砂土层大直径顶管施工顶力控制与施工稳定性研究

毛陈军

摘要：顶管施工能够在开挖，或者局部开挖的情况下，实现地下管线的施工和维修养护，相比常规的开挖施工就似乎，有着较高的施工质效。在顶管施工作业中，工程技术人员需要依照施工区域的地质条件，做好顶力的计算和控制，保障施工的稳定性。文章从顶管施工技术的原理出发，分析了顶管顶力的影响因素以及计算方式，并结合具体工程案例，就砂土层环境下，大直径顶管施工的顶力控制和施工稳定性进行了研究。

关键词：砂土层；大直径；顶管施工；顶力控制；稳定性

前言：在采用顶管法对地下管线进行施工时，技术人员需要结合施工现场的地质水文条件，选择恰当的施工方法。当管道直径增大时，施工中需要克服更大的摩擦阻力，要求技术人员做好对于顶力的准确计算和有效控制，以此来确定好千斤顶的数量及吨位，同时保障施工作业的稳定性。基于此，在应用顶管法作业时，工程技术人员必须切实做好大直径顶管的顶力控制和施工稳定性研究。

1 顶管施工技术概述

顶管施工技术也称非开挖技术，其基本原理，是在适当位置挖出相应的顶进井，开挖到预定管道施工深度后，将掘进设备从顶进井放入，通过顶推的方式，实现对预制管道的施工。顶管施工技术从源头上解决了管道埋设作业带来的各种问题，如交通拥堵、建筑破坏等，能够为城市创造出一个更加舒适、更加整洁的环境。顶管施工中，必须对管道在地下延伸过程中的偏差进行纠正，适用于大中型管径的非开挖铺设。

对比常规施工技术，顶管施工技术有着非常明显的优势：一是可以将施工面控制在相对较小的范围内，施工对于现场空间并没有很大的要求，可以减少土地资源的占用。二是管道的设置采用的是顶推作业的方式，产生的噪声极小，能够将施工对于周边居民生产生活的影响降到最低。三是顶管施工可以轻松穿越既有建筑和道路，也可以跨越河流，在提高施工效率的同时，能够实现对于成本的有效控制。四是在顶管施工中，除了工作面的施工需要人工操作，其它工序基本实现了机械化，可以显著降低作业人员的劳动强度[1]。

顶管施工中，想要将技术的优势充分发挥出来，一是应该做好主顶设备的选择，千斤顶的后端需要借助道木和分压环进行支撑，确保能够将反力均匀的作用在工作井中，前端顶力作用在分压环上，再由分压环传输到管道，分压环必须具备较强的刚度，以确保在顶进过程中不会出现变形的问题。二是中继间的设置。如果顶进距离较长，顶进阻力超过了施工能够容许的最大顶力，则需要通过设置中继间的方式，进行分段顶进作业。中继间通常包含了千斤顶和前后壳体，其中，前后壳体分别连接前后接管，壳体之间的连接可以选择承插式连接的方式，并使用橡胶止水带做好密封处理。中继间中的千斤顶需要沿着圆周均匀设置，使用专用紧固件固定在前壳体上。中继间壳体的外部直径必须与管道的外径保持一致，这样能够有效减少土体扰动以及地面沉降的问题。三是接口处理。管节之间的接口处理，需要使用外套环橡胶止带配合软木衬垫，在外套环运输和吊装环节，必须确保其没有发生变形，接口没有损坏，这样在进行管节对接作业时，才不会出现橡胶带位移、翻转的情况，接口的严密性也才能得到保障。橡胶止水带必须保持清洁，使用胶水将其粘贴在管道口部凹槽区域。软木衬砌一般使用厚度1cm的多层胶合板，设置在前后管节的套索环之间，均匀分担管节之间的相互作用力，以规避接口损坏的情况。

2 顶管顶力影响因素与计算

2.1影响因素

顶管施工中，顶力的影响因素有很多，一是管道自身因素，如材质、直径、长度等，不同材质的管道在顶进过程中，受到的土体摩擦力不同，管道直径会影响管道的迎面阻力，直径越大阻力越大，管道长度越大，摩擦力和迎面阻力都会随之增大。二是管道埋设深度，顶管施工中，管道的顶进作业会受到上部土体压力的影响，换言之，管道的埋深越大，受到的土体压力越大，相应的管道顶力也会随之增大。三是土体物理性质，相关研究表明，土体的密度越大，含水量越高，在顶管施工中受到的摩擦阻力越大，不过，含水量较高的情况下，土体本身比较松软，顶管施工中的迎面阻力较小。四是土体支撑能力，土体本身在重力的影响下，对顶管施工有一定的支撑作用，如果施工区域土质为无粘性土，在顶管施工中，土体空隙间的负压会因为扰动而消失，造成土体掉落，填充管道周围的空隙，削减其前向顶力，严重时会直接造成管道抱死，无法继续顶进[2]。

2.2顶力计算

顶管施工中，顶力计算公式为

公式中，表示顶力标准数值，单位kN；表示管道外径，单位m；L表示管道设计顶进长度，单位m；表示土体摩擦力平均值，单位kN/㎡；为迎面阻力，单位kN。

结合相应的理论研究以及施工经验，如果在顶管施工中，使用了能够减小阻力的触变泥浆，则能够显著降低土体摩擦阻力平均值，最大降幅可以将其降低到1kN/㎡，而在形成相对稳定的泥浆套之后，的值通常为3kN/㎡。

3 砂土层大直径顶管施工顶力控制与施工稳定性研究

3.1工程概况

某电缆隧道工程全长1230.5m，一共设置有3个工作井，工程整体需要穿越河流和既有公路，为了尽可能降低工程施工对于周边环境的扰动，经现场勘察分析后，决定采用顶管施工技术。不过，因为区域内的地层条件以中粗砂和圆砾土为主，不同于常规土层，管道顶进中的迎面阻力和摩擦阻力较大，需要工程技术人员做好对于顶管顶力以及施工稳定性的有效控制[3]。

3.2顶力控制

结合现有的顶力计算公式分析，因为施工区域土层相对复杂，在采用不同计算公式时，计算出的结果存在较大差异性，而在顶进距离较长的情况下，离散程度会变得更大。考虑到施工区域内包含有含水砂砾卵石土层，上文提到的计算公式并不能保障计算结果的可靠性，对此，决定采用三维数值模拟，针对顶力值进行模拟，为顶力控制提供参考依据[4]。

3.2.1影响因素

顶管施工中，顶力主要的影响因素包括：一是地层条件与地下水。在不同类型的地层中，管壁受到的摩擦阻力存在很大差异，例如，粗砂与混凝土管道的摩擦系数可以达到软土与混凝土管道摩擦系数的2-3倍。无粘性土开挖中，孔隙负压消散较快，如果泥浆本身不具备足够的支撑能力，则在开挖后，土体会牢牢抱住管道，增大顶进阻力。如果施工区域位于地下水位以下，则当地下水位发生变化时，会导致管壁上正压力的增大，继而影响顶进的阻力。二是施工停顿。顶管施工要求尽量做到连续施工，如果中间停顿的时间过长，则土体可能发生坍落，导致顶进阻力的增大，减阻浆液中的水分也可能发生离析，影响减阻作用的充分发挥，在重新开始施工时，需要投入更大的顶力。另外，如果经常性出现施工停顿的问题，顶管施工可能会从原本的静摩擦转化为滑动摩擦，最终导致所需顶进力达到乃至超过容许顶进力的情况，影响施工的顺利进行。三是超径比，即超挖量和管径的比值，若超径比的实际数值超过了最优数值，则顶进力可以维持在较低水平，反之，顶进力会不断升高。四是管道状况，当管道直径和长度增加时，顶进施工所需的顶力也会随之增大，结合实际情况分析，管道材质的粗糙程度、管道接头的平滑性，以及是否设置有管道润滑涂层等，都会影响顶力的大小。五是注浆工艺，其对顶力的影响体现在泥浆制备量、注浆压力等方面，若泥浆配比不合理，或者说注浆前没有进行充分搅拌，则无法很好地发挥其减阻性能。同时，注浆压力越大，管壁上作用的压力也越大，相应的摩擦阻力越大。注浆压力过小，会导致泥浆无法有效扩散，影响了泥浆套的完整性，侧摩阻力会随之增大。

3.2.2模拟过程

一是借助初始应力场弹塑性平衡模拟的方法，获得区域土层的原始应力场，同时对照区域内同类工程的施工经验，确定应力释放比例为40%。在计算平衡后，从消除边界影响的角度，将速度、位移等清零，得到初始状态。二是对开挖过程进行模拟，将一个开挖步的长度设定为2.5m，注浆压力为0.2MPa，注浆清除注浆压力，在关节位置，激活单位，做好赋值，对接触单元进行定义。三是在第一管节的尾部位置，施加顶推力，完成单一管节施工，然后依次进行计算和施工，直至施工完成[5]。

3.2.3顶力分析

想要通过模拟计算的方式，对顶管顶进作业中的顶力控制效果进行确认，引入了接触单元层间剪切滑移模型，配合FLS语言完成了对相关计算程序的编写，结合接触单元滑移现象的分析，获取像一个的控制顶力，相应的数值模型如图1所示。

图1 计算模型

通过模拟计算的方式，可以得到顶程发生变化时，顶力的变化情况，具体如图2所示。可以明确，当顶程度在7.5m左右时，曲线的切线斜率呈现出明显增大的趋势；当顶程在15m左右时，顶力的大小依然保持上升趋势，不过曲线斜率显著减小[6]，曲线整体开始趋于舒缓。

图2 顶力-顶程曲线

当第一管节顶进距离为2.5m时，剪切位移分布呈现出了比较明显的分层现象，这也表明管道和注浆层存在剪切位移，而且最小位移不低于2.5m；当第一管节的顶进距离为10m时，剪切位移的分享现象更加明显，最小剪切位移数值达到了10.296m。

3.2.4对比分析

从验证数值模拟结果的角度，对1号工作井到3号工作井施工段的顶管顶力进行模拟，同时对施工中的实际顶力数值进行了记录，结果如图3所示。

图3 模拟顶力和实测顶力对比

对照图3可知，数值模拟结果与实际测量结果基本一致，因此，可以结合上文提到的方式，对工程施工中实际需要的顶力进行预测。可以明确，模拟数值存在着局部偏小的问题，可能是因为其中使用的泥浆套形成时间是依照以往经验获得，与实际时间存在偏差[7]。

3.2.5泥浆减阻效果模拟

砂土层中，触变泥浆在不同施工阶段，于土层中的渗透情况并不十分明显，从这个角度看，砂土层中触变泥浆的减阻效果会受到泥浆配比的影响。结合工程的实际情况，制定出了多种不同的泥浆配比，具体如表1所示。

表1 泥浆配比方案

配比方案	泥浆材料	质量比
A	水：膨润土，掺合料：膨润土	8:1,1:35
B	水：膨润土，掺合料：膨润土	6:1,1:30
C	水：膨润土，掺合料：膨润土	9:1,1:25
D	水：膨润土，掺合料：膨润土	10:1,1:25
E	水：膨润土，掺合料：膨润土	8:1,1:25
F	水：膨润土，掺合料：膨润土	7:1,1:25
G	水：膨润土，掺合料：膨润土	5.5:1,1:25

针对上述七种配比方案下，管道在顶进过程中，顶力的具体分布情况进行模拟，通过相应的实验室直剪试验，得到了七种泥浆对应的相关数值，将其对照工程的实际情况进行研究。数据模拟研究环节，可以先向管节施加初始顶力（现场施工获得），对顶进距离为1m时的受力情况进行模拟，向接触面施加某一种浆液，对接触面的剪切滑移状态进行分析，然后利用相应的FLASH语言编程的方式，模拟顶进距离达到某个固定值时的，初始接触面的相关参数，确保接触单元在对应配比的浆液作用下，可以刚好出现滑移，这种情况下接触面的参数，实际上就是工程中最佳的触变泥浆模拟参数。在保持接触面参数固定的情况下，对顶力进行调整，可以得到不同浆液配比下，管道顶进作业环节需要的顶力。

结果表明，泥浆中水量的控制会在很大程度上影响泥浆的减阻效果，当泥浆配比中水的用量增大时，在顶管施工过程中，顶进阻力表现为先减小再增大的情况，而水与膨润土的质量比为9：1时，顶管施工的顶力最小，因此，在该工程中，使用了C方案来对触变泥浆进行配置。

3.3施工稳定性控制

顶管施工中，稳定性控制非常关键，如果顶力过大，可能出现管道开裂损坏的情况。在顶管施工过程中，必须确保地面不存在沉降或者隆起的情况，要求顶进面的土体压力可以和顶进机头保持动态平衡。理论上，在顶管施工中，若顶进面压力小于顶进设备所处位置的主动土压力，则地面会发生沉降；若顶进面压力大于顶进设备所处位置的被动土压力，则地面会出现隆起。对照相关工程经验分析，在覆土深度较大的情况下，主动土压力到被动土压力的变化较为剧烈，而且理论计算与实际情况存在误差，需要工程技术人员做好对于土压力范围的有效控制。在砂土层，开挖面经常会出现不稳定的情况，其原因体现在两个方面，一是管涌现象，即地下水朝着开挖面渗透，二是开挖面应力释放后，引发了失衡的情况，产生的剪切力超过了土体的抗剪强度。

结合工程的实际情况，主要针对注浆和纠偏环节的施工稳定性控制进行分析。

3.3.1注浆环节

考虑到工程的施工距离较长，在顶管施工中，为了减小摩擦阻力，使用了膨润土浆液进行润滑。注浆施工对于顶管结构以及围岩的变形都有着巨大影响，从方便进行受力分析的角度，这里假设阻力单纯的为径向分布且具备均匀性，注浆压力的存在，使得其对管道四周的支撑结构产生了较大影响，而浆液凝固后，注浆压力被释放，支撑结构本身的受力状态会产生颠覆性变化[8]。

结合区域砂土层的地质条件，使用FLAC软件，开展了相应的数值模拟分析。结果显示，在注浆压力升高的情况下，支撑结构的顶板和底板会朝着中间位置移动，相比较而言，顶板的移动相对较大。从总体角度分析，注浆压力变化时，会对围岩产生较大扰动，如果注浆压力达到0.2MPa以上，则施工区域的地表会出现较为明显的隆起。

在正常施工状态下，注浆引发的摩擦力会导致土体变形。结合相应的模拟分析，当顶进距离达到7.5m时，工程整体处于最不利受力阶段，如果此时注浆压力达到0.2MPa，地表以及拱顶围岩可以保持稳定。如果注浆压力降低为0.15MPa，两者会出现一定程度的沉降，沉降量分别为9mm和13mm。由此，在施工中，应该将注浆压力控制在0.2MPa以上。

3.3.2纠偏环节

一是内力分析。顶管施工中，管道有两种极限受力状态，一种是单边荷载，指顶进力在管道一侧分布，另一种是对角荷载，指顶进力分布在管道不同侧，并且从一侧向另一侧传递。第二种情况常见于管道发生偏斜的情况，需要进行纠偏处理。在施加纠偏荷载的情况下，应该将纠偏压力控制在1.0MPa以内，以避免出现管道破裂的问题[9]。纠偏压力导致的管道主体应力变化如表2所示。

表2 纠偏压力导致的管道主体应力变化

纠偏压力（MPa）	0.4	0.5	0.6	1.0
最大主应力峰值（MPa）	1.474	1.66	1.83	5.48
最小主应力峰值（MPa）	1.01	0.28	0.31	1.12

二是土体变形分析。顶管施工中，如果管道出现偏转，导致轴线与原本的顶进方向偏离，则会引发侧向纠偏荷载。此时，若应力超过了等效屈服应力，会引发土体的粘塑性变形。在数值模拟中，假设当顶进作业从11.5m到14m时出现了偏差，进行纠偏作业。模拟结果显示，当纠偏压力处于0.4-0.7MPa之间时，土层并没有出现明显的变形问题；当纠偏压力达到1.2MPa时，顶进机后方土体在地表和拱顶发生了沉降，前方土体也明显隆起。从这个角度分析，不管是顶管发生偏斜，还是纠偏作业，都会对拱顶和地表围岩产生较大影响，需要技术人员做好全面勘察测量工作，采取有效的措施来规避土体变形。

对照数值模拟结果，在纠偏施工时，纠偏压力应该控制在0.6MPa左右，安排专人对顶进机前后位置的土体位移情况进行监测。如果顶进机施工区域的前后方都存在有地下管线，顶管施工会导致地下管线的变形，如果接头施工不到位，可能引发严重后果。

4 结语

总而言之，顶管施工技术在地下管道线缆施工中，有着广泛的应用，能够显著提升施工效率，减少地表扰动。而在面对砂土层等特殊地层时，如果常规的顶力计算公式不适用，可以采用数值模拟的方式，做好相应受力分析，确定好顶力和顶程的关系，对顶力进行有效控制，同时也需要考虑施工带来的土层扰动问题，采取有效的措施和手段，保障施工的稳定性，将顶管技术的优势和作用充分发挥出来，保障工程施工的效果，规避施工中可能存在的各种问题，推动工程的稳定健康发展。

参考文献

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