长距离湖底顶管穿越软土地层 稳定性研究

1 工程概况1.1项目概况昆明主城区污水处理厂尾水外排及资源化利用建设工程（二期）泵站至11#工作井顶段全长1188m。

设计为钢筋混凝土顶管，管节内径4.0m，外径4.7m，是本工程也是西南区域目前单顶距离最长、管径最大的顶管工程。

本顶段长1188m，主要为水下顶进，水下顶进长度为1093m，管顶覆土为9.64～10.76m；陆上顶进长度为95m，管顶覆土为12.15～12.46m，位于泵站接收井一端。

1.2土质分析本顶段管道穿越地层主要为②B3淤泥质粉质粘土层，部分穿越②B4粉土层、②B4淤泥质粉质粘土层及②BN泥炭质土层。

泥炭质土具有含水率高，地基承载力低的特点。

管道穿越泥炭质土层有3段，其中K5+548.2～K5+608.7段60.5m 和K5+662～K5+720.5段58.5m两段泥炭质土位于管道下部，K5+992～K6+222段230m一段泥炭质土位于管道中下部②B3层淤泥质粘土层，灰色，土质不均匀，局部夹粉土，压缩性高。

含水率为37.7%～67.1%，孔隙比为1.013～1.870，地基承载力特征值为50kPa。

②B4层粉土层，灰色，土质不均匀，局部夹粘性土，压缩性中等，密实度松散。

含水率为18.3%～41.8%，孔隙比为0.537～1.234，地基承载力特征值为65kPa。

②B5层淤泥质粉质粘土，灰色，土质不均，局部夹粉土，流塑状，压缩性高。

含水率为34.2%～ 74.1%，孔隙比为0.943～1.909，地基承载力特征值为50kPa。

②BN层泥炭质土层，灰黑色，土质不均匀，含有大量有机质，局部夹粉砂及泥炭，压缩性高，含水率高，地基承载力低。

含水率为72.4%～375.6%，孔隙比为1.903～7.449地基承载力特征值50kPa。

表1 土层物理力学性质指标统计表在滇池水域内，因河流分支多，易形成相对封闭的水域，气候利于湿生植物生长。

经过漫长的地质作用，从而产生泥炭土层，它具有大孔隙比，含水量高，高压缩性及呈多级团粒结构等特点。

1.3工程难点泥炭土对顶管主要有以下几方面影响：（1）地基承载力低。

泥炭土因其大孔隙比、高压缩性、含水量高等特性，承载力极低。

（2）易造成不均匀沉降。

泥炭土经过湖水冲刷沉积，空间上分布差异明显，在顶管范围内，承载力均有不同变化，易造成管道不均匀沉降。

（3）施工困难。

位于滇池底的泥炭土层，地下水位高、土层厚度较大，这就给顶管带来很大困难，顶管机头上方易出现塌方。

且在高水位情况下，对顶管机头、管道密封性要求也极高。

因为泥炭土的上述特性，在顶管施工过程中，易造成以下不利影响： 1）承载力低，无法为顶管机提供足够的纠偏反力，易造成顶管机方向难以控制，最终使管道失稳。

2）在管道运营阶段，管道容易发生沉降，甚至脱节，造成工程事故。

2 长距离顶管过程中的稳定分析由于土体存在不均匀性，在管道顶进的过程当中，会发生不同程度的扰曲[2]，这主要是由顶管入不同硬度的土层时受到了不均匀压力所导致的后果，然而这种扰曲所产生的位移一定程度上影响了管体的整体稳定。

顶管在正常顶进情况下，顶力基本维持在一定范围内。

通过实践表明，管顶接触压力对顶管阻力影响较大，其次是管底，管道两侧接触压力影响最小。

注润滑浆对降低管道的接触压力较明显。

通过对顶管管土受力进行分析表明：①管道在对角作用力下，会产生转动力矩，使管道端部发生侧向位移②当管道端部最大反力超过土体承载力时，土体产生破坏，使管道产生较大转动；③在顶进力作用下，因一节管道的转动而使相邻管道也产生转动，最终造成整个管道偏斜，甚至整体失稳。

当管道失稳时，接头处可假定为铰接，通过对曲线顶管过程中管土相互作用的分析，建立第一节管和后续管道的受力模型，采用考虑位移的土压力计算方法计算环向土压力，推导出最大土体反力计算式；当该值大于被动土压力时土体发生破坏，管节偏离轴线产生失稳。

针对泥炭土体的特性，顶进穿越该土层时，需注意机头后方管道的运转方向，及时对机头方向进行校正。

另一方面，还需增加管道的连接刚度，具体扰曲原因的计算模型如图1所示。

图1 顶管长距离顶进模型因此，在软弱土层中顶进时，顶管的管节较长时对周边土体的影响就越小；上浮与下沉的幅度有所降低，管节之间就不容易出现相对转角。

管径小的时候也会提高管体的稳定性，减少对周边土体的扰动，因此也能提高整体稳定性。

当顶管的埋深较深时，强大的地应力会箍住管体的运动方向，因此不容易失稳。

3 稳定性计算分析（1）采用PLAXIS软件对过草海管道运营阶段不同土层断面的管体沉降以及管体力学进行了定量分析。

表2 土层参数表（2）建立模型图2 孔隙水压力图图3 有效应力分布图（3）计算结果分析分别对2k14-2k17、2k18-2k20、2k21-2k28、2k19-1k30断面管体运营阶段位移和断面力学进行分析。

本文取2k19-1k30断面为例。

图4 初始沉降图（2k19-1k30断面）从图4可以看出，此段顶管在运营后，管体周围土体的最大瞬间位移值达到41.40mm。

图5 土体位移矢量图图6 管道位移图从图5、图6可以看出，在土体围压和内部水体的作用下，管体的最大位移发生在管体底部，32.26mm。

图7 管壁轴力图图8 管壁剪力分布图图9 管壁弯矩图从图7—9中可以看出管体受到的最大压力、最大剪切力、最大弯矩分别为48.78kN.m、39.74kN.m、47.72kN.m。

（4）分析结论1.内径4m顶管在顶进过程中，洞口顶部以及洞孔底部的土体影响较大，会产生不同程度上的塌陷，因此需要采取一定的措施控制土体的沉降，待机头进入管道后，后续顶进管节对周边土体的扰动逐渐消失，土体内部孔隙水压力恢复平衡。

2.通过对比分析不同管径管体顶进过程中对周边土体的扰动以及自身结构的纵向转角，可以判定相同管节长度的顶管，半径越大的管体在顶进过程中对自身的稳定性越不利。

3.通过对比分析不同管节长度管体顶进过程中对周边土体的扰动以及自身结构的纵向转角，可以判定相同半径的顶管，管节长度越长，自身的刚度越大，在管体径向产生的不均衡力越小，管体越稳定。

4.通过定性分析可知长距离顶管在顶进过程中要密切关注穿越不同土层带来的整体失稳，及时调整机头前进方位，尽量加大管体的整体刚度，加强管节之间连接，降低因管节之间的夹角带来的局部失稳的可能性。

5.由于土壤的不均匀性，顶管过程中会发生不同程度的扰动，这主要是由于顶管进入不同硬度的土壤层时压力不均匀所致。

这种扰动引起的位移在一定程度上影响管体的整体稳定性，可以采取某些措施来增加管体的整体刚度，或者可以采取某些措施来加固土体，以减少由位移差异引起的不稳定现象。

4 管道失稳防治措施4.1 管道拉结在运营过程中，长距离管道跨越不同地质区域，有可能产生不均匀沉降，从而使管道接口受弯，致使接口发生拉力破坏。

在施工过程中，为抵抗该拉力，常采用螺栓将相邻管道接口进行连接。

具体连接方式是：在管道内壁预先埋设钢板，然后用螺杆、螺栓连接，设置限位挡，通过螺杆与螺丝松动，允许产生一定范围的相对错动，阻止相邻管节分离。

图10 管道拉结示意图（1）在管道两端各预埋8块200mm*200mm*20mm的钢板，并焊接钢牛腿。

（2）用Φ28-Φ32mm螺栓进行拉结。

（3）螺栓连接的变形验算相邻管节发生沉降变形时，在最不利情况下，在螺栓连接处发生伸缩，管体绕中心线旋转。

此时螺栓能提供的抗力为极限抗力。

Q235的设计抗拉强度为215N/mm2，在管道下半部设置4组螺栓（共4根），提供的设计拉力为：N=4×3.14×42×215÷4=10801.6kN设计抗弯力矩为：M=3.14×42×215×（3.7×2+1.5×2）×1÷ 4=28084.16kN*m[5]4.2 纠偏措施因泥炭土含水量高、高孔隙比、压缩性大、地基承载力低等特性，无法为纠偏提供足够的反力，导致顶进方向难以控制，可能造成顶管失控。

（1）顶管过程中绘制顶管机的水平与高程轨迹、顶力变化曲线、管节编号图，随时掌握顶进方向和趋势。

（2）在顶进中出现偏差及时修正，将偏差控制在尽量小的范围内。

（3）纠偏操作遵循“勤纠微调的原则”，采用小角度纠偏方式。

纠偏方法有：①利用顶管机纠偏油缸纠偏。

顶管过程中通常用顶管机四组纠偏油缸改变顶管机的姿态来校正顶进方向。

纠偏操作应采取“勤纠少纠”的原则，即多次操作、小幅度校正。

纠偏油缸每次伸缩动作不应超过±10mm。

纠偏角度不应超过1.3°。

②采用特殊管节进行纠偏。

在机头后方设置1#-3#特殊管节，就是在管子端面预留8个凹槽（见图11），在凹槽内安置80t千斤顶，利用千斤顶进行辅助纠偏。

当顶管机自身的纠偏动作效果不佳、偏差数值急剧发展时，启动纠偏特殊管。

图11 纠偏千斤顶安装示意图4.3 管底注浆加固为确保管道在运行期间不出现沉降，顶进完成后，必须对管道下部土壤进行压密注浆，需加固的范围见图12：图12 管底加固范围示意（1）施工工艺1.在每节管道底部留设4个注浆孔，在需加固区域逐跟进行注浆。

为避免相邻两孔窜浆，注浆顺序为先下部，后上部，对孔注浆。

2.在管道上部设置封浆板，厚度80mm-100mm，第一次注入浆液初凝后，然后进行二次注浆，确保注浆质量和效果。

3.注浆流量可控制在10～15L/min范围。

4.注浆量控制在每立方土体浆液注入率为18%-20%。

图13 压密注浆工艺图（2）施工方法1、注浆采用单管静压注浆进行加固处理，施工工艺流程如图13所示。

2、用沉管器在预先埋设好孔位中，将带活络堵头的压浆管振动至设计标高用，遇障碍物先用钢钎引孔,不通再位移200mm～300mm重新沉孔。

3、注浆前对注浆孔按顺序编号，施工时逐孔记录完整，防止漏注。

4、浆液配置：采用水泥浆、水玻璃双液注浆，其中水泥浆与水玻璃的体积比为1:0.3。

注浆水泥量350㎏/m³,水灰比0.5。

5、首先在压浆管上装好球阀，球阀呈工作状态。

然后将注浆管预拔500mm，再开启浆压泵进行吸收、输浆。

通过高压管将浆液压入注浆管内，此时应配合调节注浆压力、流量，以便浆液顺利压入土体内。

在每一压浆段内灌入一定预估的浆量后，应停止压浆，关闭球阀。

接着压其它注浆点。

待其浆液稳定（一般20分钟）后，再把注浆管提起50厘米。

再压浆，稳定，拔管至设计标高。

6、压浆时应注意是否冒浆，一旦发现冒浆，应立即停止压浆，待稳定一下，水泥浆初凝后方可再次压浆。

注浆管统一采用1500mm长钢管，用丝扣连接牢固，使用完用清水清洗干净防止堵塞。

7、最后拔管前，应在注浆的同时，关闭注浆管上球管阀，然后拔出注浆管。

8、注浆完工后立即用丝堵将注浆孔封堵。