徐中秋，李杰如

(皖江工學(xué)院 土木工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000)

頂管法施工是一種常用于敷設(shè)地下管線的非開挖技術(shù),該技術(shù)保護(hù)環(huán)境效果良好，對地層的適應(yīng)性較強。相較于盾構(gòu)法施工及傳統(tǒng)的明挖法等工法,在無干擾破壞建筑設(shè)施、施工質(zhì)量安全及施工經(jīng)濟利潤等方面，具有不可替代的優(yōu)越性。

頂管法施工不僅會對管道周圍的土體產(chǎn)生擾動，還會使周圍的土體出現(xiàn)卸載或加載等復(fù)雜的力學(xué)行為[1-3]。此外，土體應(yīng)力狀態(tài)的不斷變化,還會使管道周圍土體產(chǎn)生變形和移動。當(dāng)土體變形超過一定范圍時，會嚴(yán)重危及鄰近構(gòu)筑物及其基礎(chǔ)、路面和地下管線的安全，引起一系列環(huán)境巖土問題。受地下空間限制,平行頂管多數(shù)為近間距施工，管道間相互作用勢必會影響周邊環(huán)境。因此，對平行頂管施工引起的地表變形、土體應(yīng)力及附加應(yīng)力分布、先施工頂管與后施工頂管之間的相互擾動影響進(jìn)行分析十分迫切。研究施工時管道間相互作用對平行頂管施工引起的環(huán)境效應(yīng)具有非常重要的意義[4-6]。

基于前人研究成果,通過室內(nèi)模型試驗，對比分析了頂管頂進(jìn)中地表土體的位移、土倉壓力、頂管徑向附加應(yīng)力與頂進(jìn)距離之間的關(guān)系,試驗結(jié)果與檢測數(shù)據(jù)基本吻合，可為頂管工程施工提供一定的參考作用。

1 工程概況

駱馬湖水源區(qū)三段和徐州市第二地表水廠工程取水規(guī)模和輸水管道規(guī)模均為80萬 m3/d，設(shè)計采用雙排D2020鋼管。經(jīng)過徐洪河段總長592 m，管道埋深4～17 m，頂管外徑D1=2.02 m，頂管橫向間距3.20 m，包括工作井和接收井。管道位于黏土層,具有高黏度、高強度、大摩擦因數(shù)的特點。因此,埋管開挖施工難度大，本工程宜采用非開挖施工。結(jié)合場地地質(zhì)條件和周邊環(huán)境條件,確定采用雙排短距離泥水平衡頂管施工方法,地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 地質(zhì)剖面

2 室內(nèi)模型試驗

2.1 相似原理

相似性原理是研究和認(rèn)識自然界相似性的理論基礎(chǔ)。系統(tǒng)是根據(jù)單一關(guān)系的相似性來構(gòu)建的,這種相似性是由特定過程或進(jìn)化過程的質(zhì)量決定的。這些現(xiàn)象之間的相似性取決于這種現(xiàn)象的物理相似性。

在頂管模型試驗中,需要保持土體質(zhì)量和管道結(jié)構(gòu)的相似性不變。然而，組件設(shè)計往往不能滿足模型的要求，即模型中存在“失真”。出現(xiàn)這種情況時測試方面有一定難度,而且測試結(jié)果的準(zhǔn)確性也有問題[7]。模型試驗最重要的是材料的選擇,不僅要考慮試驗的可操作性,而且要使相似材料滿足相似比。對于頂管結(jié)構(gòu),如果完全按照現(xiàn)場管道的原型進(jìn)行試驗,將大大增加試驗的難度。因此,有必要對復(fù)雜的管節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化,提高模型試驗的可行性。本試驗中相似常數(shù)根據(jù)式(1)的相似指數(shù)來確定，即

(1)

同時考慮到實驗室的空間限制，最終幾何相似比取CL=20。

2.2 相似材料的選取

相似材料的選擇對模型試驗的結(jié)果有顯著影響,同類材料的強度和尺寸應(yīng)按同類標(biāo)準(zhǔn)的要求選擇。因此,重點是如何從管片材料、注漿材料、圍巖材料3個方面選擇本次模型試驗所需的相似材料。

2.2.1 選定管節(jié)材料

在實際工程中,鋼筋混凝土頂管接頭材料一般為C50強度混凝土,其彈性模量為34.5 GPa,C20混凝土彈性模量為25.5 GPa,軸壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為13.4 MPa。根據(jù)相似準(zhǔn)則原理,如果在模型試驗中直接降低相似管道連接材料的強度,混凝土的強度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足相似準(zhǔn)則關(guān)系。在試驗條件和實際情況下,有人提出用石膏硅藻來滿足和結(jié)合相似性準(zhǔn)則的要求。土壤混合物模擬管接頭混凝土使用特殊鐵絲模擬管接頭加固,具體參數(shù)如表1所示。

表1 管節(jié)混凝土和鋼筋參數(shù)

2.2.2 選定注漿材料

注漿材料在頂進(jìn)過程中起著至關(guān)重要的作用。頂管施工過程中,頂管損失大,摩擦阻力大。當(dāng)頂管頂進(jìn)過程中,頂管機切削土體與后方混凝土管之間產(chǎn)生孔隙,觸變泥漿通過泥漿管注入孔隙,使得土體與混凝土管道摩阻力減小并且填充支持該土體,防止土體沉降坍塌。

觸變泥漿需選用專用成品泥漿材料,現(xiàn)場直接加水?dāng)嚢?。頂管潤滑注漿用的膨潤土必須是天然鈉基高粘膨潤土[8]，它是經(jīng)過嚴(yán)格的烘干、粉碎、干燥、球磨、過篩等工藝加工而成的半成品。在特殊地段或者是沉降控制較為嚴(yán)格的地段，觸變泥漿需添加高分子聚合物等新型材料，以減少地面沉降。

2.2.3 選定圍巖材料

按照相似的標(biāo)準(zhǔn)，圍巖材料的選擇在現(xiàn)場應(yīng)盡可能使用。因此，本次試驗中施工現(xiàn)場的原狀土作為圍巖材料的隧道返回。從現(xiàn)場采集沙樣后，在實驗室進(jìn)行清洗、噴灑和風(fēng)干，每12 h測量一次土壤含水量。初始土樣用0.3 mm方孔標(biāo)準(zhǔn)骨料過篩，在初始土樣中加水，得到含水量22%的樣品，建立試驗土模型。表2列舉了原狀土物理力學(xué)參數(shù)。

表2 黏土物理力學(xué)參數(shù)

2.3 模型設(shè)備總體設(shè)計

為滿足試驗要求，根據(jù)相似準(zhǔn)則選擇該套頂管模型試驗設(shè)備系統(tǒng)，具體構(gòu)件(部件之類的名詞)如下：

1)模型箱尺寸為1 000 mm×800 mm×800 mm，該模型箱密封性好，箱體框架強度高，鋼化玻璃透明可視；

2)切土系統(tǒng)可以完成切土工作，并把切下的土運出；

3)頂管機系統(tǒng)可以控制頂進(jìn)速度并且在土體中頂進(jìn)，機頭和管節(jié)、內(nèi)部設(shè)備之間可以拆卸；

4)注漿系統(tǒng)包括有存儲漿液的裝置,在注漿的過程中可調(diào)整注漿壓力大??；

5)信息監(jiān)測系統(tǒng)對地表豎向位移變化實時監(jiān)測,對頂管頂進(jìn)過程頂力、土倉壓力、注漿壓力監(jiān)測記錄,對已頂進(jìn)管道徑向附加應(yīng)力實時監(jiān)測(監(jiān)測點布置位置見圖2～3)。

圖2 土壓力盒布置

圖3 土體豎向位移監(jiān)測

2.4 試驗步驟

1)按相似標(biāo)準(zhǔn)分層填土，每層高5 cm，然后夯實。夯實后，按相似比例加水，填埋土至頂進(jìn)管高度后停止，并繼續(xù)下一步。

2)預(yù)埋土壓力盒，感應(yīng)元件布設(shè)在管道通過區(qū)域周邊具有代表性的位置，本試驗布設(shè)在平行頂管2次不同頂進(jìn)區(qū)域周邊6個位置。

3)在第一步的基礎(chǔ)上繼續(xù)充填土體、壓緊、加水，填充到規(guī)定高度時停止，隨后進(jìn)行8 h不排水固結(jié)。

4)將位移傳感器放置在模型箱的頂部支架上，根據(jù)需要的測試次數(shù),確保支架穩(wěn)定，采集的數(shù)據(jù)全面準(zhǔn)確，將其放置。

5)調(diào)試各種電子元件和計算機軟件參數(shù)進(jìn)行試運行，確保設(shè)備在以后的正式頂進(jìn)模擬中準(zhǔn)確可靠地工作。

6)將同樣按照相似原理配制的漿料倒入漿料槽中,記錄初始值。打開氣泵,將氣壓推入漿槽,在氣壓的作用下將漿槽內(nèi)的漿液注入管道。注漿過程中，保證氣壓穩(wěn)定并實時記錄，不斷觀察壓力值，確保注漿順暢不堵塞。

7)控制電機推動頂管機,控制頂管機頂進(jìn)速度為4 mm/min，控制刀盤速度為5 rad/min,速度均勻、頂推力穩(wěn)定，使頂管機連續(xù)頂進(jìn)至測試最后安全結(jié)束。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 頂推力、掌子面壓力與頂進(jìn)距離關(guān)系

隨著頂進(jìn)距離的增加，頂推力增加到峰值后減小并最終趨于穩(wěn)定。由于土體質(zhì)量,頂推力繼續(xù)增加，摩擦阻力隨著頂管機與頂管的接觸面積增大而增大。隨后,減阻泥漿緩慢介入,頂管與土體之間的摩擦阻力達(dá)到峰值(頂距達(dá)到250 mm)，最大恒力為0.5 kN。由于泥漿的作用,頂管與土體之間的摩擦力減小,最終泥漿減阻效果有限,頂推力最終趨于穩(wěn)定。由于頂管機在頂管過程中與土壤不斷擠壓，掌子面的壓力一直在增加，注入泥漿也會對土體產(chǎn)生壓力，最大土壓力為 5.1 kPa。頂管頂進(jìn)試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 頂力、土倉壓力隨頂進(jìn)距離變化曲線

3.2 地表豎向位移與頂進(jìn)距離的關(guān)系

頂管機繼續(xù)推進(jìn),通過與頂管機不同間距的4組監(jiān)測點監(jiān)測土體的垂直位移，各組監(jiān)測點數(shù)據(jù)如圖5所示。由圖5可以看出，表層土體豎向位移初步呈增加趨勢，當(dāng)頂距達(dá)到100 mm時，垂直位移達(dá)到峰值。距離頂管機越近,垂直位移越大,最后頂管機通過監(jiān)測斷面,地面垂直位移表面逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定；各監(jiān)測點的最大垂直位移分別為：1號監(jiān)測點0.125 mm，2號監(jiān)測點0.13 mm，3號監(jiān)測點0.15 mm，4號監(jiān)測點0.17 mm，基本上沿行進(jìn)方向增加。

圖5 掘進(jìn)方向土體的豎向位移

由于頂管機切割速度慢,頂管機頂部一直壓在土體上,造成土體受壓,表層土體隆起；土體切割速度慢,導(dǎo)致土倉內(nèi)壓力過大,使監(jiān)測點值增大。由圖可知,頂管頭的切削速度和切削后土體的開挖速度都會引起土體壓力和掌子面壓力的變化,從而導(dǎo)致頂管機頭前方的地表垂直位移發(fā)生變化。

3.3 土壓力變化規(guī)律與頂進(jìn)距離的關(guān)系

1號頂管頂進(jìn)時土體模型兩排監(jiān)測斷面土壓力變化情況曲線如圖6所示，位于開挖部分右側(cè)近處的監(jiān)測點為1、2、3，遠(yuǎn)處的監(jiān)測點為4、5、6。

圖6 頂進(jìn)1號管引起土壓力分布曲線

由圖6可以看出：土體模型同一深度監(jiān)測點的土壓力發(fā)生變化。1號頂管在第一階段頂進(jìn)時,頂進(jìn)側(cè)附近的1、2、3號監(jiān)測點土壓力變化較大，呈現(xiàn)較大變化。當(dāng)機頭到達(dá)監(jiān)測點位置時，振幅增大，土壓力達(dá)到最大值。1號監(jiān)測點最大值為3.27 kPa，2號監(jiān)測點為3.11 kPa, 3號監(jiān)測點為2.98 kPa。頂管通過監(jiān)測點后，監(jiān)測點土壓力呈小幅下降并逐漸趨于穩(wěn)定。不同側(cè)監(jiān)測點4、5、6的土壓力變化速度明顯較小。由于監(jiān)測點距離頂管頂進(jìn)側(cè)較遠(yuǎn),在截面土體上產(chǎn)生的土壓力較小，最大土壓力值為0.56 kPa，3個監(jiān)測點的土壓力變化曲線基本接近。

2號頂管頂進(jìn)時土體模型兩排監(jiān)測斷面土壓力變化情況如圖7所示，位于開挖部分左側(cè)近處的監(jiān)測點為4、5、6，遠(yuǎn)處的監(jiān)測點為1、2、3。

圖7 頂進(jìn)2號管引起土壓力分布曲線

由圖7可以看出：當(dāng)2號頂管處于頂進(jìn)階段時，頂管頂側(cè)附近的監(jiān)測點4、5、6土壓力變化較大，呈大幅增加趨勢，并到達(dá)機器的前端。土壓力在監(jiān)測點位置達(dá)到最大值，4號檢測點最大值為3.33 kPa，5號檢測點為3.11 kPa，6號檢測點為3.09 kPa。頂管通過測點后,測點土壓力呈小幅下降并逐漸趨于穩(wěn)定。不同側(cè)監(jiān)測點1、2、3的土壓力變化率明顯較小。由于監(jiān)測點距離頂管頂側(cè)較遠(yuǎn),在截面土體上產(chǎn)生的土壓力較小。最大土壓力值為0.58 kPa，3個監(jiān)測點的土壓力變化曲線基本接近。

4 結(jié)論

1)該室內(nèi)模型試驗中的注漿系統(tǒng)可以精確控制管土間注漿壓力，頂管機系統(tǒng)可以控制掌子面壓力和頂進(jìn)速率，試驗環(huán)境與實際場景相接近。

2)通過現(xiàn)場監(jiān)測與模型試驗對比，發(fā)現(xiàn)在注漿條件下的頂推力和掌子面壓力隨著頂進(jìn)距離的增大而表現(xiàn)出的規(guī)律基本一致，進(jìn)而驗證了模型試驗的可行性。

3)實際現(xiàn)場注漿壓力應(yīng)合理控制,同時在施工過程中，需要把刀盤的旋轉(zhuǎn)速率和頂進(jìn)速率相結(jié)合，使開挖速度和掌子面壓力得到合理控制，實現(xiàn)控制土體豎向位移變化。

4)先頂進(jìn)的管節(jié)會對土體產(chǎn)生一定的擾動，后頂進(jìn)管在頂進(jìn)時出現(xiàn)了更大的沉降速度。頂管在頂進(jìn)過程中對土體擾動產(chǎn)生的最大應(yīng)力出現(xiàn)在管道的中心截面，對遠(yuǎn)處土體的擾動較小。