随着城市的深度开发，对历史建筑保护区、部分中心商务区与住宅小区等典型区域既有建筑地下空间进行开发的需求越来越多。在人口密集区，新建建筑物通常需在围护桩施工完成后才能开挖基坑，以充分利用地下空间 ^[1]。不同形式的桩基施工对周围环境的影响不同，Hwang等 ^[2]通过打入桩试验研究超孔隙水压、侧向地层变形、竖向地表位移等随施工过程发生的变化规律;Yang等 ^[3]通过H型钢桩现场试验研究超孔隙水压随桩入土深度的变化规律及其对邻桩的力学影响;赵春风等 ^[4]研究中掘法预应力管桩在软土地区沉桩过程中沿水平方向及深度方向的挤土规律;宋宁等 ^[5]通过现场试验对比布袋桩复合地基与旋喷桩复合地基深层沉降和水平位移等相关数据，确定2种复合地基方案的技术效果相近;邓灿等 ^[6]结合工程实例介绍静压植桩技术在城市水环境综合治理雨污分流管网改造钢板桩施工中的应用。

　　 但在城市建筑物密集区低净空 (高度≤4m) 环境下，上述常规成桩方法受施工环境的影响较大，且施工作业引起的噪声、振动和挤土效应等环境病害不可避免。在未提前采取防备措施的情况下进行高水头承压水地层钻孔灌注桩施工时，承压水易涌出孔口，夹带的泥砂、卵砾石等将流入孔内，从而造成孔内坍塌以致无法成孔 ^[7]。

　　 顶管桩将钻孔灌注桩和压力平衡式顶管技术相结合，可满足低净空、大深度、复杂地层成孔要求，控制土体变形能力强，特别适用于环境敏感区域的桩基施工。为掌握上海典型软土地层条件下顶管桩施工对周围土体扰动的影响规律，特进行现场试验，研究存在既有建筑时顶管掘进、机头回收和混凝土灌注成桩等施工工艺对桩周土体的扰动规律。

　　 本次顶管桩实际成桩深度为31m，成桩设备选用1 000机头可回收式顶管机，主要由3个行星式切削刀盘、外壳体、动力马达、3个固定撑靴和进出浆泵组成。其中，撑靴安装于固定油缸组端部，可通过油缸伸出和回缩实现机头和外壳体的固定与分离。本次试验采用自主设计的垂直顶进装置，其工作原理和施工速度与静压植桩机相似。钢管节外径与外壳体相同，壁厚20mm，管节长1.5m，两端分别设置承插口和企口，现场可通过全周焊接实现与机头外壳体的顺次连接。

　　 试验现场如图1所示，试验平台 (5.0m×10.0m) 采用C35混凝土浇筑 (深1.2m，总重150t) ，以模拟既有建筑结构底板并提供充足的顶进反力。预埋内径1 030mm、壁厚20mm的钢护筒，以确保顶管机精确始发。启动顶管机刀盘至转速均匀后打开进、出浆泵进行顶管顶进，待步进式油缸伸至最大行程后，解开油缸和压板间的卡环，油缸回缩至行程为0时，锁紧卡环，继续顶进;顶进至设计深度后向上提拉机头20cm左右，向桩内注满泥浆后提拉机头离开地面;通过浆管向桩内灌注混凝土，成桩结束。成桩设备和施工工艺详细信息可参阅文献[1]。

　　 顶管桩施工场地位于上海典型软土地层，桩底位于 (7) _1-2粉砂层，该土层为主要桩基持力层。土层自上而下分别为 (1) ₁填土、 (3) 淤泥质粉质黏土、 (4) 淤泥质黏土、 (5) _1-1黏土、 (5) _1-2粉质黏土、 (6) 砂质粉土、 (7) _1-2粉砂。

　　 为研究顶管成桩对桩周土体扰动的影响效应，本次顶管桩试验监测土体地表沉降、桩周土体水平位移、桩周土体竖向位移和深层土体竖向位移，测点布置如图2所示。其中，地表沉降测点距地面2m，土体测斜管径向距桩周1m，土体竖向位移测点分别距地面10, 15, 21, 27.5m，深层土体竖向位移测点距地面30m。地表沉降和深层土体竖向位移分别采用钢筋标杆和沉降标并配套水准仪进行监测，土体水平位移和竖向位移分别通过测斜仪和磁环法获得。

　　 单个管节竖向顶进引起的地表沉降普遍呈“中间 (距管桩中心左、右2～3m) 凹、两边凸”的M形分布，但又有所不同，可分为以下2类: (1) 顶进至深度10m时，3个监测断面均表现为“中间隆起小、两侧隆起大”的形式 (见图3a) ;顶进至深度31m时，3个监测断面均表现为“中间沉降、两侧隆起”的形式 (见图3b) 。分析原因有以下4点: (1) 切削断面直径略大于管节外径，形成建筑空隙; (2) 顶进排浆后钢管节虽对孔壁周围土体进行位移限制，但钢管节 (尤其在焊接等薄弱处) 在水土压力作用下仍发生变形; (3) 千斤顶顶进过程中顶力固定，覆土较浅时顶进力大于桩底水土压力; (4) 实际顶进速度根据出浆效果进行调整，刀盘面板跟进能力和排浆造成的前方地层损失未能真正同步，以上4种因素在整个顶进过程中形成耦合效果。由图3可知，整个顶进过程中，单个管节顶进造成的土体沉降增量≤1.5mm，土体隆起≤1.0mm。

　　 机头回收后沉降增量较大值位于断面3处，约为2.0mm。机头回收虽为整个施工过程中对地表扰动最危险的环节，但量值较小，处于可控状态。与机头回收相反，桩身回灌混凝土后，钢管节恢复部分变形，且混凝土重度大于土体重度，使得桩底混凝土压力明显大于土体水土压力。由于机头回收引起的桩底回涌在混凝土灌注时得到恢复，地表整体表现为隆起，最大隆起增量 (1.52mm) 位于断面2左侧。最终，地表最大沉降值为0.73mm，位于断面1右侧，最大隆起值为1.32mm，位于断面3右侧。根据成桩施工经验，本次顶管桩地表最终隆起、沉降值均较小，表明顶管桩应用于上海典型软土地层时对地表沉降具有良好的控制能力。

　　 桩周土体水平位移 (测斜) 是反映挤土效应最为直接的数据之一。传统压桩时桩周土层将被压密和挤开，从而使土体发生竖向隆起和水平移动，位移过大时将引起邻桩上浮、桩位偏移和翘曲，甚至折断 ^[8]。

　　 顶进至特征深度 (10, 16, 20.5, 25, 28, 31m) 及特征工况 (机头回收、混凝土灌注成桩) 时桩周土体径向水平位移如图4所示。

　　 Hwang等 ^[2]研究的锤击桩和周火垚等 ^[9]研究的饱和软黏土地基中静压管桩试验发现，桩周土体径向水平位移整体上沿深度表现为“上下大、中间小”的马鞍形分布。本次顶管桩试验测得的土体径向水平位移沿深度方向分布规律与以上研究结果明显不同，但与雷华阳等 ^[10]在吹填土地区PHC管桩沉桩试验中得到的结果类似，但又存在差异。不同的是，文献[10]中因受地表厚约2m硬壳层的影响，土体水平位移沿桩长范围内总体呈“上下较小、中上部较大”的趋势。而上海软土地层桩深范围内土层整体刚度较小，不会因土层间软硬差别较大引起水平位移局部突变，整体上沿深度方向呈“上大下小、多次转折”的趋势，桩深范围内土体径向水平位移随着顶进深度的增加而增加。与文献[10]相似，由于受土体分层和深度的双重影响，当深度较小时，分界面J1～J3处土层间黏结能力有限，其刚度较土层更小，故分界面处径向向外水平位移较大;当深度较大时，由于上覆竖向水土压力作用增大，分界面J4～J6处径向水平位移明显减弱。另外，由于土体相对运动，非分界面处土体有主动沿桩径向向内运动的趋势，故形成多次转折。

　　 顶管机顶进至特征深度31m时，整桩范围内土体径向向外位移，最大径向水平位移 (3.3mm) 位于地表;机头回收后，最大径向水平位移 (3.1mm) 仍位于地表，与顶进完成时相比，最大径向水平位移不增反而略降，土层分界处水平位移增幅有限 (约0.1mm) ，说明机头回收对桩周土体径向水平位移的影响较小;混凝土灌注成桩时，钢管节恢复内压后恢复一定变形，桩深范围内径向水平位移略有增加，最大径向水平位移 (2.97mm) 位于分界面J2 (埋深11.5m) 处。机头回收和灌注成桩后的土体水平位移在8m深范围内略有差别，深度>8m时二者接近，说明灌注成桩影响范围为近地表。综上可知，顶管桩应用于上海软土地层时，可用于桩间距较小的群桩工程或密排桩工程，施工引起的挤土效应对邻桩桩体倾斜和断裂的影响极小。

　　 顶进至特征深度 (10, 16, 20.5, 25, 28, 31m) 及特征工况 (机头回收、混凝土灌注成桩) 时桩周土体切向水平位移如图5所示。

　　 切向水平位移与径向水平位移“土层分界处多次转折”的分布形式一致 (除10m深度外) ，桩深范围内土体分别于分界面Q1～Q5处发生切向向上水平位移，土层中部土体具有切向向下的相对运动趋势。顶进至设计桩深、机头回收和混凝土灌注成桩3种工况下的土体最大切向位移均位于分界面Q1处，分别为3.44, 3.72, 3.73mm。机头回收导致土体切向水平位移稍有增加，而灌注成桩产生的影响不大。

　　 受顶进速度和千斤顶顶力的双重影响，顶管顶进产生的挤土效应还引起土体发生竖向位移。需注意，本次顶管桩试验固定千斤顶顶力，因出浆效果良好，顶进速度随着顶进深度和顶进阻力自动调节，故实际桩周土体竖向位移随着顶进深度的增加波动变化。各深度处测点土体竖向位移曲线如图6所示，由图6可知，各测点竖向位移变化规律可分为以下阶段。

　　 1) 顶进深度为1～4m时，由于机头自重较大，且土层极为软弱，故顶进速度较快，各测点竖向位移随顶进深度呈线性增加趋势。

　　 2) 顶进深度为4～7m时，此时进入土层 (3) ，顶进速度减慢，各测点竖向位移随之减小。

　　 3) 顶进深度为7～10m时，此时进入土层 (3) 中部，顶进过程顺利，顶进速度较快，各测点竖向位移随之增加。

　　 4) 顶进深度为10～11.5m时，顶进速度与阶段3) 保持一致，但土层 (3) , (4) 分界面位于此范围，且测点FC1, FC2距离较近，故二者竖向位移减小，其余测点由于埋深较大仍发生竖直向上的位移。

　　 5) 顶进深度为11.5～19m时，进入土层 (4) ，顶进速度与阶段3) 相同，各测点竖向位移近似呈线性增加，测点FC1埋深相对较小，对顶进深度的增加逐渐不敏感，故斜率相对较小。

　　 6) 顶进深度为19～20.5m时，穿过土层 (4) , (5) _1-1分界面，各测点竖向位移同时发生骤降。

　　 7) 顶进深度为20.5～26.5m时，由于埋深较大，故顶进速度减缓，各测点竖向位移随之减小。其中测点FC1由于埋深较小，对顶进深度已不敏感，竖向位移变化不大。

　　 8) 顶进深度为26.5～31m时，平稳顶进，各测点竖向位移波动不大。

　　 机头回收后桩底略有回涌，各测点均发生沉降，但沉降值较小，说明机头回收对土体竖向位移的影响较小。混凝土灌注成桩后，桩底土体受上覆压力增加的影响，回涌土体部分恢复，由于测点FC1距桩底较远，仍表现为沉降，其余测点土体受挤压发生竖直向上的位移。

　　 机头回收和混凝土灌注成桩对桩周土体竖向位移的影响较小，顶管桩施工造成的土体竖直向上位移最大值约为13mm，竖直向下位移最大值约为8mm，相比其他成桩工法，顶管桩施工对桩周土体竖向扰动的影响较小。

　　 受顶进速度和深度的影响，深层土体沉降随着顶进深度的增加呈不规则、多次起伏变化。至顶进结束，竖直向上位移最大值为0.66mm，发生在顶进深度29.5m处;竖直向下位移最大值为0.92mm，发生在顶进深度13m处，最大值均<1mm，说明顶进施工对桩底土体扰动的影响极小。

　　 机头顶进至设计桩深时，桩底土体竖直向上位移为0.09mm，机头回收后土体沉降显著，竖直向下位移为1.42mm，增量为1.51mm。混凝土灌注成桩后桩底土体竖向位移回弹至向下0.53mm，增量为0.98mm，竖向位移均<2mm，说明机头回收和混凝土灌注成桩对桩底土体扰动的影响有限，施工方法安全可靠。

　　 1) 受建筑空隙、管节变形、顶进压力及顶进速度等因素影响，单个管节顶进引起的桩周地表沉降呈“中间凹、两边凸”的M形分布，机头回收和混凝土灌注成桩引起的地表隆起、沉降符合M形分布。

　　 2) 受土体分层和深度的双重影响，桩周土体径向水平位移整体上沿深度方向呈“上大下小、多次转折”分布，桩周土体切向水平位移呈多次转折的变化规律，数值上反映顶管桩可用于软土地层间距较小的群桩工程或密排桩工程。

　　 3) 由于现场试验固定千斤顶顶力，且出浆效果良好，顶进速度随着顶进深度和顶进阻力自动调节，桩周土体竖向位移随着顶进速度的变化而变化。