关于顶管工程对地面沉降影响的研究
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摘 要 顶管施工是继盾构施工之后发展起来的一种土层地下工程施工方法，它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等，是一种非开挖的铺设地下管道的施工方法。顶管施工具有设备少、工序简单、工期短、造价低、施工速度快、无须开挖面层等优点，因此，这种施工方法在建筑物众多、管线错综复杂的城市里具有突出的优势。但同时，顶管施工由于改变了土体原有的应力状态，就必然会引起被穿越的地层受到扰动和发生地层损失，从而引起地表的沉降或隆起，尤其是在软弱土层、砂土、粉砂及卵石等稳定性差的土层中该现象更为严重。而在城市中，高大的建筑物往往会有较深的基础埋置在土层中，如果顶管施工过程中产生了过量的地面沉降或隆起，这对周围建筑甚至整个城市发展都会带来严重影响。所以，研究顶管工程对地面沉降影响不仅是对顶管施工的工艺完善，更是对城市基础设施建设具有重要意义。
关键词 顶管施工;顶管优点;地面沉降
1 导致地面沉降的原因
顶管施工过程中，导致地面沉降的因素纷繁复杂，但大体可以分为主观因素和客观因素两个方面。
1.1 主观因素
在实际现场施工过程中，顶管顶力值的修正、顶进速度的控制、顶进方向的纠偏等都是需要现场操作人员根据实际施工状况进行修改的，因此在这一过程中，主观因素起到了绝大部分的作用。由于现场操作人员的经验各不相同，因此对于顶力值的修正和顶进速度的掌控也各不相同，极易造成刀盘前方上覆土层出现塌陷或隆起等状况。同时在纠偏的过程中也极易造成顶管侧方土体大量损失而造成的上方土层沉降[1]。
1.2 客观因素
在顶管施工过程中，导致出现地面沉降的客观因素相对比较复杂。其中包括土层地质变化的影响、地下水情况的影响、触变泥浆影响等。土层地质变化主要是指土体受到扰动后承载力的变化和固结情况的变化。土体被扰动后，原有的固结模式受到扰动，原平衡状态也随之被打破，同时管体与土体的剪切作用会造成底层损失。地下水的存在会导致浮力的增大，从而影响顶力值的大小。同时，地下水还会降低土体的承载能力，使土体出现流动等现象，进而导致地面出现沉降。触变泥浆的影响主要体现在注入触变泥浆时的压力对周围土体产生的挤压形变。同时触变泥浆注入过多时，顶管侧壁的摩擦力增大，进而导致顶力值的变化，从而会影响刀盘前方土体的稳定性[2]。
2 控制地面沉降的方法
顶管施工过程中，地面产生的沉降是无法完全避免的，因此，在施工过程中，尽可能小的控制地面产生的沉降量更具有实际意义。控制地面沉降宜早不宜晚，控制方法主要以事前控制和事中控制为主。
2.1 事前控制
事前控制的内容主要包括：工程地质的勘察、顶进线路的选择、特殊的技术措施以及顶管机的选择等。
工程地质的勘察应包括的内容有：详细的了解工程概况、工程地质条件、地下水情况、周围建筑及其基础情况、地下管线的分布等。尽量避免顶进过程中对周围既有管线及建筑物的影响，同时详细掌握施工区域内的地质情况，尤其对于地下水情况的了解，减少突发性地下水对施工的影响。
选择顶进线路时主要应考虑工程地质情况对沉降的影响，应该优先选择土质良好的地段进行施工，同时直线型线路相比于曲线形线路对地面产生的沉降影响更小。此外还应尽可能避开管线密集、周围建筑物较多的区域。
特殊的技术措施是指当地下障碍物较多且清理不会影响建筑物安全时，可为顶管机增加除障功能。
目前主流的顶管机主要包括泥水平衡式顶管机和土压平衡式顶管机，这两种顶管机能普遍适用于各种地质条件，但土压平衡式顶管机在遇到容易产生流沙现象的砂性土时，需要对土体进行改良。因此在选择顶管机类型时，还需要根据当地实际工程地质条件进行选择[3]。
2.2 事中控制
事中控制主要是指在顶管施工过程中，根据地面沉降量监测数据、开挖面前方土压力值、推进速度及泥土出土量参数等数据，尽可能保持顶管保持最佳推進状态。
在顶管推进过程中，施工单位应按时对推进线路周围地面进行实时地面沉降量监测，当出现地面沉降量超出预警值时，应立即停止推进并查找原因，以保证在顶进过程中地面沉降量始终在安全允许范围内。
监测开挖面前方土压力值主要是保证顶管对土体产生的压力与土体自身静止时土压力值相接近，此时周围土体受到的扰动最小，地面产生的形变也最小。而当顶管压力与土体自身静止时土压力相差较大时，则极易造成开挖面的不稳定，导致地面出现隆起或塌陷[4]。
控制推进速度同样是保证减少对土体的扰动情况，当推进速度过快时，土体会被过量挤压，必然会增加对土体的扰动，增大土体的不稳定性。控制泥土出土量是为了控制刀盘前方土压力与土体自身静止时土压力值的相对持平，正常情况下的出土量应是理论出土量的98%～100%。
2.3 地基加固
除以上两种方法外，在控制地面沉降时还可以采用地基加固处理方法。该方法既适用于事前控制也同样适用于事中控制。在选择地基加固处理方法时，应明确地基加固的施工工艺及施工方案等，以保证能够对施工区域的地下管道以及周围的建筑起到有效保护的作用。常见的地基加固方法包括高压旋喷桩、水泥土搅拌桩、跟踪注浆等方法[5]。
3 结束语
综上所述，引起地面沉降的原因有很多，控制地面沉降的问题仍然是整个施工过程中最为重要的一个方面。我们不仅应该在理论上进一步深入研究，更应该加强在实际施工过程中的现场把控，同时提高操作人员的施工水平，另外还应注重事前控制，减少突发状况的发生，优化施工工艺、提高勘察效率、严格把控施工质量安全等，在施工过程中及时了解掌控土层信息、开挖面稳定情况等，做到防患于未然。
参考文献
[1] 王喜桃.顶管施工过程中的地面沉降风险控制[J].工程技术研究，2018，（11）：184-185.
[2] 王伟.顶管施工过程中的地面沉降风险控制[J].江苏水利，2016，（11）：54-56.
[3] 许有俊，王雅建，冯超，等.矩形顶管施工引起的地面沉降变形研究[J].地下空间与工程学报，2018，14（01）：192-199.
[4] 黄福忠.泥水土压平衡钢混凝土企口管顶管工程及沉降控制分析[J].河南建材，2018，（04）：1-2.
[5] 朱剑，李振勇，张泷.复杂环境下大断面矩形顶管法施工过程地表沉降规律及控制措施研究[J].岩土工程技术，2017，31（01）：49-54.
*[项目编号] 本文受吉林建筑大学大学生创新创业项目支持，项目编号2018X1009。
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