頂管施工中土體劈裂產生的機理分析

(1.江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 淮安 223100；2.江蘇洪澤經濟開發區管委會,江蘇 淮安 223100)

由自然因素或人為因素引起的土體劈裂現象早已被了解到，并應用于生產實踐中。由水壓力的升高導致土體中產生裂縫即水力劈裂現象，也已通過改善地層的滲透性[1]，較早地被應用于石油開采、地熱資源開發等行業以提高產量。同時，土石壩的滲漏和破壞與其心墻所采用防滲體的水力劈裂現象也密切相關[2]。隨著注漿技術的發展，土體劈裂被應用到地基處理領域[3-4]，劈裂注漿工法就是用較高的注漿壓力將漿液劈入土層中，從而加固致密土層[5]。本文依據頂管試驗中觀測到的土體劈裂現象，分析和討論頂管施工中土體劈裂產生的機理和注漿條件對它的影響，并給出現場頂管施工以及頂管穿越淺覆土施工的建議。

1 地表冒漿現象

通過頂管試驗發現，在頂管頂進過程中，若漿液流量控制不當，會導致管壁周圍土體壓力過大，當壓力達到一定數值時，頂管周圍土體會產生劈裂。注漿壓力越大，注漿量越多時，裂縫也會變大，甚至發展至地表，使漿液延裂縫流出地表，產生冒漿現象，如圖1所示。

圖1 試驗過程中的冒漿現象

地表冒漿現象說明了試驗中頂管頂進時注漿引起的土體劈裂的存在，也顯示了土體劈裂對頂管施工的危害。注漿時產生的土體劈裂、甚至地表冒漿，不但浪費材料，破壞周圍環境，還減弱了泥漿護套的潤滑效果，影響頂管施工。水下淺覆土頂管施工時，如果裂縫發展至河底，就會導致大量河水灌入，使頂管受浮力作用，甚至導致工程事故的發生。

2 劈裂的機理分析

現場頂管施工中，掘進機開挖半徑略大于頂管管節外徑，多挖土體(很小)將由掘進機管尾注漿填充，并需要在頂進過程中經常補漿。實際上所需的注漿量(體積)遠大于多開挖土體的體積，這個體積差異將造成土體的劈裂現象。頂管模型試驗中，忽略了多開挖土體的影響，更容易出現劈裂現象。

2.1 簡化的劈裂模型

頂管注漿過程中，觸變泥漿在注漿壓力pin和高程差的合力p0的作用下，對頂管管壁周圍土體產生擠壓作用pu，當pu達到周圍土體劈裂壓力pf時，產生劈裂現象，土體出現裂縫，泥漿沿裂縫發展，并使pu降低。注漿引起的土體劈裂對周圍土體破壞較小，并沒有出現明顯的塑性流動，所以分析時仍將土體作為彈性體。

分析頂管注漿引起的土體劈裂時，對理論模型作如下假設：

a.頂管頂進時掘進機對周圍土體的擾動同時包括剪切、擠壓、卸荷等影響，變化較為復雜，分析時忽略這些影響，只考慮注漿引起的土體應力。

b.頂管管壁土體是均勻的連續的彈性體，土體飽和，小變形。

c.觸變泥漿在土中不存在滲透流動，當土體發生劈裂時，泥漿沿劈裂裂縫流動，但不改變土體應力場，且劈裂土體與泥漿混合后可以承載更大的應力。

按上述假設，頂管注漿對土體應力影響如圖2所示。

圖2 頂管注漿劈裂示意圖

頂管頂進時，平均速度約為20mm/min，速度較小，且頂管管壁不直接與土體接觸，故可以忽略剪切力的影響，土體應力主要為σθ、σr。土體彈性模量為E，泊松比μ，上覆土層厚度h。

頂管注漿影響簡化為彈性半無限平面圓孔擴張問題，應力場大于pf區域內土體產生劈裂并存在觸變泥漿。

2.2 模型的解析解

彈性半無限平面圓孔擴張問題的解析解由Verruijt(1998)[6]給出，推導時用復變函數法，即用復數z表示平面上的一點，各處應力可由z平面上的解析函數表示[7]。

式中σx——x軸方向土體應力,MPa；

σy——y軸方向土體應力,MPa；

τxy——作用在垂直于x軸面上且沿著y軸方向土體剪應力，MPa；

Verruijt求解時，首先采用保角映射，將z平面映射到ζ平面，保角映射的公式是:

式中R0——頂管內徑,m；

h——上覆土層厚度,m；

α——由頂管內徑與深度比值定義的參數，α<ζ<1；

ω(ζ)——保角變換函數。

其中α滿足

那么z平面上的解析函數可映射到ζ平面上，即

φ(z)=φ(ω(ζ))=φ(ζ)

ψ(z)=ψ(ω(ζ))=ψ(ζ)

Verruijt給出了兩個應力函數的解答

式中

這樣，就可以得出由壓力p0引起的土體應力變化。

再考慮土體重力造成的初始附加應力，對于深度為d的土體，有

σy0=γd

σx0=k0γd

式中σx0——x軸方向初始土體附加應力,MPa；

σy0——y軸方向初始土體附加應力,MPa；

γ——土的平均重度，kN/m3;

水位線以下土體需減去浮力影響，k0是靜土壓力系數。

2.3 劈裂壓力和危險面

頂管頂進時管壁的摩擦力，由于頂速較慢和觸變泥漿的存在，對土體劈裂的影響較小，故頂管注漿對周圍土體只有延管節徑向的壓力，不存在剪切力，所以土體主要是受拉劈裂破壞[8]。而土體一般不能承受拉力

pu≥σt=0

也就是說土體最大主應力σ1>0處將出現土體劈裂。

按上述假設將土體視為彈性體，那么會導致地表冒漿現象的危險面就是土體的上表面，即地表或者河底處。而實際上根據土體的成分、物理力學性質，可能存在天然的縫隙，增加冒漿出現的可能性，故在計算注漿壓力時，需綜合考慮這些因素，設定地表(或河底)以下一定深度處作為危險面，這個深度應至少大于1m。

3 實例分析

通榆河北延送水工程灌河地涵工程頂管外徑 4.16m，中心高程-15.5m，觸變泥漿壓漿機高程為 4.0m。頂管現場施工時，在灌河河床有一處淺覆土，最淺處覆土厚度僅為 4.6m，土層參數見下表所列。施工存在很大風險，需驗算并選擇合理的注漿方案。

淺覆土地層參數表

計算結果如圖3～圖6所示。

圖3 注漿壓力 0.10MPa時頂管軸線上方土體應力

圖4 注漿壓力 0.15MPa時頂管軸線上方土體應力

圖5 注漿壓力 0.20MPa時頂管軸線上方土體應力

圖6 不同注漿壓力下土體劈裂區域

圖3～圖5給出了頂管軸線上方土體在不同注漿壓力下不同深度的應力大小，x方向是壓力，y方向以拉力為主，剪切力相對較小，這也可以說明土體劈裂是受拉破壞。隨著注漿壓力的增加，σy也在變大，土體劈裂范圍也會變大。

注漿壓力分別為0.10MPa、0.15MPa和0.20MPa時土體劈裂范圍如圖6所示，若取河床以下1m處為危險面，可以看到，注漿壓力應不大于0.15MPa。

4 結 語

頂管中泥漿護套可以顯著地減小頂管施工中所需的頂力，使長距離頂管順利施工。但泥漿護套在注漿過程中不可避免地會對周圍地層施加一個膨脹力，膨脹力的大小與漿液的濃度、注漿量相關。漿液濃度大，則漿液流動性越差，注入壓力增大；漿液濃度小，流動性好，注入壓力減小，但流量可能會增加。

漿液注入產生的膨脹作用力有可能使周圍地層產生劈裂現象。當頂管上覆土層厚度較小時，地層裂縫可能會延伸到地表，從而產生地面冒漿現象。水下淺覆土頂管施工時，如果出現冒漿，將會對施工和環境造成不良影響，河水會通過裂縫灌入泥漿護套，不僅破壞泥漿護套的形成，還會對頂管管節施加上浮力，破壞頂管施工。因此頂管穿越淺覆土施工時，建議采取如下措施：

關閉頂管上部兩個注漿開關，防止上部土體劈裂；增大注漿壓力，但最大壓力應小于周圍土體的劈裂壓力，劈裂壓力可以計算，給出頂管過淺覆土施工時的最大注漿壓力，為0.15MPa。