柳軍修 ，陳軍 ，曹廣勇 ，廖云 ，崔立志

(1.安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；3.中鐵四局集團(tuán)有限公司市政工程分公司，安徽 合肥 230023)

0 引言

頂管施工作為一種非開挖技術(shù)已在我國城市地下管道建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，但大口徑深埋頂管長距離穿越無水砂層研究與應(yīng)用還很有限。烏蘭布和生態(tài)沙產(chǎn)業(yè)示范區(qū)巴音湖輸水工程對大口徑深埋頂管長距離穿越無水砂層進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，針對無水砂層特點(diǎn)優(yōu)化刀盤結(jié)構(gòu)，提出土壓平衡掘進(jìn)與泥水輸送出渣結(jié)合的頂管施工工藝，改進(jìn)頂管減阻漿液及注漿工藝，量測頂管施工過程中頂力變化。然而，由于測試手段的局限性，僅通過現(xiàn)場試驗(yàn)來較全面地揭示深埋頂管長距離穿越無水砂層受力機(jī)理還存在困難，如現(xiàn)場試驗(yàn)中無法測試管節(jié)與周圍土體的側(cè)壁摩阻力，無法測試整條頂管隧道軸力且軸力量測精度受外界多種因素影響，測試值常偏離實(shí)際結(jié)果。因此，數(shù)值模擬的手段必不可少。

目前頂管施工對上部結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境影響的數(shù)值模擬已做了一些研究[1-5]，但頂管施工都通過鈍化管內(nèi)土體并賦予預(yù)設(shè)單元管節(jié)材料屬性的方法模擬，該方法較適于模擬盾構(gòu)隧道，但無法計算頂管推進(jìn)時頂力及管節(jié)軸力分布規(guī)律，無法模擬管節(jié)與周圍土體相互作用機(jī)理。

本文基于烏蘭布和大口徑深埋頂管長距離穿越無水砂層現(xiàn)場試驗(yàn)，采用FLAC3D建立三維數(shù)值模型，精確模擬管壁與周圍無水砂層相互作用，在此基礎(chǔ)上研究大直徑深埋頂管長距離穿越無水砂層受力機(jī)理。

1 工程概況

烏蘭布和生態(tài)沙產(chǎn)業(yè)示范區(qū)巴音湖輸水穿沙管道工程為烏蘭布和生態(tài)沙產(chǎn)業(yè)示范區(qū)建設(shè)的重要引水工程，工程采用頂進(jìn)法施工，設(shè)計DN3000 mm單管供水，自烏蘭湖接出，由南向北穿越烏蘭布和沙漠帶，終點(diǎn)接至巴音湖，線路全長1.52 km。頂管內(nèi)徑D1=3.00 m，外徑D2=3.64 m，即管壁厚度為t=0.32 m。管道最大埋深達(dá)48 m，共設(shè)臨時頂管井5座，其中工作井2座、接收井3座，單段最長頂距為423.3 m。施工總平面圖如圖1所示。

圖1 施工平面布置圖

施工區(qū)主要以第四系中更新統(tǒng)沖積層(Q2al)為主：

(1)粉砂土：該巖性分布穩(wěn)定為工作區(qū)底部的地層巖性。巖性為灰褐色細(xì)砂，中密、飽和，含有少量礫石，黏聚力c=0.0kPa，內(nèi)摩擦角φ=27.3°，最大層厚54 m，未揭穿該層巖性。

(2)粉土：該巖性分布穩(wěn)定，呈連續(xù)狀分布，位于粉砂土層的下部。其巖性為黃褐色粉土，可塑，土質(zhì)不均勻，刀切面光滑，黏聚力c=5.0 kPa，內(nèi)摩擦角φ=25.2 °，層厚 1.90～2.80 m。

(3)圓礫土：該巖性分布穩(wěn)定，呈連續(xù)狀分布，位于粉土層與中密粉砂土之間。其巖性為級配不良礫，中密，一般粒徑1.00～2.00 cm，最大可見粒徑約 4.00 cm，黏聚力c=0.0kPa，內(nèi)摩擦角φ=31.0 °，層厚 1.20～2.3 m。

本次頂管深度范圍內(nèi)勘探未見地下水，施工時可不考慮地下水的影響。工程所在地域氣候終年為西風(fēng)環(huán)流控制，屬中溫帶典型的大陸性氣候，降水稀少，年平均降水量102.9 mm，最大年降水量150.3 mm，最小年水降水量33.3 mm，年均氣溫7.8℃，絕對最高氣溫39.1℃，絕對最低氣溫-32.6℃，年均蒸發(fā)量2 258.8 mm，光照3 181 h，年內(nèi)風(fēng)大沙多，全年8級以上大風(fēng)15～32 d，最大風(fēng)速28 m/s，春秋兩季大風(fēng)頻繁，風(fēng)沙危害為主要自然災(zāi)害。

本工程輸水管道底部所處標(biāo)高為1 077.73 m，地層變化不大，為稍密-中密粉砂土，層位穩(wěn)定，力學(xué)性質(zhì)較好，管道線路地表標(biāo)高在1 084.65～1 120.72 m，適宜管道修建。圖2為工程地質(zhì)剖面圖，圖中還給出了頂管管線及1#～5#頂管井。

圖2 地質(zhì)剖面圖(單位：m)

2 數(shù)值模型

2.1 幾何模型

選擇圖2中最不利鉆孔(ZK05)處土層建立數(shù)值模型，并簡化為各土層分界面水平，即土層從上至下分別為：粉砂，36.90 m厚；粉土，2.30 m厚；圓礫，2.80 m厚；粉砂，未揭穿。頂管深度范圍內(nèi)未見地下水，故不考慮地下水的影響。

選取最大頂進(jìn)距離為423.3 m，最大覆土深度45 m工況進(jìn)行數(shù)值模擬。由于頂管沿頂進(jìn)方向深度和直徑保持不變，為一平面對稱問題，因此采用FLAC3D建立頂管一半斷面有限差分?jǐn)?shù)值模型，其幾何模型如圖3所示。頂管管壁采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，其圓心位于地表以下50 m；幾何模型Y方向即為頂管頂進(jìn)方向，長度為423.3 m，即這里主要分析423.3 m進(jìn)尺下頂管受力及其與相鄰?fù)翆酉嗷プ饔脵C(jī)理；幾何模型沿X方向的長度設(shè)置為20 m，約為6倍頂管直徑。圖3中還給出了管節(jié)以及管節(jié)與周圍土層界面詳圖。

2.2 材料本構(gòu)模型及參數(shù)

2.2.1 砂性土

地基土采用莫爾-庫侖模型，F(xiàn)LAC3D中需輸入體積模量K、剪切模量G及強(qiáng)度參數(shù)c、φ值。K和G可根據(jù)填土彈性模量E和泊松比ν按下式換算[6-7]：

圖3 頂管幾何模型

施工場地粉砂的彈性模量E=20 MPa，泊松比ν=0.3，根據(jù)以上換算公式，可得粉砂的體積模量K=16.7 MPa，剪切模量G=7.69 MPa；粉土的彈性模量E=15 MPa，泊松比ν=0.3，則其體積模量K=12.5 MPa，剪切模量G=5.77 MPa；圓礫的彈性模量E=25MPa，泊松比ν=0.25，則其體積模量K=16.7 MPa，剪切模量G=10.0 MPa，數(shù)值模型土體參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模型土體參數(shù)

2.2.2 頂管管節(jié)及注漿體

頂管管節(jié)混凝土強(qiáng)度等級為C50，受力鋼筋為HRB400，箍筋HPB300。數(shù)值計算中管節(jié)采用彈性模型，彈性模量E=3.45×104MPa，泊松比ν=0.2，根據(jù)式(1)，可得頂管管節(jié)體積模量K=1.92×104MPa，剪切模量G=1.44×104MPa。

數(shù)值模型中采用FLAC3D內(nèi)置的接觸面(Interface)單元模擬頂管注漿在管節(jié)與地基土之間形成的界面。FLAC3D中接觸面單元是一種三節(jié)點(diǎn)的三角形單元，其將三角形面積分配到每個節(jié)點(diǎn)中，每個接觸面節(jié)點(diǎn)都有一個相關(guān)的表示面積，可以分析一定受力條件下兩個接觸的表面上產(chǎn)生錯動滑移、分開與閉合。當(dāng)接觸面上的切向應(yīng)力小于最大切向應(yīng)力時(τ＜τmax)，接觸面處于彈性階段；當(dāng)接觸面上的切向應(yīng)力等于最大切向應(yīng)力時(τ=τmax)，接觸面進(jìn)入塑性階段，在滑動過程中，剪應(yīng)力保持不變。接觸面剪應(yīng)力大小取決于單位面積上耦合彈簧切向剛度k、有效法向應(yīng)力σm、黏聚力ci以及內(nèi)摩擦角φi。

接觸面切向剛度和法向剛度可取其相鄰最硬實(shí)體單元等效剛度的10倍[6]，即：

式(2)中，Δzmin為界面相鄰單元法向最小長度，等于管節(jié)單元厚度0.32 m。頂管管節(jié)的體積模量K=1.92×104MPa，剪切模量G=1.44×104MPa，則數(shù)值計算取ks=kn=1.20×106MPa·m-1。

現(xiàn)場頂管施工進(jìn)行了2組試驗(yàn)，采用同步注漿配合跟進(jìn)注漿的方式。第1組現(xiàn)場試驗(yàn)采用常規(guī)漿液，機(jī)頭注漿配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為13.5%膨潤土+0.2%NaOH+0.1%CMC+100%水，沿線跟進(jìn)補(bǔ)漿配方為PAM(7 kg/m3)?，F(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用該配方進(jìn)行頂管施工時，在135 m頂進(jìn)進(jìn)尺出現(xiàn)頂力突增，在423.3 m頂進(jìn)進(jìn)尺下最大頂力高達(dá)20 000 kN。這是由于該配方注漿漿液采用低含量膨潤土，漿液配比中粘土含量少，攪拌不均發(fā)生沉淀，漿液流失量大，形成泥皮效果不良，護(hù)壁漿套沒形成好，從而導(dǎo)致跟進(jìn)補(bǔ)漿潤滑減阻漿液注入后潤滑效果不好；若提高漿液中膨潤土含量，則由于其分散性質(zhì)較高導(dǎo)致漿液黏度過大，可泵性降低，不利于現(xiàn)場注漿。

第2組現(xiàn)場試驗(yàn)對漿液進(jìn)行了優(yōu)化，采用分散性質(zhì)較低的高嶺土替代膨潤土，注漿配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為17.5%高嶺土+0.025%CMC+0.2%NaOH+100%水；沿線跟進(jìn)補(bǔ)漿漿液配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.25%PAM(2000萬分子量)+100%水，即每立方注漿漿液加PAM(2000萬分子量)2.5 kg。采用該配方進(jìn)行頂管施工時，施工頂力處于平穩(wěn)上升趨勢，漿液護(hù)壁減阻效果明顯，在流砂地層中423.3 m頂進(jìn)進(jìn)尺下最大頂力制在12 000 kN。

數(shù)值計算除分析現(xiàn)場試驗(yàn)常規(guī)漿液和優(yōu)化漿液工況外，還給出了未注漿工況下的對比計算結(jié)果。對未注漿工況，由于預(yù)制管節(jié)表面較光滑，管節(jié)與相鄰?fù)翆咏佑|面的黏聚力ci和內(nèi)摩擦角φi可取相鄰?fù)翆觕和φ的0.5倍[6]，故取ci=0，φi=13.7°；常規(guī)漿液降低了頂管管壁與相鄰?fù)翆咏佑|面的內(nèi)摩擦角φi(φi=4.5°)，但由于護(hù)壁漿套沒形成好，數(shù)值計算中管壁與相鄰?fù)翆咏佑|面的黏聚力ci=1.0 kPa；優(yōu)化漿液較好地形成了護(hù)壁漿套，大大降低了管壁與相鄰?fù)翆咏佑|面的內(nèi)摩擦角φi(φi=1.5°)，但增加了接觸面的黏聚力ci(ci=5.2 kPa)。

表2概括了不同注漿工況下數(shù)值模型接觸面參數(shù)。

表2 數(shù)值模型接觸面參數(shù)

2.3 計算過程

數(shù)值計算分三階段進(jìn)行：第一階段約束模型底部邊界節(jié)點(diǎn)的水平和垂直位移，約束模型四周豎向邊界節(jié)點(diǎn)在各自邊界法線方向的水平位移，然后生成地基自重應(yīng)力；第二階段將頂管內(nèi)部土體設(shè)置為空模型以模擬已施工頂管內(nèi)部土體開挖，生成頂管管節(jié)及管節(jié)與相鄰?fù)翆咏佑|面，然后計算至模型力學(xué)平衡和變形穩(wěn)定；第三階段模擬管節(jié)頂進(jìn)，解除XZ邊界面處管節(jié)節(jié)點(diǎn)在頂管頂進(jìn)方向(Y方向)的約束(即將該處節(jié)點(diǎn)的平動自由度設(shè)置為自由)，生成10 m待頂進(jìn)管節(jié)模型，并對頂進(jìn)管節(jié)節(jié)點(diǎn)施加沿頂進(jìn)方向(Y方向)的恒定速度1.0×10-6m/每計算步。

數(shù)值計算除分析常規(guī)注漿和優(yōu)化注漿工況下頂管受力和變形外，還增加了未注漿工況下對比計算結(jié)果。

3 計算結(jié)果分析

對3種工況，分別通過第三階段累計計算2.0×104～5.0×105步，模擬管節(jié)在423.3 m進(jìn)尺下再累計頂進(jìn)20～500 mm。

3.1 管節(jié)及土層變形

圖4給出了423.3 m進(jìn)尺位置管節(jié)沿頂進(jìn)方向與周圍土體的相對變形，可以看出，管節(jié)被推出模型土體以外，管節(jié)網(wǎng)格與土體網(wǎng)格出現(xiàn)了明顯的相對滑動，因此，本文數(shù)值模型能較精確的模擬頂管施工及管節(jié)與周圍土體的相互作用。

圖4 423.3 m進(jìn)尺處管節(jié)與土層相對變形

圖5 未注漿工況下頂管施工變形云圖

圖6 常規(guī)漿液工況下頂管施工變形云圖

圖7 優(yōu)化漿液工況下頂管施工變形云圖

圖5～圖7分別給出了423.3 m進(jìn)尺下未注漿、常規(guī)漿液，以及優(yōu)化漿液工況頂管累計頂進(jìn)500 mm時土層水平及豎向變形云圖。由圖可見，未注漿工況下，頂管管節(jié)頂進(jìn)對管節(jié)頂面以上約1.4D1(D1為頂管內(nèi)徑)、管節(jié)底面以下約0.5D1范圍內(nèi)土層水平變形影響較大，最大水平變形約為20 cm；常規(guī)漿液工況下管節(jié)相鄰?fù)翆幼畲笏阶冃螢? cm，優(yōu)化漿液工況下管節(jié)相鄰?fù)翆觿t幾乎無水平變形。3種工況下，頂管管節(jié)頂進(jìn)均引起工作井處(Y=0 m)頂部土層出現(xiàn)沉降，接收井處(Y=423.3 m)頂部土層隆起，最大沉降或隆起均位于地表；未注漿、常規(guī)漿液以及優(yōu)化漿液工況下，頂管工作井處土層最大沉降分別為2.99 cm、1.82 cm、0.58 cm，頂管接收井處土層最大隆起分別為2.86 cm、1.74 cm、0.56 cm，即優(yōu)化漿液較未注漿工況降低工作井處土層沉降和接收井處土層隆起均約為80%，較常規(guī)漿液工況降低工作井處土層沉降和接收井處土層隆起均約為68%。

3.2 頂管軸力

圖8給出了423.3 m進(jìn)尺下未注漿、常規(guī)漿液，以及優(yōu)化漿液工況頂管累計頂進(jìn)20 mm-500 mm時管節(jié)沿頂進(jìn)方向的軸力分布。由圖可見，3種工況頂管隧道的軸力均在工作井位置最大，接收井位置最小，沿頂管軸向近似為線性分布；管節(jié)最大軸力均隨頂進(jìn)深度的增加而增大，但存在臨界頂進(jìn)深度，達(dá)到該深度后頂管軸力基本保持不變，這是由于臨界頂進(jìn)深度下管壁側(cè)摩阻力已充分發(fā)揮；在423.3 m下，未注漿、常規(guī)漿液，以及優(yōu)化漿液工況的臨界頂進(jìn)深度分別為300 mm、200 mm，以及60 mm，對應(yīng)的最大頂力分別為70 000 kN、21 000 kN，以及 12 000 kN，即優(yōu)化漿液最大頂力較未注漿工況降低約為83%，較常規(guī)漿液工況降低約為43%。

頂管在工作位置的軸力即等于施工頂力，因此，423.3 m頂進(jìn)進(jìn)尺下常規(guī)漿液和優(yōu)化漿液工況數(shù)值模型計算的最大施工頂力分別為21 000 kN和12 000 kN，與現(xiàn)場實(shí)測的20 000 kN及12 000 kN吻合較好，說明本文數(shù)值模型是合理的。

4 結(jié)論

本文基于烏蘭布和大口徑深埋頂管長距離穿越無水砂層現(xiàn)場試驗(yàn)，采用FLAC3D建立三維精細(xì)化數(shù)值模型，分析頂管頂進(jìn)及管節(jié)與周圍砂層相互作用，得出以下結(jié)論：

圖8 頂管軸力分布

(1)數(shù)值計算的頂進(jìn)管節(jié)網(wǎng)格與土體網(wǎng)格出現(xiàn)了明顯相對滑動，常規(guī)漿液和優(yōu)化漿液工況下管節(jié)最大施工頂力數(shù)值模型計算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果吻合較好，說明數(shù)值模型是合理的，能較精確地模擬頂管施工及管節(jié)與周圍土體相互作用。

(2)頂管施工引起工作井處頂部土層沉降，接收井處土層隆起；注漿能有效降低施工引起的土層變形，且優(yōu)化漿液較未注漿工況降低土層變形約為80%，較常規(guī)漿液工況降低土層變形約為68%。

(3)頂管隧道軸力在管節(jié)工作井位置最大，接收井位置最小，沿頂管軸向呈近似線性分布；注漿能有效降低施工頂力，優(yōu)化漿液最大頂力較未注漿工況降低約為83%，較常規(guī)漿液工況降低約為43%。