師煜

（中交第四公路工程局有限公司總承包分公司，北京 100024）

一、工程背景

（一）工程概況

內(nèi)蒙古呼和浩特市盛樂(lè)現(xiàn)代服務(wù)業(yè)集聚區(qū)施工的電力電纜地下隧道總長(zhǎng)10.83公里。設(shè)計(jì)電力隧道穿越既有道路時(shí)采用頂管施工，項(xiàng)目共設(shè)有7處頂管，頂管總長(zhǎng)540m，其中頂進(jìn)距離最長(zhǎng)164m、最短40m。施工頂管所需工作井和接收井全部采用矩形沉井，管頂覆土最大厚度約為5.79m，最小厚度約為4.41m。

（二）水文地質(zhì)特征

根據(jù)氣象站多年觀測(cè)資料，該地區(qū)平均降雨量為400mm，且每年降雨多集中于7～8月份，約占全年降雨量的77%，施工場(chǎng)地內(nèi)地下水屬潛水及微承壓水，地下水位的變化主要受大氣降水影響。根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告記錄，地下水位最淺埋深為3m，因此，頂管施工過(guò)程中會(huì)受到地下水的影響。

沉井頂管施工段落地層根據(jù)其形成年代、成因類型及工程性質(zhì)特征自上至下可劃分為兩個(gè)主層和若干亞層。耕土層：粉土為主，土層厚度在0.2～1.4m之間，處于松散狀態(tài)；粉土層：褐黃色，土層厚度在1.3～6.2m之間，中度密實(shí)、土質(zhì)均勻，局部與粉質(zhì)黏土互層，其工程力學(xué)性質(zhì)較好；細(xì)砂層：黃褐色，土層厚度在0～2.8m之間，且分選性好，以石英、長(zhǎng)石為主要礦物成分，其物理力學(xué)性質(zhì)較好；粉質(zhì)粘土層：褐黃色，土層厚度在0.4～5.5m之間，為夾粉土層，其物理力學(xué)性質(zhì)較好；施工場(chǎng)地地基土承載力在100～240KPa之間，壓縮性中等，其力學(xué)性質(zhì)較好。

二、頂管工藝選擇

根據(jù)該地區(qū)工程地質(zhì)勘察資料及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和設(shè)計(jì)資料等，本項(xiàng)目頂管施工采用泥水平衡法。泥水平衡法是一種對(duì)土體不進(jìn)行明挖的管道鋪設(shè)方法，其作用原理是利用頂管設(shè)備即千斤頂產(chǎn)生前進(jìn)的推力，來(lái)克服管道與周圍土體之間產(chǎn)生的巨大摩擦力，管道在前進(jìn)的同時(shí)將管道占用的土體不斷地置換出來(lái)。該方法的優(yōu)點(diǎn)為：

1、適用地下水壓力變化范圍大的土質(zhì)；

2、在施工過(guò)程中，因?qū)ν馏w擾動(dòng)較小，泥水平衡有效地保證了被挖掘面的穩(wěn)定性，因此地面沉降量小；

3、施工時(shí)總推力比較小，適用于在黏土層中的長(zhǎng)距離頂管施工；

4、采用泥水管道輸送棄土，不用吊土和轉(zhuǎn)運(yùn)所需垂直、水平運(yùn)輸設(shè)備，因此安全性較高；

5、此方法可以連續(xù)作業(yè)，縮短工期，加快工程進(jìn)度。

圖1 頂管施工流程圖

三、注漿對(duì)土體沉降影響數(shù)值模擬研究

在頂管施工過(guò)程中，注漿的作用：

1、注漿可以填補(bǔ)施工過(guò)程中管道與土體之間的孔隙部分；

2、在注漿壓力的作用于下，能夠有效減少土體變形，使頂管周圍的土體更加穩(wěn)定，有利于減小地面沉降。

注漿的基本要求：

1、為了減小管道與周圍土層的摩擦力，頂進(jìn)管道與土體之間要留有一定的間隙，其大小一般不應(yīng)小于20mm；如果土層較為堅(jiān)硬，一般要求間隙宜達(dá)到30mm左右。觸變泥漿在頂進(jìn)過(guò)程中管道與周圍土體之間可以形成連續(xù)不斷的潤(rùn)滑減阻保護(hù)膜，從而達(dá)到減少摩擦阻力的效果；

2、在進(jìn)行管節(jié)注漿施工過(guò)程中，要時(shí)刻確保注漿原材料具有流動(dòng)性，同時(shí)也需要確保注漿材料具有一定的稠度，以保證注入的漿體不會(huì)滲漏到周邊地層當(dāng)中去，這樣才能形成優(yōu)良的減阻潤(rùn)滑膜；

3、在實(shí)際的管道頂進(jìn)施工過(guò)程中，因?yàn)闀?huì)存在泥漿滲流現(xiàn)象，觸變泥漿總量會(huì)有一定程度的損失。如果出現(xiàn)遺漏量過(guò)多的情況，就需要立即補(bǔ)漿。也唯有在滲流作用達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，管道周圍方可建立起穩(wěn)定而連續(xù)的泥漿套。

觸變泥漿是一種懸浮態(tài)的流體，具有觸變性。當(dāng)觸變泥漿不受外力沖擊處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，會(huì)從懸浮態(tài)轉(zhuǎn)變成凝膠體；而受到振動(dòng)、攪拌或被泵送時(shí)，它又會(huì)轉(zhuǎn)變成黏性液體。由此可見(jiàn)，它的形態(tài)可以在液體與凝膠體形態(tài)之間發(fā)生多次轉(zhuǎn)變，有效地將這種觸變性在頂管頂進(jìn)施工過(guò)程中加以利用，就可達(dá)到減阻和提高工效的目的。

（一）三維數(shù)值模擬物理模型

1、數(shù)值模擬計(jì)算模型

本項(xiàng)目共設(shè)有7處頂管，頂管總長(zhǎng)540m，各處頂管長(zhǎng)度以及管道上最大覆土厚度見(jiàn)表1。

表1 頂管長(zhǎng)度及覆蓋土厚度統(tǒng)計(jì)表

圖2 三維數(shù)值計(jì)算模型

選取最長(zhǎng)一段頂管施工距離，建立數(shù)值模擬的物理模型，即頂管為164m，上覆土層5.79m，如圖2所示，頂管道與上覆土層之間的間隙按20mm計(jì)算，管道內(nèi)徑為3m，壁厚為0.3m，單管節(jié)長(zhǎng)度為4m。模型尺寸X*Y*Z為164*24*18m，淺藍(lán)色代表管道與土體之間的間隙、綠色代表管壁厚度、紅色代表管體中的土體、淺綠色代表管道周圍的土體。模型包含56437個(gè)節(jié)點(diǎn)，324071個(gè)單元。在管道中心上方地表設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，兩側(cè)間隔2m分別設(shè)置15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在管道上方到地表設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2、本構(gòu)模型與計(jì)算參數(shù)

在數(shù)值模擬仿真計(jì)算模型中，土體、管道以及注漿體都采用了FLAC3D內(nèi)嵌的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。此本構(gòu)模型是巖土力學(xué)數(shù)值計(jì)算中應(yīng)用最為廣泛的本構(gòu)模型之一。

Mohr-Coulomb準(zhǔn)則認(rèn)為，巖石承載的最大剪切力τ由黏聚力c和內(nèi)摩擦角?確定，直線型Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則可表示為公式1：

式中：σ為正應(yīng)力。

若用主應(yīng)力表述，可表示為公式2：

式中：σ1和σ3分別為最大和最小主應(yīng)力。

在數(shù)值計(jì)算中，土體、管道和注漿材料的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

3、模擬過(guò)程

（1）邊界條件和初始條件：三維數(shù)值模型的前后左右以及底部邊界為法向約束限制位移，地表為自由面。施工計(jì)算前，土體在自重應(yīng)力的作用下，達(dá)到初始應(yīng)力平衡狀態(tài)。因?yàn)樵谑┕で?，土體經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的作用已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，不經(jīng)過(guò)施工擾動(dòng)不會(huì)發(fā)生地表沉降。如圖3所示，在自重應(yīng)力作用下土體沉降量自上而下逐漸增大，地表的沉降量最大可達(dá)到72mm，在模量頂管施工前要將所有的位移沉降清零。

圖3 模型計(jì)算平衡沉降位移云圖

（2）開(kāi)挖：在模擬中，管道沿著X軸方向推進(jìn)，模擬完全按照管長(zhǎng)4m的步長(zhǎng)進(jìn)行。每步開(kāi)挖后，管道和土體之間都留有間隙，間隙按照有注漿進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其地表沉降量。在有注漿時(shí)，由于邊頂進(jìn)邊注漿，因此開(kāi)挖后應(yīng)將開(kāi)挖間隙立刻按照觸變泥漿的力學(xué)參數(shù)回填，待全部管道頂進(jìn)完畢后，再將觸變泥漿的力學(xué)參數(shù)換成凝固體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，最終使其達(dá)到平衡狀態(tài)；在無(wú)注漿數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，管道和土體之間的間隙按空模型計(jì)算，直至達(dá)到平衡狀態(tài)。

（二）計(jì)算結(jié)果與分析

即便在頂進(jìn)過(guò)程中不斷注漿，由于施工擾動(dòng)，管道上方的土體沉降最為嚴(yán)重，可達(dá)到10mm，成放射狀向上擴(kuò)展，并且沉降量在不斷縮??；管道下方土體有拱起，最大拱起量可達(dá)到9mm。

在開(kāi)挖計(jì)算初期，地表的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降位移變化速率很快，隨著觸變泥漿的作用，位移沉降量變化速率減慢，逐漸趨于穩(wěn)定值。在施工完成后，觸變泥漿固化，隨之對(duì)上方土體起到很大的支撐作用，土體沉降有一定的恢復(fù)，且越接近地表作用越小。

管道正上方的地表沉降最大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)按2m間距布置，在距離管中線12m處地表沉降為0.03mm，幾乎沒(méi)有位移沉降；在距管中線12m范圍內(nèi)施工會(huì)引起地表沉降，在此范圍內(nèi)應(yīng)該加強(qiáng)地表沉降的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

管道正上方的土體沉降量最大，可達(dá)到10mm，越向上土體沉降量越小，但不是按線性減小，最初減小量很大，越接近地表沉降量變化越小。

四、結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)呼和浩特盛樂(lè)現(xiàn)代服務(wù)業(yè)集聚區(qū)電力電纜隧道工程沉井大管徑頂管施工過(guò)程中，因注漿引起的地表沉降進(jìn)行了數(shù)值模型定量分析，得出如下結(jié)論：

1、直徑3m的頂管施工時(shí)，地表最大沉降量在頂管中線上方位置，且距離中線越遠(yuǎn)沉降量不斷減小，在12m處幾乎沒(méi)有地表沉降，因此地表沉降范圍在中線兩側(cè)12m范圍內(nèi)，沉降范圍大約為頂管直徑的4倍；

2、頂管上方覆蓋的土體，在頂管處沉降量最大，向上成放射狀依次減小，但減小的速率不同；

3、通過(guò)模擬計(jì)算與施工監(jiān)測(cè)，大直徑電力隧道采用觸變泥漿頂管工藝施工，能夠滿足城市道路路面沉降要求。