張明磊 隆 威 王李昌

（中南大學(xué)，地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室〈中南大學(xué)〉，湖南 長沙 410083）

0 引言

頂管施工技術(shù)是緊隨盾構(gòu)施工技術(shù)興起的一種地下管道施工類型。 此種方法不必開挖面層,而且能夠穿越山地，河流，道路，建筑，以及各類地下管線等，在我國各地已經(jīng)逐步普及應(yīng)用, 用于頂管施工的設(shè)備也越來越先進。 近十年來,隨著市場建設(shè)規(guī)模逐漸擴大，各類建筑也越來越多, 對環(huán)境保護、 生態(tài)文明的要求也越來越高， 管線明槽開挖施工縮短道路使用壽命、影響附近居民生活、破壞周邊生態(tài)環(huán)境，給人們的生活、工作帶來諸多不便； 而埋深較大的管道采用明挖法施工不僅影響環(huán)境， 還存在技術(shù)難度大、 施工成本高等缺點與不足。 在管道建設(shè)項目中,頂管施工技術(shù)己被廣泛應(yīng)用。 但在實際設(shè)計施工過程中,由于受到復(fù)雜多變的地理條件等因素的影響,存在諸多技術(shù)問題,尚須結(jié)合實際進行更多的完善與研究, 使其更好服務(wù)生產(chǎn)和指導(dǎo)施工[1]。

本文以烏蘭布和生態(tài)沙產(chǎn)業(yè)示范區(qū)建設(shè)的重要引水工程為例，應(yīng)用FLAC-3D 軟件對頂管施工過程中的狀態(tài)進行模擬， 研究在頂進過程中漿液形成泥漿套的問題。

1 頂管施工模型的建立

FLAC-3D 是一款國際通用的巖土工程專業(yè)分析軟件， 其具備廣泛的模擬能力和不俗的計算體系。 軟件涉及到了針對巖土體和建筑構(gòu)件的大量的結(jié)構(gòu)單元和本構(gòu)模型， 保證了其在巖土工程模擬上的專業(yè)性，因此被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的模擬試驗研究中。 本文所用為FLAC-3D 軟件5.0 版本。

應(yīng)用FLAC-3D 軟件建立計算模型時，需要考慮的是所建模型的幾何條件與物理條件要與頂管施工狀態(tài)盡量貼合，除此之外還應(yīng)優(yōu)化模型，提高計算效率。 確定模型范圍， 通過計算截取施工部分作為研究對象。軟件其內(nèi)置的有多種網(wǎng)格生成命令， 選取適當(dāng)?shù)淖鴺它c開始建立網(wǎng)格模型[2]。 網(wǎng)格模型分為6 部分，分別為（1）施工周圍土層、（2）護壁泥漿套、（3）鋼筋混凝土管道、（4）刀盤、（5）施工前端土層、（6）開挖土層。

應(yīng)用網(wǎng)格生成命令， 分別建立6 個分組來實現(xiàn)網(wǎng)格 模 型 的 6 個 組 成 部 分 。 截 取 三 維 立 體 內(nèi)10m*8.5m*10m 大小的范圍為本次研究的范圍，整個模型共計6.2 萬個網(wǎng)格，模型結(jié)果如圖1 所示。

圖1 頂管工程模型示意圖Fig.1 Sketch of matrix of Pipe-Jacking

2 頂管施工模型的本構(gòu)模型選取

巖土工程數(shù)值分析和數(shù)值模擬最重要的就是巖土體的本構(gòu)關(guān)系， 其精度很大程度上是由本構(gòu)關(guān)系的合理性和適用性所決定的。 土體的構(gòu)成常常不是單一而是復(fù)雜的，為了反應(yīng)土體真實的物理力學(xué)狀態(tài)，絕大多數(shù)時候需要建立比較復(fù)雜的本構(gòu)模型， 但是在實際模擬過程中， 精度達到一定條件時， 又要求本構(gòu)模型簡單實用。

目前應(yīng)用最廣的有Duncan-Zhang 模型、Druck-er-Prager 模 型、Mohr-coulomb 模 型 等， 其 中Mohr-coulomb模型具有既能反應(yīng)巖土體材料抗壓強度不同的S-D效應(yīng)， 又簡單實用， 材料參數(shù)可通過不同的常規(guī)室內(nèi)實驗方法測定， 故而是最通用的巖土體本構(gòu)模型。 本文中的土體及護壁泥漿套的本構(gòu)模型即采用Mohrcoulomb 模 型[3]。

本工程管道全程穿越無水砂層。 蔣曉星等[4]研究了風(fēng)積沙的特性及應(yīng)用；劉紹寧等[5]對風(fēng)積沙土工程特性進行了研究；袁玉卿等[6]針對風(fēng)積沙壓實特性進行了試驗研究；包建強等[7]針對內(nèi)蒙古沙漠地區(qū)風(fēng)積沙本構(gòu)模型進行了研究， 給出了部分風(fēng)積沙物理力學(xué)性質(zhì)的合理取值。

觸變泥漿不受擾動時呈凝膠狀態(tài)， 受到外力作用后變成溶膠， 再靜置一段時間后恢復(fù)成凝膠狀態(tài)。 它在長時間靜置時也不發(fā)生聚沉和離析現(xiàn)象。 在擾動時具有足夠的流動性， 即觸變性。 觸變性是施工過程中泥漿能發(fā)揮作用的基本因素。 在與外界土層接觸處，泥漿向土層內(nèi)滲透， 這將使其失去部分水分而變稠，靜切強度增加， 形成一層薄而堅韌、 不透水的固體顆粒膠結(jié)物，即泥皮。

本文通過查閱資料，再結(jié)合本工程實際，對工程樣本進行室內(nèi)試驗， 最終確定模型取值。 無水砂層和護壁泥漿套部分取值如表1 所示。

在FLAC-3D 中各向同性彈性模型提供了最單一的材料性質(zhì)表述， 模型適用于應(yīng)力－應(yīng)變特性呈線性關(guān)系的無卸載和滯后現(xiàn)象的均質(zhì)、 各向同性、 連續(xù)介質(zhì)材料。 模型中的鋼筋混凝土管道和刀盤部分， 其材料的剛度遠大于土體和護壁泥漿套， 故而可將其看做彈性材料， 本構(gòu)模型選用各向同性彈性模型。 鋼筋混凝土管道與刀盤模型取值如表2 所示[8-9]。

表1 無水砂層與護壁泥漿套本構(gòu)模型取值表Table1 Value table of constitutive model of anhydrous sand layer and protective mud screen

表2 鋼筋混凝土管道與刀盤本構(gòu)模型取值表Table2 Value table of constitutive model of concrete reinforced pipe and cutterhead

3 頂管施工模型的計算結(jié)果

本文所研究數(shù)值模擬的主要對象是頂管工程施工過程中的護壁泥漿套， 研究分析其受到的不平衡力以及狀態(tài)響應(yīng)。 工程施工之前， 周圍土層中的巖土體由于自身重力影響， 已處于壓實平衡狀態(tài)。 因此在模型求解計算之前必須先行使模型處于平衡狀態(tài)， 如忽略此平衡狀態(tài)會對計算結(jié)果有比較大的影響。 完成對模型的邊界條件設(shè)置后， 首先進入平衡狀態(tài)響應(yīng)， 恢復(fù)其初始平衡狀態(tài)。 進行頂管施工過程中的應(yīng)力施加，改變模型各個組成部分的模型參數(shù)。 執(zhí)行變更完成后，開始對模型進行求解計算，檢查模型的響應(yīng)特征。

利用數(shù)值模擬方法研究頂管施工過程中的護壁泥漿套的狀態(tài)是基于以下假設(shè)和簡化：（1） 土體是均質(zhì)且連續(xù)的；（2）不考慮地下水的影響；（2）土體不隨時間變化而產(chǎn)生物理力學(xué)性質(zhì)上的改變；（4） 不考慮刀盤切削土體的振動所產(chǎn)生的擾動土體現(xiàn)象[10]。

調(diào)節(jié)注漿壓力，分別對模型進行求解過程。 所得到的結(jié)果圖2、3、4 所示分別為注漿壓力為0.20、0.25、0.30MPa 時，護壁泥漿套的位移量。 泥漿套的位移量基本保持在2cm 之內(nèi)， 泥漿套保持狀態(tài)較好， 能起到良好的護壁減阻作用；

圖2 0.20MPa 注漿壓力下泥漿套的位移云圖Fig.2 Contour of displacement of mud screen under 0.20Mpa

調(diào)節(jié)模擬注漿壓力為0.10MPa， 其結(jié)果如圖5 所示， 護壁泥漿套模型位移量明顯增大， 導(dǎo)致頂管上部泥漿套流失， 下部泥漿套侵入土層， 泥漿套不能保持良好的狀態(tài)；

圖3 0.25MPa 注漿壓力下泥漿套的位移云圖Fig.3 Contour of displacement of mud screen under 0.25Mpa

圖4 0.30MPa 注漿壓力下泥漿套的位移云圖Fig.4 Contour of displacement of mud screen under 0.30Mp a

圖5 0.10MPa 注漿壓力下泥漿套的位移云圖Fig.5 Contour of displacement of mud screen under 0.10Mp a

再調(diào)節(jié)模擬注漿壓力為0.40MPa，其結(jié)果如圖6 所示，護壁泥漿套向外擴張明顯，大量侵入土層中，不能形成狀態(tài)良好的泥皮。

這兩種現(xiàn)象都影響減摩降阻的效果， 增大頂管的摩阻力， 此時頂管機頂力不得不增大， 進而增加刀盤磨損，甚至導(dǎo)致施工面垮塌事故。

4 工程應(yīng)用

烏蘭布和生態(tài)沙產(chǎn)業(yè)區(qū)巴音湖輸水穿沙管道工程設(shè)計采用DN3000 鋼筋混凝土管頂管施工， 最長頂段423.3m，管道全程穿越無水砂層，砂層含砂率97.6%，管外壁摩阻力很大， 為制約管道頂進長度的關(guān)鍵影響因素。 通過現(xiàn)場應(yīng)用對頂管頂進的潤滑減阻系統(tǒng)進行動態(tài)分析， 著重分析漿液流動過程中的成套機理和對孔壁的沖擊壓力及支護作用， 分析漿液成套后與地面變形間的關(guān)系和管道頂進中側(cè)摩阻關(guān)系， 通過對頂管頂進中護壁減阻系統(tǒng)各類參數(shù)和影響因素的監(jiān)測，開展數(shù)據(jù)分析， 將監(jiān)測數(shù)據(jù)與室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)進行對比分析， 進而形成一套高效優(yōu)化的針對沙漠地區(qū)頂管施工護壁減阻的漿液系統(tǒng)。

圖6 0.40MPa 注漿壓力下泥漿套的位移云圖Fig.6 Contour of displacement of mud screen under 0.40Mp a

根據(jù)實驗結(jié)果及現(xiàn)場試驗，確定采用雙液注漿，即采用優(yōu)質(zhì)濃泥漿機頭注漿形成泥漿套護壁； 無固相減阻潤滑漿液沿線跟進補漿以減小頂管頂進阻力， 采用螺桿泵作為注漿泵， 減小注漿脈動， 根據(jù)計算確定采用注漿壓力為0.25Mpa ,頂管施工效果如圖7 所示。

圖7 0.25MPa 注漿壓力下頂力變化圖Fig.7 Diagram of jacking force variation under grouting pressure of 0.25mp a

從頂管頂力變化圖可以看出， 在按照上述配比及操作要求實施注漿后， 整段管道頂力基本隨頂進距離的增大而逐步增大， 其中： 在初始頂進時因管外壁未注漿，因此頂力增長較快，一旦開始注漿后，頂力迅速降低，隨后開始緩慢增長；部分管節(jié)頂力突變較大，經(jīng)分析， 是由于現(xiàn)場操作部分機械故障， 檢修更換導(dǎo)致停頂時間較長從而使頂力增大； 另外在即將進洞前，由于刀盤前方迎面阻力減小，從而使頂力減小。

全段頂管最大頂力為13880KN， 遠小于計算頂力30150KN，注漿護壁減阻達到了預(yù)期效果。 工程實際應(yīng)用效果與前述理論模型分析結(jié)果吻合， 進一步說明本文理論模型分析結(jié)果的正確性。

5 結(jié)論

（1）在頂管施工過程中，如果可以保持護壁泥漿套時刻都呈現(xiàn)一個良好的狀態(tài)， 將會對工程施工的效率和安全性有很大的提升和保障；

（2） 施工過程中的護壁泥漿套的狀態(tài)與注漿壓力有最直接關(guān)系， 改變注漿壓力是可以調(diào)節(jié)護壁泥漿套的完整度的；

（3）模擬實驗數(shù)據(jù)與工程實際較為貼合，利用數(shù)值模擬方法研究頂管過程中的護壁泥漿套的形成與保持的方法是可行的， 在模擬過程中考慮的因素越貼近工程實際，所得到的結(jié)果也越真實可靠。