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【摘要】顶管作为非开挖的施工方法，在市政管线的敷设及管线穿越公路、铁路等处越来越广泛的被应用，这些变形会对地面建（构）筑物产生影响，特别是穿越铁路、公路等地段，对这些变形的控制显得尤为重要。本文对顶管施工引起的地面变形的计算方法进行分析，通过分析给出了施工控制的措施。
【关键词】顶管；地面变形；有限元；施工控制
一、地面变形的影响因素
目前，顶管平衡方式主要有泥水平衡、土压平衡和气压平衡三种，而最常用的为泥水平衡和土压平衡两种。顶管施工引起的地面变形的主要由以下三个部分组成：
（1）顶管机平衡力引起的
目前，以常用的泥水平衡和土压平衡顶管机为例，刀头的顶进、土的切削和出土是完全同步的，以达到土压力与支护压力平衡。但在实际操作中土压力与支护压力并不能完全保持平衡，当支护压力大于被动土压力时，土被挤出而产生挤土效应，这时候表现为地面隆起；当支护压力小于土的主动土压力时，临空面可能会产生坍塌，这时候表现为地面沉降。
（2）顶进过程中的摩擦力引起的
在顶进过程中顶管机和后面的管道会对周围土体产生摩擦力，当掘进机向前顶进时，摩擦力会带动土体移动，导致前方的土体隆起，后方的土体下沉，一方面是由于顶管机会略大于后面的管道约2-5cm，另一方面顶管机在纠偏的过程中会产生超挖现象。因此，在顶管施工过程中都会采取注浆减阻措施，一方面可以减少摩阻力并减少前方土体的隆起量，另一方面在后面管道与土体空隙间注浆并保持一定的压力，可以有效地减少地面沉降。
（3）水土损失引起的
顶管顶进过程中，一方面由于顶管机的超挖，虽然采用了注浆填充的措施，但不可避免地会产生土体损失，引起地面沉降；另一方面顶管周围土体受到施工扰动后形成超孔隙水压力区，顶管机离开后超孔隙水压力下降，孔隙水消散，土体产生固结沉降，随着时间延长还会产生次固结沉降。
因此，在计算顶管施工引起的地面变形时必须考虑以上3个主要因素的影响。
二、地面变形的计算方法
地面变形的计算方法主要有：经验法、理论计算法、有限元法等。
1、经验公式法
Peck经验公式法是最简便的，也是应用最广泛的。它是基于大量的实测资料提出的经验公式，具体公式如下：
很多专家学者对Peck提出的经验公式进行了可靠性的分析，并且对该公式进行了修正。韩煊、李宁通过对我国8个地区观测数据的分析给出了我国部分地区沉降槽宽度系数k的初步建议值。郭延华、吴龙海等就南京地层地铁隧道施工对Peck公式进行了修正。
2、理论计算法
有限元法虽然可以考虑多种因素，但不能直接计算，且较复杂，其他经验方法又只考虑了土体损失引起的地面变形，没有考虑顶力及顶管与土体的摩擦力引起的地面变形。魏纲等给出了相应的计算公式：
（1）正面顶推力引起的地面变形
7）
3、有限元法
3.1有限元法基于以下几个假定：
（1）土体为均匀的各向同性弹性体，不分层考虑；
（2）由于顶管机头的实际刚度远大于土体刚度，不考虑实际的顶管机头；
（3）顶进过程中不考虑顶管的时间效应，只考虑空间距离的变化；
（4）施工前自重应力产生的变形不考虑，弹塑性计算所产生的变形为施工过程中的变形。
3.2模型的建立
为了分析施工对周边环境的影响，如图3-1所示建立有限元分析模型，土体采用四面体等参元离散，管道采用壳单元模拟，管道与土层之间设置接触单元，用于模拟注浆层，用一块板模拟建筑物，建筑物与顶管中轴线距离为10m。
通过有限元模拟分析得出以下结论：
（1）顶管施工时造成的地表沉降，顶管中轴线处最大，顶管本身由于刚度较大，变形不大。
（2）随着土体粘聚力和内摩擦角的减少，地面沉降变形增大，但对地表变形范围影响较小。
（3）地表沉降随着顶管直径的增大而增大，影响范围也逐渐增大。
（4）随着顶管埋置深度的增加，顶管上方地表沉降减小，但地表沉降影响范围有所增加。
三、实例分析
某燃气管线过铁路工程，根据铁路要求需采用顶进套管穿越铁路，套管采用泥水平衡法施工。套管内径为1.0m外径为1.28m，F型接口。顶进长度为86m，覆土深度（铁路路肩到套管顶为）为7.60m。地质情况如下：
①人工填土：灰色，松散，由碎石、断砖粉土组成。层厚0.5米。
②淤泥质粉质粘土：灰色，流塑，压缩性高，干强度中等。层厚0.6米
③粉质粘土：褐黄色~灰黄色，，可塑～软塑，压缩性中等，干强度中等。层厚1.3米
④粉质粘土：灰色，软塑，土质不均匀，压缩性中等，干强度中低。
地基土的物理力学参数见表3-2。
由图可以看出，通过经验公式法所求沉降值比实测沉降值要小。
四、地面变形值的施工控制
顶管引起的地面变形对附近环境的影响很大，有时甚至决定项目实施是否可行，特别是穿越铁路的顶管施工，会对铁路运输安全和运输效率造成影响，施工时应通过以下几方面控制：
1、选择合适的工具头
穿越铁路的顶管要求采用具有平衡功能的工具头，主要是考虑减少地层损失引起的地面沉降。
2、控制管径
条件允许的情况下，尽量减小顶管的管径，可以适当的减小地表的沉降，但随着社会的发展，需穿越的管径越来越大。
3、泥浆的置换
顶进过程中的触变泥浆，在施工完成后应及时采用水泥浆置换膨润土浆液来增加土的屈服应力，减少土体的塑性变形。
参考文献
[1]魏纲，徐日庆，肖俊，余文君，李文祥.顶管施工引起的地面变形分析.中国市政工程.2002.100(4)：27-29.
[2]魏纲.顶管工程土与结构的性状及理论研究：[博士学位论文].浙江大学，2005.11.1.
[3]赵宁.顶管施工的土体变形问题研究：[硕士学位论文].同济大学土木工程学院，2008.3.1.
[4]房营光，莫海鸿等.项管施工引起的土体扰动区的实测理论与分析.广州建筑2001年增刊：14—19.