顶管施工引起土体变形的原因分析.docx

顶管施工引起土体变形的原因分析对于地下开挖方式来说，通常施工对土体的扰动影响都是三维形 态的，顶管施工也不例外，引起土体变形的因素亦相当复杂但通常 认为顶管施工引起的土体变形的主要原因是为各种地层的损失依据 Peck 得出的经验公式可知，土体变形主要由最大纵向位移、最大水 平位移和变形曲线状三部分组成地层损失可分为两种：正常损失和非正常损失通常按照规范正 常施工的所引起的难以避免的地层损失称为正常损失，例如开挖面剪 切作用造成的地层损失、管道空腔造成的地层损失和工具管背土受扰 动影响所造成的地层损失等针对于正常损失只能通过采取技术措施 来减小其对土体变形产生的影响，并不能完全消除而当采取一定的 技术措施就可以避免的损失称为非正常损失例如洞口止水装置失效 造成的洞口周围土体塌陷或管节止水圈质量问题造成的顶管周围土 体流失等造成的地层损失，在实际施工中应当完全杜绝此类事情的发 生顶管施工中引起土体变形的原因有以下几个：（1）开挖层的应力状态变化对土体变形的影响顶管法施工过程 中因顶推力和摩擦力等作用而使得土体原本的天然平衡状态遭到破 坏，使得原状土体经历挤压、剪切、扭曲等复杂的应力路径，从而引 起周围土体的变形。

顶管机前方土体不断积聚，就会产生隆起现象； 当前方土体未能及时施加支撑时，因土体的应力释放就会导致土体向 机头内临空面滑移，从而引起地面沉降2）地层损失对地面沉降的影响地层损失的原因有很多，例如 机头泥浆槽的作用宽度、顶管施工轴线偏差，和掘进速度与出土量不 协调等地层损失主要由四部分组成，分别为实际开挖土体体积、超 挖欠挖、地层流失和管周土间的间隙3）管道外周空隙引起的地层损失影响管道外周空隙产生的影 响主要体现在四个方面：相邻管节的平整度过大引起的地层损失、触 变泥浆失水引起的地层损失、中继环外径与管道外径差异引起的地层 损失和工具管外径与管道外径的差异引起的地层损失通常顶管管节 外径比工具管的外径小2〜4cm，因两者之间管径差，导致工具管顶 进过后管节外周会形成一个环形孔洞若未能及时的填充该空隙，则 会致使管周土体在自重应力作用下挤入环形空隙，从而引起地表沉降 因工作人员施工技术和管节制作误差导致顶管不平直，致使在后续顶 管顶进过程中，较大外径的管节会拖带走些许空隙中的泥浆；若中继 间不够圆整或是其外径大于管节外径，则每个中继间在被顶进的过程 中通常会使泥浆甚至管节外周土体被拖带走，从而引起地层损失；当 管节外周环形空隙中的注浆液发生泥水流失而又未能及时补浆，则会 增加这种管节外周空隙引起的地层损失量。

4）管道与管周土间发生剪切作用而引起的地层损失顶管施工 过程中工具管对管周土体产生剪切作用，从而引起地层损失在管道 外周的触变泥浆会有减阻作用，可减小施工过程中对土体的扰动影响 但在实际顶管作业中管道的顶进方向会产生些许的偏差，产生局部的 纵向曲折，从而增大管道对管周土的扰动作用部分土体可能会受到 管壁外周地层附加应力的作用而产生较大的剪切扰动，且扰动影响程 度与管道挠曲率大小有关，当挠曲率越大时，剪切扰动作用就越大， 从而引起的地层损失就越大，反之，则越小5）纠偏不当引起的地层损失工具管进行纠偏时，工具管轴线 偏离原管节顶进的轴线方向，两者间形成一个夹角，从而产生侧向纠 偏荷载施工中工具管对拟偏转方向一侧土体产生挤压，此时当应力 超过等效屈服应力时就会产生粘塑性变形，导致土体产生位移；同时， 在另一侧则产生间隙，从而引起地层损失该项地层损失的主要影响 因素为顶管工具管长度及外径、工具管的纠偏幅度6）前后进出工作井的工具管产生的影响当工具管进出工作井 洞口时，因洞口空隙未能及时封堵或浆液配制不当而导致水土流失和 正面土体坍塌，致使产生较大的地层损失和地面沉降7）顶管施工中工作井后靠土体变形的影响在顶进作业时，工 作井的井壁需承受较大的顶压反力作用，从而产生较大的变形。

对于 采用柔性材料进行围护的工作井产生的变形更大，井后土体受力作用 产生滑动隆起，致使工作井的出洞一侧产生一定的地层损失8）顶管后退引起的土层移动当施工过程中因需中途更换管节 而进行千斤顶卸荷时，管节会发生回弹，从而致使开挖面塌落或松动， 引起土体损失该部分地层损失取决于顶管长度，若顶管长度过小， 因摩阻力的存在，管节回弹模量就会越大，地层损失也就越大；当顶 管长度达到一定数值时，管节回弹模量就会减小，地层损失也就会越 小9）相邻管节间密封性问题管节间的密封性是决定管道工程成 功与否的关键因素之一当地下管道的密封性不良时，则很有可能导 致管周土体发生水土流失，而其中又以在饱和含水砂性土中表现最为 突出，通常头因泥水渗透而引起较大的地层损失。