注漿作用下混凝土頂管頂力影響因素數值研究

(中冶沈勘工程技術有限公司 遼寧 沈陽 110169)

一、引言

隨著頂管技術的進步，頂管工程向著頂進距離長、頂管直徑大的方向發展，在這類頂管工程中，注漿工藝已成為很關鍵的施工工藝，良好的注漿效果能夠較大程度的減少管周摩擦阻力，降低主頂壓力，使頂管頂進過程得以順利進行，而注漿效果與注漿壓力、注漿速度和泥漿套厚度有很大關系。國內外專家對注漿減阻技術也有很多的研究。Haslem[1]研究表明觸變泥漿具有較好的膨脹性、封閉性。低滲透性，能夠在土層與頂管之間形成泥漿套，可較大程度地降低管周摩阻力；喻軍[2]通過室內試驗研究泥漿的微觀結構組成與頂管力的關系，優化泥漿的配置和頂管的施工工藝，得出結論泥漿套的形成可以降低管土間摩擦系數為原來的0.28倍左右；張立新[3]結合工程實例，表明大直徑長距離頂管的成敗一個重要因素在于注漿減阻效果的好壞，應合理布置注漿系統；李萬才[4]對注漿原理、注漿工藝進行了系統的闡述和討論；張龍[5]結合實際工程對注漿工藝作了改進，計算表明改進后的注漿工藝比常規的注漿工藝要好；肖世國[6]采用室內試驗對管幕內頂進箱涵時其表面摩擦系數進行了試驗研究；李方楠[7]等針對施工影響因素，提出了考慮注漿壓力的頂管施工的地層移動的計算方法，結果表明考慮注漿壓力的影響可以得到與實際變形更為接近的計算結果，此外，考慮注漿壓力可以解釋實測位移中的隆起現象。

上述已有研究對頂管注漿工藝進行了試驗研究、理論分析，但研究側重于注漿工藝的改進、室內試驗，對于頂管施工中的注漿作用研究主要集中在泥漿的填充與減阻作用，缺少對于注漿壓力支護作用的定量研究。本文在沈陽五愛變進線頂管隧道工程實例基礎上，通過有限元模擬對注漿壓力、注漿時間效應、泥漿套厚度及注漿不均勻性四種因素對頂力的影響規律進行研究，以期為類似頂管工程提供參考和依據。

二、有限元分析方法

(一)有限元模型建立

頂管頂進過程為三維問題，根據工程實際參數，確定混凝土頂管外徑為4.2m，管厚度為0.32m，每節管片長為2.5m，地表到頂管中心的距離為13m。土體彈塑性本構模型為摩爾庫倫模型。有限元模型建立如圖2.1所示：

圖1 有限元計算模型

(二)模型計算參數

土體及頂管模型基本力學參數如下表：

表1 材料力學參數

注：砂性土的粘聚力為0，這里為了便于模擬計算，將其設為3KPa。

三、工程實測與有限元結果對比分析

(一)注漿壓力對管周摩阻力的影響分析

為了更直觀地研究注漿壓力對管土之間摩阻力的影響情況，進一步探究注漿壓力對頂管頂力的影響規律，在模擬頂管頂進過程中分別在混凝土頂管與周圍土體之間施加注漿壓力p=0、0.2、0.4、0.8、1.0、1.2MPa進行模擬，模擬結果如下：

圖2 不同注漿壓力下管周摩阻力云圖

由圖2可知，在頂管不注漿的情況下，管周摩阻力的最大值為348kPa，當頂管開始注漿后，隨著頂管注漿壓力的增大，管周摩阻力持續降低，且降低的幅度逐漸變小。這是因為由于泥漿的存在，頂管與土體之間的硬摩擦會由于泥漿的存在變為濕摩擦，減小了管土之間的摩阻力。當注漿壓力繼續增大，泥漿會充滿頂管與土體之間的空隙，進而在頂管的外圍形成一個較為完整的泥漿套，則接下來注入的泥漿會由于自重的作用流到管道底部，隨后向上漲，頂管的有效重量將會變小。頂管在這樣的泥漿套包圍中頂進時，其受到的摩阻力繼續降低。但當注漿壓力為1.2MPa時，管周摩阻力反而有所上升，這印證了注漿壓力對頂管頂力的影響較為明顯的推斷。因此在頂管頂進過程中注漿壓力過大并不能起到良好的減阻效果，應將注漿壓力控制在合理的范圍內，沈陽五愛頂管工程中，注漿壓力的平均值為0.6MPa，可知此時的注漿壓力能夠有效降低管土之間摩阻力。

(二)注漿時間效應對管土摩阻力的影響分析

在長距離頂管工程中，由于泥漿層自身的觸變性或者施工停頓的影響，會出現離頂管機較近的注漿層所受的擾動較大，彈性模量較小，而遠離開挖面的注漿層所受的擾動較小，彈性模量較大，本文將這種現象稱為注漿層的時間效應。

為了研究注漿時間效應對管土之間摩阻力的影響情況，本節通過改變不同頂距處的泥漿壓力、泥漿彈性模量來實現模擬。選取的注漿層參數如下：與頂管機尾的距離分別為小于等于4m，4至8m，大于等于8m，注漿壓力分別為0.2、0.4、0.6MPa，彈性模量分別為30、40、50MPa。模擬結果如下：

圖3 兩種情況下土體摩阻力對比云圖

由圖3可以看出，考慮注漿時間效應的土體摩阻力最大值為2.86×105KPa，不考慮注漿時間效應的土體摩阻力最大值為2.72×105KPa，兩者之比為1.05。這說明在實際頂管工程中，當出現泥漿本身結構的改變時，頂管與土體之間的摩阻力將會增大，出現這種現象的原因主要有兩個：一是膨潤土經加水攪拌后成為懸浮液，當膨潤土懸浮液靜止時候，薄片狀的蒙脫石微粒會由分散狀經過絮凝形成凝膠體，而此時泥漿的主要作用是支撐頂管周圍的土層，導致重新頂進時泥漿起到的減摩效果并不是很理想。二是由于土間摩阻力的大小除了與管土間接觸壓力和摩擦系數有關外，還與泥漿靜剪力的大小成正相關，隨著施工停頓導致泥漿靜置時間的增加，泥漿的靜剪力也會相應增大，從而引起管土間摩阻力增加。

四、結論

本文采用數值模擬方法模擬在注漿條件下混凝土頂管在砂性土層頂進過程中，由于頂管注漿參數的改變和施工工藝兩方面的影響情況下引起管土間摩阻力值的變化情況。將對實際頂管工程具有重要的參考價值，得到的結論如下：

(1)隨著注漿壓力的增大，管土間摩阻力值注漿降低，但當注漿壓力增大到一定程度后，頂管摩阻力不再降低，反而會增大。通過模擬對比可以得到注漿壓力介于0.6～1.0MPa之間時，注漿效果良好，此最佳范圍驗證了沈陽五愛頂管工程中所采用的注漿壓力0.6MPa是可行的；

(2)在長距離頂管工程中，當考慮注漿時間效應時，管土間側摩阻力有所上升。通過計算，在頂管沿線過程中考慮注漿時間效應時的管周摩阻力為不考慮注漿時間效應時的管周摩阻力的1.46倍。因此在工程實際中，應及時進行二次補漿，同時也應盡量避免出現施工停頓。