馬險(xiǎn)峰，鄒宇翔，李向紅，洪 斌

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200082；2.喀什大學(xué)土木工程學(xué)院，新疆 喀什 844000；3.中億豐建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

近年來隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和隧道工程技術(shù)的進(jìn)步，頂管法逐步用于地下立體交叉、地鐵、河下隧道等工程中，尤其是大斷面矩形頂管，以其隧道空間大和空間利用率高的優(yōu)點(diǎn)在城鄉(xiāng)建設(shè)中被廣泛應(yīng)用.相比傳統(tǒng)的圓形頂管，頂管法對周圍地層產(chǎn)生的擾動(dòng)較大，特別是淺埋大斷面矩形頂管對地層沉降和擾動(dòng)將會(huì)更大.對于頂管法施工最終的地層沉降，國內(nèi)外學(xué)者已通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬、模型實(shí)驗(yàn)等方法進(jìn)行了分析并得出地層損失[1]、土倉平衡力[2-4]、側(cè)向摩阻力[5-6]等施工參數(shù)會(huì)在一定程度上影響最終地層沉降的結(jié)論.而在注漿壓力參數(shù)研究方面，Kai Wen[7]、王雙[8]從理論的角度進(jìn)行分析，認(rèn)為注漿壓力的大小會(huì)施加在周圍土層上，造成周圍土層的變形和位移，并用彈性力學(xué)半無限彈性體圓孔擴(kuò)張理論計(jì)算出注漿壓力造成的土層位移.黃宏偉[9]采用三維數(shù)值分析的方法對正面推力、地層損失、注漿壓力等因素進(jìn)行模擬，得出了注漿壓力影響沉降的規(guī)律.可見注漿壓力對頂管施工引起地層沉降的影響規(guī)律研究僅停留在理論分析和數(shù)值模擬層面，缺乏模型實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場工程測量數(shù)據(jù)等實(shí)際應(yīng)用方面的反饋和分析.為了進(jìn)一步完善注漿壓力對地層沉降影響規(guī)律的研究和大斷面矩形頂管施工對地層沉降控制的研究需要，本文首先采用PLAXIS 3D 對不同注漿壓力產(chǎn)生的地層沉降進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并運(yùn)用巖土離心模擬試驗(yàn)技術(shù)，自主研發(fā)了頂管注漿模擬系統(tǒng)，對頂管施工的頂進(jìn)和注漿過程進(jìn)行模擬，研究不同注漿壓力下最終地層沉降變化規(guī)律，并在蘇州東匯公園下穿護(hù)城河頂管隧道工程現(xiàn)場布置位移計(jì)，用現(xiàn)場測量的沉降數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行對比分析，將理論與現(xiàn)場實(shí)際相結(jié)合得出結(jié)論，為今后頂管工程沉降影響控制方面提供依據(jù).

1 數(shù)值模擬

本文采用PLAXIS 3D 巖土工程數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬分析.為了使數(shù)值分析結(jié)果更具有參考意義，并能貼近工程實(shí)際，以蘇州東匯公園頂管工程為典型案例進(jìn)行建模.東匯公園頂管工程位于江蘇省蘇州市姑蘇區(qū)，北側(cè)連接?xùn)|匯公園地下停車場，南側(cè)直通蘇州古城區(qū).頂管工程下穿蘇州護(hù)城河，全長約163.5 m，每節(jié)管片長1.5 m，埋深4 m，斷面為矩形，斷面尺寸6.9 m*5 m，地層以粘土地層為主，現(xiàn)場平面圖如圖1 所示.對該工程進(jìn)行簡化后，建立如圖2 所示的數(shù)值模擬模型.

圖1 蘇州東匯公園頂管工程概況Fig.1 Overview of the Pipe Jacking Project in Suzhou Donghui Park

圖2 PLAXIS 3D 頂管隧道建模Fig.2 PLAXIS 3D pipe jacking tunnel modeling

1.1 建模參數(shù)

模型的尺寸、土層參數(shù)以及計(jì)算參數(shù)如表1 和表2 所示.

表1 隧道模型尺寸和參數(shù)Tab.1 Tunnel model dimensions and parameters

表2 工程地質(zhì)參數(shù)Tab.2 Engineering geological parameters

為了研究注漿壓力對地層沉降的影響，本次模擬采用控制變量法，保持地層損失、側(cè)摩阻力、土倉平衡力等（對地層沉降有影響的）參數(shù)不變，改變注漿壓力，從而分析注漿壓力對地層沉降的影響規(guī)律.數(shù)值模擬共計(jì)3 種工況，其基本參數(shù)如表3 所示.

表3 各工況施工參數(shù)Tab.3 Construction parameters of various working conditions

1.2 計(jì)算結(jié)果與分析

在PLAXIS 3D 中通過消去土體單元并隨后激活混凝土管片結(jié)構(gòu)的方法模擬開挖，并在整條隧道開挖完成后選取隧道任一橫截面的地表沉降數(shù)據(jù)，得到不同注漿壓力下地層的最終沉降對比結(jié)果（見圖3）.

圖3 數(shù)值分析各工況最終沉降Fig.3 Numerical analysis of the final settlement of each working condition

各工況的上覆土壓力為80 kPa，一般情況下注漿壓力的選取與上覆土壓力接近.數(shù)值計(jì)算中的工況2（注漿壓力為80 kPa）為一般情況下的地層沉降，其值為24.11 mm.減小注漿壓力10 kPa～70 kPa（4 米處土粘聚力為10 kPa）將大幅增加地層沉降至29.41 mm，而增加注漿壓力10 kPa（90 kPa）能有效的減小地層沉降至21.94 mm，可見注漿壓力對地層沉降的影響明顯，適當(dāng)增加注漿壓力將有利于控制地層沉降.

2 離心機(jī)模型實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步深入研究淺埋大斷面矩形頂管施工過程中，注漿壓力的變化對地層沉降影響規(guī)律，對數(shù)值模擬中產(chǎn)生的結(jié)論做進(jìn)一步的細(xì)化和研究，下面采用巖土工程離心機(jī)設(shè)備對頂管工程開展離心模型實(shí)驗(yàn)，在縮尺模擬的模型實(shí)驗(yàn)中研究物理規(guī)律和沉降變化.

2.1 離心機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)采用同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的TLJ-150 復(fù)合型巖土離心試驗(yàn)機(jī)（見圖4）.考慮到模型所模擬的原型大小和范圍、模型的尺寸效應(yīng)和邊界效應(yīng)、儀器的測量精度等的影響，本實(shí)驗(yàn)中相似比N 取40，同時(shí)通過量綱分析對實(shí)驗(yàn)中遇到的物理量進(jìn)行相似比推導(dǎo)求解，相應(yīng)的相似比系數(shù)和相應(yīng)的參數(shù)比例見表4.

圖4 TLJ-150 復(fù)合型巖土離心試驗(yàn)機(jī)Fig.4 TLJ-150 composite geotechnical centrifuge

表4 相關(guān)物理量相似比Tab.4 Similarity ratio of related physical quantity

2.2 頂管工程注漿模擬系統(tǒng)

頂管工程注漿模擬系統(tǒng)由頂進(jìn)模擬系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、測量系統(tǒng)組成.圖5 為注漿模擬系統(tǒng)實(shí)物圖，圖6 為離心機(jī)實(shí)驗(yàn)過程圖.本文將模擬的工況為軟粘土地區(qū)矩形頂管開挖，管片外徑為6.9 m*5 m*1.5 m，覆土厚度4 m，水位線位于地表，相關(guān)尺寸根據(jù)相似比在離心機(jī)模型實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行等價(jià)換算.

圖5 頂管工程注漿模擬系統(tǒng)Fig.5 Pipe jacking project grouting simulation system

圖6 頂管工程離心機(jī)模型實(shí)驗(yàn)Fig.6 Centrifuge model experiment of pipe jacking project

頂進(jìn)模擬系統(tǒng)由頂管模型、鈦合金傳力架、機(jī)械手組成.頂管模型為矩形頂管，一段模擬頂管機(jī)，尺寸為175 mm*130 mm*180 mm（寬* 高* 長度），厚度15 mm；另一段為頂管隧道，尺寸為165 mm*120 mm*200 mm （寬* 高* 長度），材質(zhì)為內(nèi)嵌鋼筋的混凝土管.兩頂管模型尺寸差為建筑空隙.鈦合金傳力架為一個(gè)框架結(jié)構(gòu)，模擬工程現(xiàn)場千斤頂給頂管施加的頂進(jìn)力分布.機(jī)械手為離心機(jī)實(shí)驗(yàn)定制設(shè)備，可在高g 值下以15 mm/min 的速度（該速度由蘇州頂管工程施工現(xiàn)場調(diào)查得出）向前推動(dòng)頂管模型.實(shí)驗(yàn)中通過將頂管機(jī)管段頂出土層模擬土層被開挖，同時(shí)緊挨著頂管機(jī)的頂管被頂進(jìn)土層模擬隧道頂進(jìn).

注漿系統(tǒng)由離心機(jī)氣路、電磁閥、氣缸、密封環(huán)組成，能實(shí)現(xiàn)頂管頂進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行同步注漿.離心機(jī)氣路的空氣壓縮機(jī)能產(chǎn)生有壓強(qiáng)的氣體，該氣體通進(jìn)氣缸，在氣缸活塞的另一端充滿已制備好的泥漿（排盡空氣）.通過調(diào)整輸入氣體壓強(qiáng)來調(diào)整注漿壓力，通過電磁閥和調(diào)整氣缸兩端節(jié)流閥進(jìn)氣速度使泥漿在15 min內(nèi)均勻壓出氣缸，以實(shí)現(xiàn)同步注漿.密封環(huán)由鐵片、硅膠板組成，在洞口硅膠板與頂管管片緊密貼合（模擬現(xiàn)場洞口止水），在防止泥漿外流的同時(shí)，允許頂管管片隨注漿量變化上下浮動(dòng)，不產(chǎn)生影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的摩擦力.

測量系統(tǒng)是在模型箱上端以隧道中線為軸向一邊每隔一定的距離放置4 個(gè)激光位移計(jì)，形成隧道最終的沉降曲線；通過給氣缸拉桿標(biāo)定體積和攝像頭監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過程中注漿量.

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)總共4 組，各組參數(shù)如表5 所示.實(shí)驗(yàn)步驟可分為配制泥漿、預(yù)壓固結(jié)、電機(jī)頂進(jìn)、同步注漿、測量數(shù)據(jù)五個(gè)步驟.按照水：膨潤土=1：0.06 配制膨潤土標(biāo)準(zhǔn)泥漿，并靜置24 h 使其完全水化，放置好頂管模型和土之后運(yùn)行離心機(jī)對土進(jìn)行固結(jié)（每組實(shí)驗(yàn)都固結(jié)到相同的高度，保證各實(shí)驗(yàn)土固結(jié)程度相同），使土恢復(fù)到現(xiàn)場土的狀態(tài).固結(jié)完成后操控機(jī)械手進(jìn)行頂進(jìn)，并操控電磁閥打開離心機(jī)氣路進(jìn)行同步注漿并最終到無法將泥漿注進(jìn)土層為止，每組實(shí)驗(yàn)都需不斷調(diào)整氣體的壓強(qiáng)以調(diào)整注漿壓力.在實(shí)驗(yàn)的過程中運(yùn)用離心機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和攝像頭進(jìn)行地層沉降、注漿量的數(shù)據(jù)收集，在頂管頂進(jìn)結(jié)束后繼續(xù)運(yùn)行離心機(jī)至沉降穩(wěn)定，獲取地層的最終沉降量，最終進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析.

表5 注漿模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.5 Parameters of grouting simulation experiment

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖7 為實(shí)驗(yàn)的最終沉降圖.在Ex.1 中注漿壓力為80 kPa（等于上覆土壓力），曲線變化規(guī)律基本符合Peck 曲線等常規(guī)沉降曲線，沉降最大值1.1 mm，還原離心機(jī)模型縮放比例，沉降值為44 mm.隨著注漿壓力的上升，在中軸線附近的注漿區(qū)域（頂管模型寬度范圍） 發(fā)生明顯的抬升，而非注漿區(qū)域的抬升量不大，可見注漿會(huì)在注漿區(qū)域上方產(chǎn)生沉降補(bǔ)償作用，而對于沉降槽邊緣部分效果不明顯.

在Ex.3 中，注漿壓力為上覆土壓力的2倍，此時(shí)在沉降補(bǔ)償?shù)淖饔孟?，地表沉降很小，沉降控制效果很?

在Ex.4 中，注漿壓力達(dá)到上覆土壓力的3倍，此時(shí)地表在注漿區(qū)域段產(chǎn)生了隆起，可見過大的注漿壓力會(huì)導(dǎo)致沉降補(bǔ)償作用太大，致使地表隆起，如果土層性質(zhì)較差，還有可能會(huì)造成土體破壞.

圖7 頂管注漿實(shí)驗(yàn)最終沉降圖Fig.7 Final settlement diagram of jacking pipe grouting experiment

將各工況的注漿壓力與軸線最大沉降值提取并繪制成曲線圖（如圖8），可見注漿壓力對最終沉降影響較大，兩者成正相關(guān)但沒有線性關(guān)系.

圖8 注漿壓力與中軸線沉降關(guān)系圖Fig.8 Diagram of relationship between grouting pressure and central axis settlement

3 工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比

在蘇州東匯公園頂管工程現(xiàn)場布置設(shè)備進(jìn)行沉降測量，將理論實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)研究比對.現(xiàn)場注漿方式為同步注漿并在開挖后持續(xù)補(bǔ)漿，注漿壓力為240 kPa（約為上覆土壓力的3倍），工程最終總注漿量為160 m3，建筑空隙為53.37 m3，注漿量為建筑空隙的3 倍.將現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并選取開挖至測點(diǎn)處、開挖后30 m、最終沉降三個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，來研究注漿補(bǔ)漿前后的沉降變化，同時(shí)將離心機(jī)實(shí)驗(yàn)注漿壓力為240 kPa 時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)值通過縮尺比例推算至現(xiàn)場數(shù)值，將兩者繪制進(jìn)一張圖進(jìn)行對比分析，圖9 為各頂進(jìn)距離時(shí)的沉降曲線和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比.

圖9 現(xiàn)場各頂進(jìn)距離時(shí)的沉降曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.9 Comparison of settlement curves and experimental results at various jacking distances on site

通過分析曲線可知：在現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)中，剛開挖至測點(diǎn)時(shí)，地層整體由于受到擾動(dòng)和土體損失，開始產(chǎn)生地層沉降；在開挖至測點(diǎn)到開挖后30 m 這一時(shí)間段，地層沉降持續(xù)增加，沉降最大值在中軸線處；在開挖完用240 kPa 的注漿壓力進(jìn)行持續(xù)補(bǔ)漿之后，補(bǔ)漿區(qū)域（-3.45 m～3.45 m）附近發(fā)生明顯抬升，由原來的沉降-8 mm 變?yōu)樽罱K隆起12 mm 左右，同時(shí)非補(bǔ)漿區(qū)域受到影響較小，即注漿沉降補(bǔ)償作用只發(fā)生在注漿區(qū)域附近.在實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線中，同樣在注漿壓力為240 kPa 時(shí)呈現(xiàn)反向隆起現(xiàn)象，隆起量根據(jù)離心機(jī)縮尺比例推導(dǎo)為8 mm，同時(shí)在非注漿區(qū)域沉降較大，受注漿影響很小，整體曲線和現(xiàn)場測量曲線數(shù)值和趨勢相近.可見實(shí)驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出了相同的沉降規(guī)律，上述結(jié)論得到了實(shí)際現(xiàn)場工程的證明.

4 結(jié)語

本文先采用PLAXIS 3D 數(shù)值模擬軟件對蘇州東匯公園頂管工程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，初步發(fā)現(xiàn)增加注漿壓力會(huì)減小地層沉降的規(guī)律.進(jìn)一步使用巖土工程離心機(jī)設(shè)備和自主研發(fā)的頂管工程注漿模擬系統(tǒng)，對矩形頂管工程在不同注漿壓力下的地層沉降進(jìn)行了頂管模擬開挖實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：注漿壓力對地層沉降存在沉降補(bǔ)償作用，注漿壓力越大，在最后補(bǔ)漿抬升階段的沉降補(bǔ)償作用就越大，最終的地層沉降就越小.然而值得注意的是過大的注漿壓力會(huì)出現(xiàn)過度補(bǔ)償作用，反而對沉降控制產(chǎn)生不利影響.在本文中的離心機(jī)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)中，注漿壓力為覆土壓力的3倍時(shí)都已出現(xiàn)過度補(bǔ)償?shù)貙勇∑瓞F(xiàn)象.因此，合理的選擇注漿壓力能有效的控制地層沉降，同時(shí)注漿造成的沉降補(bǔ)償作用只發(fā)生在注漿區(qū)域附近，對注漿區(qū)域之外的沉降影響不大.