基于FLAC-3D 的頂管施工護(hù)壁泥漿套研究

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(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室〈中南大學(xué)〉，湖南 長(zhǎng)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(lèi)型。 此種方法不必開(kāi)挖面層,而且能夠穿越山地，河流，道路，建筑，以及各類(lèi)地下管線等，在我國(guó)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(lái)越先進(jìn)。 近十年來(lái),隨著市場(chǎng)建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，各類(lèi)建筑也越來(lái)越多, 對(duì)環(huán)境保護(hù)、 生態(tài)文明的要求也越來(lái)越高， 管線明槽開(kāi)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(lái)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(diǎn)與不足。 在管道建設(shè)項(xiàng)目中,頂管施工技術(shù)己被廣泛應(yīng)用。 但在實(shí)際設(shè)計(jì)施工過(guò)程中,由于受到復(fù)雜多變的地理?xiàng)l件等因素的影響,存在諸多技術(shù)問(wèn)題,尚須結(jié)合實(shí)際進(jìn)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(duì)頂管施工過(guò)程中的狀態(tài)進(jìn)行模擬， 研究在頂進(jìn)過(guò)程中漿液形成泥漿套的問(wèn)題。

1 頂管施工模型的建立

FLAC-3D 是一款國(guó)際通用的巖土工程專(zhuān)業(yè)分析軟件， 其具備廣泛的模擬能力和不俗的計(jì)算體系。 軟件涉及到了針對(duì)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(zhuān)業(yè)性，因此被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的模擬試驗(yàn)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(jì)算模型時(shí)，需要考慮的是所建模型的幾何條件與物理?xiàng)l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(jì)算效率。 確定模型范圍， 通過(guò)計(jì)算截取施工部分作為研究對(duì)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?biāo)點(diǎn)開(kāi)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?chē)翆印ⅲ?）護(hù)壁泥漿套、（3）鋼筋混凝土管道、（4）刀盤(pán)、（5）施工前端土層、（6）開(kāi)挖土層。

應(yīng)用網(wǎng)格生成命令， 分別建立6 個(gè)分組來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格 模 型 的 6 個(gè) 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(gè)模型共計(jì)6.2 萬(wàn)個(gè)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(shí)的物理力學(xué)狀態(tài)，絕大多數(shù)時(shí)候需要建立比較復(fù)雜的本構(gòu)模型， 但是在實(shí)際模擬過(guò)程中， 精度達(dá)到一定條件時(shí)， 又要求本構(gòu)模型簡(jiǎn)單實(shí)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(qiáng)度不同的S-D效應(yīng)， 又簡(jiǎn)單實(shí)用， 材料參數(shù)可通過(guò)不同的常規(guī)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定， 故而是最通用的巖土體本構(gòu)模型。 本文中的土體及護(hù)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(wú)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(duì)風(fēng)積沙土工程特性進(jìn)行了研究；袁玉卿等[6]針對(duì)風(fēng)積沙壓實(shí)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究；包建強(qiáng)等[7]針對(duì)內(nèi)蒙古沙漠地區(qū)風(fēng)積沙本構(gòu)模型進(jìn)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(dòng)時(shí)呈凝膠狀態(tài)， 受到外力作用后變成溶膠， 再靜置一段時(shí)間后恢復(fù)成凝膠狀態(tài)。 它在長(zhǎng)時(shí)間靜置時(shí)也不發(fā)生聚沉和離析現(xiàn)象。 在擾動(dòng)時(shí)具有足夠的流動(dòng)性， 即觸變性。 觸變性是施工過(guò)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(qiáng)度增加， 形成一層薄而堅(jiān)韌、 不透水的固體顆粒膠結(jié)物，即泥皮。

本文通過(guò)查閱資料，再結(jié)合本工程實(shí)際，對(duì)工程樣本進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)， 最終確定模型取值。 無(wú)水砂層和護(hù)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(wú)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(pán)部分， 其材料的剛度遠(yuǎn)大于土體和護(hù)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(pán)模型取值如表2 所示[8-9]。

表1 無(wú)水砂層與護(hù)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(pán)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(jì)算結(jié)果

本文所研究數(shù)值模擬的主要對(duì)象是頂管工程施工過(guò)程中的護(hù)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?chē)翆又械膸r土體由于自身重力影響， 已處于壓實(shí)平衡狀態(tài)。 因此在模型求解計(jì)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(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果有比較大的影響。 完成對(duì)模型的邊界條件設(shè)置后， 首先進(jìn)入平衡狀態(tài)響應(yīng)， 恢復(fù)其初始平衡狀態(tài)。 進(jìn)行頂管施工過(guò)程中的應(yīng)力施加，改變模型各個(gè)組成部分的模型參數(shù)。 執(zhí)行變更完成后，開(kāi)始對(duì)模型進(jìn)行求解計(jì)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(guò)程中的護(hù)壁泥漿套的狀態(tài)是基于以下假設(shè)和簡(jiǎn)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(shí)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(pán)切削土體的振動(dòng)所產(chǎn)生的擾動(dòng)土體現(xiàn)象[10]。

調(diào)節(jié)注漿壓力，分別對(duì)模型進(jìn)行求解過(guò)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(shí)，護(hù)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(hù)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(hù)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(hù)壁泥漿套向外擴(kuò)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(shí)頂管機(jī)頂力不得不增大， 進(jìn)而增加刀盤(pán)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(jì)采用DN3000 鋼筋混凝土管頂管施工， 最長(zhǎng)頂段423.3m，管道全程穿越無(wú)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(jìn)長(zhǎng)度的關(guān)鍵影響因素。 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用對(duì)頂管頂進(jìn)的潤(rùn)滑減阻系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析， 著重分析漿液流動(dòng)過(guò)程中的成套機(jī)理和對(duì)孔壁的沖擊壓力及支護(hù)作用， 分析漿液成套后與地面變形間的關(guān)系和管道頂進(jìn)中側(cè)摩阻關(guān)系， 通過(guò)對(duì)頂管頂進(jìn)中護(hù)壁減阻系統(tǒng)各類(lèi)參數(shù)和影響因素的監(jiān)測(cè)，開(kāi)展數(shù)據(jù)分析， 將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析， 進(jìn)而形成一套高效優(yōu)化的針對(duì)沙漠地區(qū)頂管施工護(hù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定采用雙液注漿，即采用優(yōu)質(zhì)濃泥漿機(jī)頭注漿形成泥漿套護(hù)壁； 無(wú)固相減阻潤(rùn)滑漿液沿線跟進(jìn)補(bǔ)漿以減小頂管頂進(jìn)阻力， 采用螺桿泵作為注漿泵， 減小注漿脈動(dòng)， 根據(jù)計(jì)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(shí)施注漿后， 整段管道頂力基本隨頂進(jìn)距離的增大而逐步增大， 其中： 在初始頂進(jìn)時(shí)因管外壁未注漿，因此頂力增長(zhǎng)較快，一旦開(kāi)始注漿后，頂力迅速降低，隨后開(kāi)始緩慢增長(zhǎng)；部分管節(jié)頂力突變較大，經(jīng)分析， 是由于現(xiàn)場(chǎng)操作部分機(jī)械故障， 檢修更換導(dǎo)致停頂時(shí)間較長(zhǎng)從而使頂力增大； 另外在即將進(jìn)洞前，由于刀盤(pán)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(yuǎn)小于計(jì)算頂力30150KN，注漿護(hù)壁減阻達(dá)到了預(yù)期效果。 工程實(shí)際應(yīng)用效果與前述理論模型分析結(jié)果吻合， 進(jìn)一步說(shuō)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(guò)程中，如果可以保持護(hù)壁泥漿套時(shí)刻都呈現(xiàn)一個(gè)良好的狀態(tài)， 將會(huì)對(duì)工程施工的效率和安全性有很大的提升和保障；

（2） 施工過(guò)程中的護(hù)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(hù)壁泥漿套的完整度的；

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