注漿作用下混凝土頂管頂力影響因素?cái)?shù)值研究

(中冶沈勘工程技術(shù)有限公司 遼寧 沈陽(yáng) 110169)

一、引言

隨著頂管技術(shù)的進(jìn)步，頂管工程向著頂進(jìn)距離長(zhǎng)、頂管直徑大的方向發(fā)展，在這類(lèi)頂管工程中，注漿工藝已成為很關(guān)鍵的施工工藝，良好的注漿效果能夠較大程度的減少管周摩擦阻力，降低主頂壓力，使頂管頂進(jìn)過(guò)程得以順利進(jìn)行，而注漿效果與注漿壓力、注漿速度和泥漿套厚度有很大關(guān)系。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)注漿減阻技術(shù)也有很多的研究。Haslem[1]研究表明觸變泥漿具有較好的膨脹性、封閉性。低滲透性，能夠在土層與頂管之間形成泥漿套，可較大程度地降低管周摩阻力；喻軍[2]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究泥漿的微觀結(jié)構(gòu)組成與頂管力的關(guān)系，優(yōu)化泥漿的配置和頂管的施工工藝，得出結(jié)論泥漿套的形成可以降低管土間摩擦系數(shù)為原來(lái)的0.28倍左右；張立新[3]結(jié)合工程實(shí)例，表明大直徑長(zhǎng)距離頂管的成敗一個(gè)重要因素在于注漿減阻效果的好壞，應(yīng)合理布置注漿系統(tǒng)；李萬(wàn)才[4]對(duì)注漿原理、注漿工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述和討論；張龍[5]結(jié)合實(shí)際工程對(duì)注漿工藝作了改進(jìn)，計(jì)算表明改進(jìn)后的注漿工藝比常規(guī)的注漿工藝要好；肖世國(guó)[6]采用室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)管幕內(nèi)頂進(jìn)箱涵時(shí)其表面摩擦系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究；李方楠[7]等針對(duì)施工影響因素，提出了考慮注漿壓力的頂管施工的地層移動(dòng)的計(jì)算方法，結(jié)果表明考慮注漿壓力的影響可以得到與實(shí)際變形更為接近的計(jì)算結(jié)果，此外，考慮注漿壓力可以解釋實(shí)測(cè)位移中的隆起現(xiàn)象。

上述已有研究對(duì)頂管注漿工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究、理論分析，但研究側(cè)重于注漿工藝的改進(jìn)、室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)于頂管施工中的注漿作用研究主要集中在泥漿的填充與減阻作用，缺少對(duì)于注漿壓力支護(hù)作用的定量研究。本文在沈陽(yáng)五愛(ài)變進(jìn)線(xiàn)頂管隧道工程實(shí)例基礎(chǔ)上，通過(guò)有限元模擬對(duì)注漿壓力、注漿時(shí)間效應(yīng)、泥漿套厚度及注漿不均勻性四種因素對(duì)頂力的影響規(guī)律進(jìn)行研究，以期為類(lèi)似頂管工程提供參考和依據(jù)。

二、有限元分析方法

(一)有限元模型建立

頂管頂進(jìn)過(guò)程為三維問(wèn)題，根據(jù)工程實(shí)際參數(shù)，確定混凝土頂管外徑為4.2m，管厚度為0.32m，每節(jié)管片長(zhǎng)為2.5m，地表到頂管中心的距離為13m。土體彈塑性本構(gòu)模型為摩爾庫(kù)倫模型。有限元模型建立如圖2.1所示：

圖1 有限元計(jì)算模型

(二)模型計(jì)算參數(shù)

土體及頂管模型基本力學(xué)參數(shù)如下表：

表1 材料力學(xué)參數(shù)

注：砂性土的粘聚力為0，這里為了便于模擬計(jì)算，將其設(shè)為3KPa。

三、工程實(shí)測(cè)與有限元結(jié)果對(duì)比分析

(一)注漿壓力對(duì)管周摩阻力的影響分析

為了更直觀地研究注漿壓力對(duì)管土之間摩阻力的影響情況，進(jìn)一步探究注漿壓力對(duì)頂管頂力的影響規(guī)律，在模擬頂管頂進(jìn)過(guò)程中分別在混凝土頂管與周?chē)馏w之間施加注漿壓力p=0、0.2、0.4、0.8、1.0、1.2MPa進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如下：

圖2 不同注漿壓力下管周摩阻力云圖

由圖2可知，在頂管不注漿的情況下，管周摩阻力的最大值為348kPa，當(dāng)頂管開(kāi)始注漿后，隨著頂管注漿壓力的增大，管周摩阻力持續(xù)降低，且降低的幅度逐漸變小。這是因?yàn)橛捎谀酀{的存在，頂管與土體之間的硬摩擦?xí)捎谀酀{的存在變?yōu)闈衲Σ粒瑴p小了管土之間的摩阻力。當(dāng)注漿壓力繼續(xù)增大，泥漿會(huì)充滿(mǎn)頂管與土體之間的空隙，進(jìn)而在頂管的外圍形成一個(gè)較為完整的泥漿套，則接下來(lái)注入的泥漿會(huì)由于自重的作用流到管道底部，隨后向上漲，頂管的有效重量將會(huì)變小。頂管在這樣的泥漿套包圍中頂進(jìn)時(shí)，其受到的摩阻力繼續(xù)降低。但當(dāng)注漿壓力為1.2MPa時(shí)，管周摩阻力反而有所上升，這印證了注漿壓力對(duì)頂管頂力的影響較為明顯的推斷。因此在頂管頂進(jìn)過(guò)程中注漿壓力過(guò)大并不能起到良好的減阻效果，應(yīng)將注漿壓力控制在合理的范圍內(nèi)，沈陽(yáng)五愛(ài)頂管工程中，注漿壓力的平均值為0.6MPa，可知此時(shí)的注漿壓力能夠有效降低管土之間摩阻力。

(二)注漿時(shí)間效應(yīng)對(duì)管土摩阻力的影響分析

在長(zhǎng)距離頂管工程中，由于泥漿層自身的觸變性或者施工停頓的影響，會(huì)出現(xiàn)離頂管機(jī)較近的注漿層所受的擾動(dòng)較大，彈性模量較小，而遠(yuǎn)離開(kāi)挖面的注漿層所受的擾動(dòng)較小，彈性模量較大，本文將這種現(xiàn)象稱(chēng)為注漿層的時(shí)間效應(yīng)。

為了研究注漿時(shí)間效應(yīng)對(duì)管土之間摩阻力的影響情況，本節(jié)通過(guò)改變不同頂距處的泥漿壓力、泥漿彈性模量來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬。選取的注漿層參數(shù)如下：與頂管機(jī)尾的距離分別為小于等于4m，4至8m，大于等于8m，注漿壓力分別為0.2、0.4、0.6MPa，彈性模量分別為30、40、50MPa。模擬結(jié)果如下：

圖3 兩種情況下土體摩阻力對(duì)比云圖

由圖3可以看出，考慮注漿時(shí)間效應(yīng)的土體摩阻力最大值為2.86×105KPa，不考慮注漿時(shí)間效應(yīng)的土體摩阻力最大值為2.72×105KPa，兩者之比為1.05。這說(shuō)明在實(shí)際頂管工程中，當(dāng)出現(xiàn)泥漿本身結(jié)構(gòu)的改變時(shí)，頂管與土體之間的摩阻力將會(huì)增大，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要有兩個(gè)：一是膨潤(rùn)土經(jīng)加水?dāng)嚢韬蟪蔀閼腋∫?，?dāng)膨潤(rùn)土懸浮液靜止時(shí)候，薄片狀的蒙脫石微粒會(huì)由分散狀經(jīng)過(guò)絮凝形成凝膠體，而此時(shí)泥漿的主要作用是支撐頂管周?chē)耐翆?，?dǎo)致重新頂進(jìn)時(shí)泥漿起到的減摩效果并不是很理想。二是由于土間摩阻力的大小除了與管土間接觸壓力和摩擦系數(shù)有關(guān)外，還與泥漿靜剪力的大小成正相關(guān)，隨著施工停頓導(dǎo)致泥漿靜置時(shí)間的增加，泥漿的靜剪力也會(huì)相應(yīng)增大，從而引起管土間摩阻力增加。

四、結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法模擬在注漿條件下混凝土頂管在砂性土層頂進(jìn)過(guò)程中，由于頂管注漿參數(shù)的改變和施工工藝兩方面的影響情況下引起管土間摩阻力值的變化情況。將對(duì)實(shí)際頂管工程具有重要的參考價(jià)值，得到的結(jié)論如下：

(1)隨著注漿壓力的增大，管土間摩阻力值注漿降低，但當(dāng)注漿壓力增大到一定程度后，頂管摩阻力不再降低，反而會(huì)增大。通過(guò)模擬對(duì)比可以得到注漿壓力介于0.6～1.0MPa之間時(shí)，注漿效果良好，此最佳范圍驗(yàn)證了沈陽(yáng)五愛(ài)頂管工程中所采用的注漿壓力0.6MPa是可行的；

(2)在長(zhǎng)距離頂管工程中，當(dāng)考慮注漿時(shí)間效應(yīng)時(shí)，管土間側(cè)摩阻力有所上升。通過(guò)計(jì)算，在頂管沿線(xiàn)過(guò)程中考慮注漿時(shí)間效應(yīng)時(shí)的管周摩阻力為不考慮注漿時(shí)間效應(yīng)時(shí)的管周摩阻力的1.46倍。因此在工程實(shí)際中，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)漿，同時(shí)也應(yīng)盡量避免出現(xiàn)施工停頓。