江苏建筑 ２０１１年第３期（总第１４１期） ４７ 过街道顶管施工对地下管道影响的分析计算 卞媛媛 ．张步宏 ，郑必勇 （ 南京市住房和城乡建设委员会，江苏南京２１００２４； 解放军理工大学，江苏南京２１０００７） ［摘 要Ｊ 过街道顶管施工是否会造成其上Ａ－埋置的管道发生损坏，这是一个被普遍关注的问题。文章就这一问题作探 讨．其内容：１）顸管施工扰动对赋存有地下管道的土层产生地面沉降的机制；２）ｇｇ＠引起地面沉降的一般特征与实测表现； ３）地面沉降对管道影响模拟计算表达式建立与应用分析。 ［关键词】 土体损失；项管施工；地下管道；地面沉降 ［中图分类－ｇ＇］ＴＵ９２１ ［文献标Ｌｑ￣］Ａ［文章编号］１００５—６２７０（２０ｌ１）０３－００４７－０３ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｉｍｐａｃｔ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｐｉｐｅｓ ｆｒｏｍ Ｔｕｎｎｅｌ Ｐｉｐｅ Ｊａｃｋｉｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ＢＩＡＮ Ｙｕａｎ—ｙｕａｎ ＺＨＡＮＧ Ｂｕ—ｈｏｎｇ ＺＨＥＮＧ Ｂｉ—ｙｏｎｇ： （１．Ｈｏｕｓｉｎｇ ａｎｄ Ｕｒｂａｎ－Ｒｕｒａｌ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ｏｆ Ｎａｎｊｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１００２４ Ｃｈｉｎａ ２．ＰＬＡ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ￣，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１０００７ Ｃｈｉｎａ１ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｕｎｎｅｌ ｐｉｐｅ ｊａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｗｉｌｌ ｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｄａｍａｇｅ ｏｃｃｕｒｒｅｄ，ｉｔ ｉｓ ａ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｃｏｎｃｅｒｎ．Ｉｔｓ ｃｏｎｔｅｎｔｓ：１．ｐｉｐｅ ｊａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ ｏｆ ｓｏｉｌ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｕｎ— ｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｌａｎｄ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ；２．ｔｈｅ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｌａｎｄ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；３．ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｌａｎｄ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ａｎｄ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｉｌ ｄａｍａｇｅ；ｐｉｐｅ ｊａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ；ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｐｉｐｅｌｉｎｅ；ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ 沦及过街通道顶管施工，很容易想到的一个问题是顶 管顶进时，是否会对地下管道发生有害的影响。这种关注是 有一定道理的。过街道的顶管施：【，是在一个复杂建筑环境 和地质体内进行的，它是一个浅埋工程。当埋深小于顶管的 宽度时．顶进过程中顶管上方土体不能形成自然拱．其上方 生扰动．然后由管节及时支撑扰动的土体，使之处于相对二 次平衡状态 在这一转换过程中，顶管上覆土体的体量与顶 进前土体的体量会发生减少，这种减少的量，被称为土体损 失。土体损失的产生。首先是因为顶进挖土，正面的土体发生 松弛，土体向开挖面移动：其次，顶进过程使土体发生剪切破 坏，出现“背土”，带走顶管上方的土体；再次，松弛土体要发生 土柱只要稍有扰动，就会坍落。在不厚的覆土中赋存多条不 同管径、不同材质、不同功能的管网系统便随之可能产生变 形或破坏。从南京已完成和正在施工的几个顶管工程的环 再固结，此外，还存在顶进过程超欠挖等，综合作用在顶管上 方土体处于松散和不密实状态，同时在顶管与土体界面上 还存有一定空隙，这样上覆土层在重力作用下，必然发生下 沉，波及地面便形成沉降槽。如果施工中采用降水措施，这 境及地下管网数据（见表１），可见其复杂性。由于各方面重 视和采用信息化施工，直接因顶管顶进扰动引起管道变形 或破坏影响正常使用现象（可称“软伤”）较少．但是由于辅 种沉降还会叠加降水引起的附加沉降，地面的沉降槽还会 增大。 助施工作业不认真．如施工机械碰撞，砸坏管道（可称“硬 伤”）的现象时有发生。对顶管顶进造成“软伤”现象也是客 观存在的，本文根据实测数据．简易建立预估表达式，以供 防范参考 ２扰动引起地面沉降槽的一般特征与实测表现 就顶管掘进对土层扰动而言，很类似盾构法隧道施工。 对地面扰动沉降槽的特征有较多的研究成果。早在１９６９年 ｐｅｃｋ提出沉降槽几何特征（见图１），并建立最大沉降量计 算表达式： １ 顶管施工扰动对赋存有地下管道的土层产生地面沉降 的机制 过街道的顶管施工，属浅埋暗挖法的一种．即是土压平 衡顶管，也必然先破坏土体的原始应力平衡状态．使土体发 【收稿日￣１２０１ １－０３－０８ 【作者简介】卞媛媛，南京市住房和城乡建设委员会，工程诉。 江苏建筑 表１ 南京部分顶管工程环境及地下管网数据 ２０１１年第３期（总第１４１期） ｌ＃ ５＃ ７¨ １０＃ ＿＿－＿＿＿＿＿－—— ●ｒ———一 Ｊ Ｕ７ ．ｔ ３７． １ ０ 一 ： ｔ ｒ Ｉ ｌ１ ９ｈ ＬＬ ＼ ｌ ＼ 。 图２地面沉降观测点分布示意图 图１沉降槽几何特征 Ｆ 。 哪专； 、＼咖 哪 １ ． ． 点号 ８ ＝ 。 一（式中， ，＿＿地层损失量，ｉ－－沉降槽宽度系 ———、 —数），据此计算沉降量，必须先估算地层损失量 。，欲正确 估算 ．是有实际困难的。Ｅｔ本竹山乔也有如上（图１）的地 二，１ｒ 面沉降横向分布为正态曲线的认识，也给出最大沉降量的 沉降量（一 相应的表达式：８ ：２．３ｘｌＯ２（２１－Ｈ／Ｄ）／Ｅ２（式中：Ｈ一覆土厚 图３沉降槽示意图 删除个别奇异点，图３实测曲线证明：１）存在沉降槽； ２）在沉降槽中心附近沉降量的量值最大；３）沉降槽的宽度 基本上符合浅埋洞室扰动的极限平衡范围。即洞壁外侧范 围Ｓ＝Ｈｔｇ（４５。一 ）范围，此例顶管埋深Ｈ＝８ ｍ，土层‘Ｐ＝ 二 度，Ｄ一盾构外径，Ｅ一土层平均变形模量）。土是一种极其复 杂的介质体系．未必沉降曲线都为典型正态曲线。这些计算 式虽然与目前采用的数值分析的结论在具体应用上多有较 大的偏差。但就宏观而言，由于地下掘进扰动，引起地面沉 降的特征是一致的。一是出现有一定宽度的沉降槽；二是在 沉降槽中心附近有一个最大沉降量；三是沉降槽的宽度，最 ２１．５。．则ｓ＝８ｘｔｇ（４５。２１．５／２）一５ ｍ，沉降槽的宽度Ｌ＝６ ｍ＋２ｘ ５ ｍ＝１６ ｍ。目前在理论还不能全面反映顶进扰动土体力学 行为时，正确的监测数据可以用来了解顶管施工扰动范围 及沉降量的客观依据．并能依此探讨赋存在沉降槽内管道 风险的预估方法。 ３地面沉降对管道影响模拟计算表达式建立与应用分析 与其他学科研究一样，首先是作一个理想化的假设。为 大沉降量与地层结构、土体性质、覆盖层厚度、场地条件、作 业方式和施工措施都有密切关系。实测资料也证明上述特 征是具有普遍性的。 根据南京过街通道（表１）中的３号通道实测资料综合 分析结果．也显示沉降槽一般规律。其顶管上方地面沉降观 测点分布示意图如图２所示，相应点号沉降数据见表２。 据此作得沉降槽示意图（见图３）。 表２ 此，需作三个假设：一是出现最大风险（最不利情况）的管 道．其走向是与顶管作业轴线垂直的管道；二是管道的变形 沉降观测点沉降数据 １样 ５＃ ７群 １０＃ －０．７１ １３．８ —１１．１ ２１．１ －１９．１ ３９．８ ｌ８．９ ２６．７ －３４．１ ４５．７ ２３．２ ３９．５ －３６．８ —－７３．９ —５１．２ ▲ ◆ －－－—４２．１ ２４．９ ４３．６ －２６．５ ２０．３ －１２．１ －－１４．３ １１．３ 一－—－■ × ５．３ —－－—－２９．９ 江苏建筑 表３ ２０１１年第３期（总第１４１期） 不同材质的管道对弯曲应力影响 参数 材质 弯曲应力／ｋｇ／ｅｍ ７８９．８５ ４９ ，Ｊ＝ｌ ６００ｃ ｎｌ Ｄ＝５２．９ ｅｍ 钢管．Ｅ＝２．１ｘｌ０ 铸铁管．Ｅ＝０．９ｘ１０ 水泥管．Ｅ＝２．１ｘｌ０ 聚氯乙烯管．Ｅ＝４ｘ１０ ３３８．Ｏ３ ７８．９８ ｌ５．Ｏ２ ＿／ｍｌ：３．７ ｃｍ 与沉降槽同步发生发展，沉降槽最大沉降量，即是管道最大 弯曲变形量；ｉ是管道产生弯曲变形的长度等于沉降槽的 宽度 南于土体损失造成管道的弯曲变形正像在管道下方 作用一对称抛物线荷载，中间拉力大，两侧托力依次减小。 将这荷载反转作用在管道上，这样管道发生的弯曲变形就 等效于一筒支粱其上作用抛物线荷载产生的变形。其梁的 长度为沉降槽的宽度（，』）：沉降槽最大沉降量为梁的最大挠 度（ ）。根据受抛物线荷载简支梁挠度、最大弯矩和强度 计算公式，可以导得南管道沉降变形产生的强度与刚度验 算表达式： 盯＝４．９２Ｅ √ （１） ｉ＝３．１ ５／ Ｌ （２） 式中：盯一管道弯曲应力（ｋｇ／ｃｍ ） ｉ一管道挠曲量ｆ％。１； 一沉降槽最大沉降量平均值（Ｃｒｌ１）； 管道材质的弹性模量（ｋｇ／ｃｍ ）； Ｄ一管道有效直径（ｅｍ１： ４．９２与３．１５一计算常数。 作为例子，引刖上述的监测数据Ｌ＝１６ ｍ ：３．７ ｃｍ分 析一有效直径Ｄ为５２．９ ｃｍ（公称直径ｄｎ＝５００）的钢管，Ｅ＝ ２．１Ｘ１０ ｋｇ／ｅｍ ，是否会沉降变形而破坏，利用式（１）和式（２） 计算得： 盯＝４．９２ ｘ２．１ Ｘ１０ ｘ５２．９ ｘ３．７／１６００ ＝７８９．８５ ｋｇ／ｅｍ＜【 ： ｌ３００ ｋｇ／ｃｍ］， ｉ＝３．１５ｘ３．７／１６００＝７％。＞ｌ５％ （给水管） ＜ｆ３％】（排水管） 本例计算结果．如果沉降槽宽１６ ｍ，最大沉降量为 ３．７ ｍｍ，Ｄ ＝５００的铜管，不会因此沉降变形而破坏，但作为 给水管弯曲度稍大于允许值。 由式（１）和式（２）可以看出：因管道受沉降所产生的弯 曲应力与管道直径（Ｄ），材质（Ｅ）和最大沉降量（ ）成正 比；与沉降槽宽度（Ｌ）成反比。例如同样的钢管（ 相同），同 样 与 ，当Ｄ增大，弯曲应力增大（如Ｄ ＝１０００，则其盯＝ １５２３．１６ ｋｇ／ｃｍ ＞［１３００ ｋｇ／ｃｍ 】）。不同材质的管道对弯曲应 力影响更大（见表３）。 实践也表明刚度大的大直径管道比柔性的小直径管道 更容易拉裂。 ４结论与建议 （１）结论 ①顶管施。１二沉降槽的出现具有必然性，关键在控制 。 ②相同的￡和 对不同材质、管径的管道感应不同， 重点关注大直径的刚度大的管道。 （２）建议 ①控制顶进 力，管 紧跟，尽可能保持开挖面土体稳 定。 ②匀速顶进，减少机头背土。 ③确保顶管机头的姿态，防止超欠挖。 ④及时、有效的足量注浆充填管节上方与土体的空隙。 ⑤充分发挥减摩剂的作用，减少土体剪切破坏。 ⑥做好监测丁作，对于在沉降槽内的重要管道应作直 接的管道沉降观测。 ⑦必要时，也可考虑事前对在沉降槽范围内的管道土 体进行加同。 参考文献 ［１】柳金海．不良条件管道工程设计与施工手册［Ｍ】．中国物 价出版社．１９９２．１１． 【２】唐益群，等．软土环境．Ｙ－程地质学ｆＭ】．人民交通出版社， ２ｏ０７．６． ［３】 郑必勇，史娟．地铁施工中的风险浅ｉｘ［ｊ］．江苏建设监 理，２０１０（１１． 【４】 解放军理工大学桥梁教研室监测中心．洪武路过街道 建设资料．２００１．１２． 【５】ｓ．铁摩辛柯．材料力刳Ｍ］．科学出版社，１９７９。１０．