰动土体，其扰动范围以管壁为中心1m 距离，呈四周扩散状，扩散程度主要取决于土壤内部摩擦角。相关试验表明，扰动区以轴线为中心划分为两个区域，其一为上区，其二为下区。上区土壤强度不断降低，压缩系数增大，增大量超50%，同时孔隙比增加，最高为35%，导致地表发生沉降的主要因素为土体出现扰动后再次固结。下部土体主要呈现出压密状态。

6.3 顶管下穿公路过程中，尤其是土质为含砂层，应科学协调水、砂二者的关系，以免导致流砂问题，有效规避土体局部区域出现空洞，直接影响到公路竣工后的正常使用。