頂管施工中土體劈裂產(chǎn)生的機(jī)理分析

(1.江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 淮安 223100；2.江蘇洪澤經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)管委會(huì),江蘇 淮安 223100)

由自然因素或人為因素引起的土體劈裂現(xiàn)象早已被了解到，并應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。由水壓力的升高導(dǎo)致土體中產(chǎn)生裂縫即水力劈裂現(xiàn)象，也已通過改善地層的滲透性[1]，較早地被應(yīng)用于石油開采、地?zé)豳Y源開發(fā)等行業(yè)以提高產(chǎn)量。同時(shí)，土石壩的滲漏和破壞與其心墻所采用防滲體的水力劈裂現(xiàn)象也密切相關(guān)[2]。隨著注漿技術(shù)的發(fā)展，土體劈裂被應(yīng)用到地基處理領(lǐng)域[3-4]，劈裂注漿工法就是用較高的注漿壓力將漿液劈入土層中，從而加固致密土層[5]。本文依據(jù)頂管試驗(yàn)中觀測到的土體劈裂現(xiàn)象，分析和討論頂管施工中土體劈裂產(chǎn)生的機(jī)理和注漿條件對它的影響，并給出現(xiàn)場頂管施工以及頂管穿越淺覆土施工的建議。

1 地表冒漿現(xiàn)象

通過頂管試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在頂管頂進(jìn)過程中，若漿液流量控制不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致管壁周圍土體壓力過大，當(dāng)壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，頂管周圍土體會(huì)產(chǎn)生劈裂。注漿壓力越大，注漿量越多時(shí)，裂縫也會(huì)變大，甚至發(fā)展至地表，使?jié){液延裂縫流出地表，產(chǎn)生冒漿現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)過程中的冒漿現(xiàn)象

地表冒漿現(xiàn)象說明了試驗(yàn)中頂管頂進(jìn)時(shí)注漿引起的土體劈裂的存在，也顯示了土體劈裂對頂管施工的危害。注漿時(shí)產(chǎn)生的土體劈裂、甚至地表冒漿，不但浪費(fèi)材料，破壞周圍環(huán)境，還減弱了泥漿護(hù)套的潤滑效果，影響頂管施工。水下淺覆土頂管施工時(shí)，如果裂縫發(fā)展至河底，就會(huì)導(dǎo)致大量河水灌入，使頂管受浮力作用，甚至導(dǎo)致工程事故的發(fā)生。

2 劈裂的機(jī)理分析

現(xiàn)場頂管施工中，掘進(jìn)機(jī)開挖半徑略大于頂管管節(jié)外徑，多挖土體(很小)將由掘進(jìn)機(jī)管尾注漿填充，并需要在頂進(jìn)過程中經(jīng)常補(bǔ)漿。實(shí)際上所需的注漿量(體積)遠(yuǎn)大于多開挖土體的體積，這個(gè)體積差異將造成土體的劈裂現(xiàn)象。頂管模型試驗(yàn)中，忽略了多開挖土體的影響，更容易出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象。

2.1 簡化的劈裂模型

頂管注漿過程中，觸變泥漿在注漿壓力pin和高程差的合力p0的作用下，對頂管管壁周圍土體產(chǎn)生擠壓作用pu，當(dāng)pu達(dá)到周圍土體劈裂壓力pf時(shí)，產(chǎn)生劈裂現(xiàn)象，土體出現(xiàn)裂縫，泥漿沿裂縫發(fā)展，并使pu降低。注漿引起的土體劈裂對周圍土體破壞較小，并沒有出現(xiàn)明顯的塑性流動(dòng)，所以分析時(shí)仍將土體作為彈性體。

分析頂管注漿引起的土體劈裂時(shí)，對理論模型作如下假設(shè)：

a.頂管頂進(jìn)時(shí)掘進(jìn)機(jī)對周圍土體的擾動(dòng)同時(shí)包括剪切、擠壓、卸荷等影響，變化較為復(fù)雜，分析時(shí)忽略這些影響，只考慮注漿引起的土體應(yīng)力。

b.頂管管壁土體是均勻的連續(xù)的彈性體，土體飽和，小變形。

c.觸變泥漿在土中不存在滲透流動(dòng)，當(dāng)土體發(fā)生劈裂時(shí)，泥漿沿劈裂裂縫流動(dòng)，但不改變土體應(yīng)力場，且劈裂土體與泥漿混合后可以承載更大的應(yīng)力。

按上述假設(shè)，頂管注漿對土體應(yīng)力影響如圖2所示。

圖2 頂管注漿劈裂示意圖

頂管頂進(jìn)時(shí)，平均速度約為20mm/min，速度較小，且頂管管壁不直接與土體接觸，故可以忽略剪切力的影響，土體應(yīng)力主要為σθ、σr。土體彈性模量為E，泊松比μ，上覆土層厚度h。

頂管注漿影響簡化為彈性半無限平面圓孔擴(kuò)張問題，應(yīng)力場大于pf區(qū)域內(nèi)土體產(chǎn)生劈裂并存在觸變泥漿。

2.2 模型的解析解

彈性半無限平面圓孔擴(kuò)張問題的解析解由Verruijt(1998)[6]給出，推導(dǎo)時(shí)用復(fù)變函數(shù)法，即用復(fù)數(shù)z表示平面上的一點(diǎn)，各處應(yīng)力可由z平面上的解析函數(shù)表示[7]。

式中σx——x軸方向土體應(yīng)力,MPa；

σy——y軸方向土體應(yīng)力,MPa；

τxy——作用在垂直于x軸面上且沿著y軸方向土體剪應(yīng)力，MPa；

Verruijt求解時(shí)，首先采用保角映射，將z平面映射到ζ平面，保角映射的公式是:

式中R0——頂管內(nèi)徑,m；

h——上覆土層厚度,m；

α——由頂管內(nèi)徑與深度比值定義的參數(shù)，α<ζ<1；

ω(ζ)——保角變換函數(shù)。

其中α滿足

那么z平面上的解析函數(shù)可映射到ζ平面上，即

φ(z)=φ(ω(ζ))=φ(ζ)

ψ(z)=ψ(ω(ζ))=ψ(ζ)

Verruijt給出了兩個(gè)應(yīng)力函數(shù)的解答

式中

這樣，就可以得出由壓力p0引起的土體應(yīng)力變化。

再考慮土體重力造成的初始附加應(yīng)力，對于深度為d的土體，有

σy0=γd

σx0=k0γd

式中σx0——x軸方向初始土體附加應(yīng)力,MPa；

σy0——y軸方向初始土體附加應(yīng)力,MPa；

γ——土的平均重度，kN/m3;

水位線以下土體需減去浮力影響，k0是靜土壓力系數(shù)。

2.3 劈裂壓力和危險(xiǎn)面

頂管頂進(jìn)時(shí)管壁的摩擦力，由于頂速較慢和觸變泥漿的存在，對土體劈裂的影響較小，故頂管注漿對周圍土體只有延管節(jié)徑向的壓力，不存在剪切力，所以土體主要是受拉劈裂破壞[8]。而土體一般不能承受拉力

pu≥σt=0

也就是說土體最大主應(yīng)力σ1>0處將出現(xiàn)土體劈裂。

按上述假設(shè)將土體視為彈性體，那么會(huì)導(dǎo)致地表冒漿現(xiàn)象的危險(xiǎn)面就是土體的上表面，即地表或者河底處。而實(shí)際上根據(jù)土體的成分、物理力學(xué)性質(zhì)，可能存在天然的縫隙，增加冒漿出現(xiàn)的可能性，故在計(jì)算注漿壓力時(shí)，需綜合考慮這些因素，設(shè)定地表(或河底)以下一定深度處作為危險(xiǎn)面，這個(gè)深度應(yīng)至少大于1m。

3 實(shí)例分析

通榆河北延送水工程灌河地涵工程頂管外徑 4.16m，中心高程-15.5m，觸變泥漿壓漿機(jī)高程為 4.0m。頂管現(xiàn)場施工時(shí)，在灌河河床有一處淺覆土，最淺處覆土厚度僅為 4.6m，土層參數(shù)見下表所列。施工存在很大風(fēng)險(xiǎn)，需驗(yàn)算并選擇合理的注漿方案。

淺覆土地層參數(shù)表

計(jì)算結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 注漿壓力 0.10MPa時(shí)頂管軸線上方土體應(yīng)力

圖4 注漿壓力 0.15MPa時(shí)頂管軸線上方土體應(yīng)力

圖5 注漿壓力 0.20MPa時(shí)頂管軸線上方土體應(yīng)力

圖6 不同注漿壓力下土體劈裂區(qū)域

圖3～圖5給出了頂管軸線上方土體在不同注漿壓力下不同深度的應(yīng)力大小，x方向是壓力，y方向以拉力為主，剪切力相對較小，這也可以說明土體劈裂是受拉破壞。隨著注漿壓力的增加，σy也在變大，土體劈裂范圍也會(huì)變大。

注漿壓力分別為0.10MPa、0.15MPa和0.20MPa時(shí)土體劈裂范圍如圖6所示，若取河床以下1m處為危險(xiǎn)面，可以看到，注漿壓力應(yīng)不大于0.15MPa。

4 結(jié) 語

頂管中泥漿護(hù)套可以顯著地減小頂管施工中所需的頂力，使長距離頂管順利施工。但泥漿護(hù)套在注漿過程中不可避免地會(huì)對周圍地層施加一個(gè)膨脹力，膨脹力的大小與漿液的濃度、注漿量相關(guān)。漿液濃度大，則漿液流動(dòng)性越差，注入壓力增大；漿液濃度小，流動(dòng)性好，注入壓力減小，但流量可能會(huì)增加。

漿液注入產(chǎn)生的膨脹作用力有可能使周圍地層產(chǎn)生劈裂現(xiàn)象。當(dāng)頂管上覆土層厚度較小時(shí)，地層裂縫可能會(huì)延伸到地表，從而產(chǎn)生地面冒漿現(xiàn)象。水下淺覆土頂管施工時(shí)，如果出現(xiàn)冒漿，將會(huì)對施工和環(huán)境造成不良影響，河水會(huì)通過裂縫灌入泥漿護(hù)套，不僅破壞泥漿護(hù)套的形成，還會(huì)對頂管管節(jié)施加上浮力，破壞頂管施工。因此頂管穿越淺覆土施工時(shí)，建議采取如下措施：

關(guān)閉頂管上部兩個(gè)注漿開關(guān)，防止上部土體劈裂；增大注漿壓力，但最大壓力應(yīng)小于周圍土體的劈裂壓力，劈裂壓力可以計(jì)算，給出頂管過淺覆土施工時(shí)的最大注漿壓力，為0.15MPa。