頂管注漿壓力變化對(duì)地層沉降影響機(jī)理的離心模型試驗(yàn)

馬險(xiǎn)峰，鄒宇翔*，李向紅，洪 斌

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200082；2.中億豐建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 蘇州 215000)

頂管法是近年來(lái)被廣泛使用的隧道暗挖工法，尤其是對(duì)于市政小直徑隧道，但由于整個(gè)隧道直接頂進(jìn)的特點(diǎn)，頂管法有相應(yīng)的缺陷：1）頂管隧道與地層之間產(chǎn)生巨大的摩擦阻力，嚴(yán)重限制了頂管隧道的合理長(zhǎng)度；2）隧道的頂進(jìn)將產(chǎn)生很大的地層擾動(dòng)（包括摩擦剪應(yīng)力、地層沉降），進(jìn)而給周圍環(huán)境、建構(gòu)筑物帶來(lái)安全隱患。頂管法應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵就是要減少摩擦阻力和地層損失，而膨潤(rùn)土泥漿的使用就是一種至關(guān)重要的方法。通過(guò)將膨潤(rùn)土泥漿注入頂管隧道和周圍地層之間，從而形成泥漿套，可避免頂管隧道與土層的直接摩擦，極大減小摩擦阻力和土層擾動(dòng)；同時(shí)，泥漿套可填充開(kāi)挖機(jī)頭和后方管片間的建筑空隙，對(duì)上方土體起到支撐的作用，從而很大程度地減小地層沉降?？梢哉f(shuō)，注漿工藝是頂管法應(yīng)用和工程質(zhì)量的關(guān)鍵，故對(duì)頂管法中注漿漿液與周圍地層的相互作用，以及其影響周圍地層沉降和變形的機(jī)理進(jìn)行研究，是彌補(bǔ)頂進(jìn)過(guò)程的缺陷，進(jìn)一步提升頂管施工質(zhì)量的重要舉措。

頂管施工對(duì)地層沉降的影響研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已從頂管機(jī)土壓力、土體損失、側(cè)向摩擦阻力等因素進(jìn)行了分析，已有較為成熟的研究成果[1–9]。在頂管工程中應(yīng)用膨潤(rùn)土泥漿方面：Víctor等[10]從膨潤(rùn)土分子結(jié)構(gòu)的微觀角度分析了膨潤(rùn)土泥漿的高溶脹性、高觸變性；Au等[11]利用理論分析和試驗(yàn)的方法發(fā)現(xiàn)，膨潤(rùn)土泥漿即使在低濃度下仍然有較高的黏度和屈服應(yīng)力，呈現(xiàn)假塑性流體的性質(zhì)；Mirarab[12]、Jeong[13]通過(guò)試驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)了泥漿不同參數(shù)對(duì)其流變性質(zhì)的影響，為泥漿護(hù)壁的應(yīng)用提供了重要依據(jù)，也為研究泥漿與地層的互相作用提供了重要的理論支撐。注漿研究方面：李方楠等[14]等提出考慮注漿壓力的頂管施工引起土體變形的計(jì)算方法；魏綱等[15]通過(guò)微觀理論分析研究了頂管注漿過(guò)程減摩作用機(jī)理；Xu等[16–17]利用模型試驗(yàn)方法研究了泥漿滲透機(jī)理和滲透特性；Cui[18]、Min[19]等通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)泥漿滲透過(guò)程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)只有少量的膨潤(rùn)土分子進(jìn)入土層，驗(yàn)證了泥餅的存在和形成機(jī)理；Wen[20]、王雙[21]等從理論角度分析，認(rèn)為注漿壓力的大小會(huì)施加在周圍土層上，造成周圍土層的變形和位移，并利用彈性力學(xué)半無(wú)限彈性體圓孔擴(kuò)張理論計(jì)算出注漿壓力造成的土層位移；叢茂強(qiáng)等[22]通過(guò)數(shù)值模擬方法分析了在不同注漿壓力作用下，頂管周圍土體的擾動(dòng)情況，并基于此提出衡量土體受擾程度的孔隙水壓力變化率概念；賈遠(yuǎn)航等[23]借助于FLAC3D軟件建立矩形頂管法施工的數(shù)值仿真模型，發(fā)現(xiàn)隨著注漿壓力的提高，土體最大沉降值不斷減小；黃宏偉等[24]采用3維數(shù)值分析方法，對(duì)正面推力、地層損失、注漿壓力等因素進(jìn)行模擬，得出上述因素影響曲線變化規(guī)律；Namli等[25]利用模型試驗(yàn)方法研究不同注漿壓力對(duì)頂管摩擦阻力的影響，發(fā)現(xiàn)泥漿注入土層后會(huì)在土中滲透并形成泥皮，且注漿壓力對(duì)摩擦阻力的影響不大?？傮w來(lái)說(shuō)，注漿壓力對(duì)頂管施工引起地層沉降的影響研究?jī)H有一些理論分析和數(shù)值模擬方面的研究，較少涉及模型試驗(yàn)，尚未形成系統(tǒng)性的理論?；诖爽F(xiàn)狀及頂管施工的實(shí)際需要，本文采用巖土離心模擬試驗(yàn)技術(shù)，通過(guò)自主研發(fā)的頂管注漿模擬系統(tǒng)，對(duì)頂管施工的頂進(jìn)和注漿過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)改變注漿壓力研究頂管最終地層損失的規(guī)律，為頂管工程沉降影響控制方面提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 泥漿和地層的相互作用

1.1 泥漿與地層的性質(zhì)

土體是由各種不規(guī)則形狀的土體顆粒組成的集合體，這些土體顆粒的分布往往沒(méi)有明顯規(guī)律，顆粒之間存在大量孔隙，并通過(guò)內(nèi)摩擦力和黏聚力（通常是黏土顆粒之間的分子間作用力和電荷力）維持土體的強(qiáng)度和形狀。在飽和的情況下，土體中的孔隙會(huì)被水充滿，并存在著孔隙水壓力γw。頂管工程中使用的膨潤(rùn)土泥漿是一種由水、膨潤(rùn)土、少量添加劑構(gòu)成的懸濁液，其中：膨潤(rùn)土是以中間為鋁氧八面體、上下為硅氧四面體所組成的3層片狀結(jié)構(gòu)的蒙脫石晶體的形式存在；同時(shí)，因?yàn)榫g的結(jié)合能較低，有較強(qiáng)的離子交換能力，水分子很容易滲透進(jìn)晶片層之間，使整個(gè)晶體的體積擴(kuò)大數(shù)倍，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的吸水膨脹性。

1.2 泥漿地層互相作用與地層沉降

當(dāng)以一定的壓力將泥漿注入管片周圍的建筑空隙，膨潤(rùn)土泥漿會(huì)與有著大量孔隙的地層表面直接接觸；通過(guò)分析膨潤(rùn)土泥漿顆粒與土體表面的結(jié)構(gòu)特性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)注漿過(guò)程和沉降數(shù)據(jù)，可將兩者的互相作用分為4個(gè)階段：

1）土體塌陷階段。由于頂管掘進(jìn)機(jī)和后方頂管尺寸存在建筑空隙，上方土體在頂管剛頂進(jìn)時(shí)失去頂管掘進(jìn)機(jī)的支撐，同步注漿無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)充滿建筑空隙以支撐土體，導(dǎo)致部分土體在自重的作用下發(fā)生塌陷，產(chǎn)生大量沉降。

2）滲透失水階段。漿液充滿部分土體塌陷后，剩余的建筑空隙由于注漿壓力p往往要大于孔隙水壓力γw(通常注漿壓力p會(huì) 大于上覆水土合算壓力γ)，泥漿會(huì)通過(guò)土層表面孔隙大量滲透進(jìn)土層。由于膨潤(rùn)土分子在水中有很強(qiáng)的膨脹性，同時(shí)，土體顆粒之間的孔隙很小，在滲透過(guò)程中只有泥漿中的自由水和少量蒙脫石顆粒進(jìn)入孔隙，大部分蒙脫石顆粒和其附著水會(huì)留在土層表面。此階段中，泥漿大量失水會(huì)導(dǎo)致體積大幅度減小，建筑空隙始終處于不飽和狀態(tài)，失去了對(duì)土體的支撐作用，在自重的作用下，上方土體產(chǎn)生大量地層沉降。

3）泥皮形成階段。隨著滲透的進(jìn)行，片狀的蒙脫石顆粒在土層表面不斷堆積，并在注漿壓力的作用下不斷壓實(shí)擠密形成結(jié)構(gòu)，最終在地層表面形成致密的、透水性很小的泥皮。泥皮的滲透系數(shù)非常小，在短時(shí)間內(nèi)可忽略其滲透作用。這時(shí)注入的泥漿就會(huì)逐漸填充建筑空隙形成泥漿套，最終形成管片–泥漿–地層結(jié)構(gòu)，使地層沉降趨于穩(wěn)定。

4）補(bǔ)漿抬升階段。泥漿套形成之后，如果注漿壓力仍然存在并有足夠的注漿量使?jié){液能始終充滿建筑空隙并與地層接觸，原本作為滲透動(dòng)力的注漿壓力將會(huì)作用于泥皮，并由泥皮傳遞到土骨架上，轉(zhuǎn)換為對(duì)土體的有效應(yīng)力；由于注漿壓力p往往大于上方地層土壓力γ，附加應(yīng)力p?γ會(huì)使上方土體發(fā)生變形和位移。

為驗(yàn)證上述理論分析，進(jìn)一步了解其中的規(guī)律，總結(jié)膨潤(rùn)土泥漿對(duì)頂管施工效應(yīng)的影響特征，采用離心模型試驗(yàn)進(jìn)行多工況研究，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行深入分析。

2 試驗(yàn)原理和方法

2.1 巖土離心模擬試驗(yàn)基本原理

巖土工程中，土和結(jié)構(gòu)相互作用的研究主要通過(guò)試驗(yàn)手段或現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋。一般而言，全尺度的模型試驗(yàn)由于成本高和實(shí)施困難等缺陷而較少被用于分析復(fù)雜條件下的巖土工程問(wèn)題?？s尺試驗(yàn)因?yàn)槟軌蛟谠囼?yàn)室進(jìn)行且工況和參數(shù)等便于控制，而被廣泛應(yīng)用于巖土工程的研究中。離心模型試驗(yàn)作為一種縮尺試驗(yàn)，將模型放置于離心機(jī)轉(zhuǎn)臂末端的吊籃上，高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中模型受到Ng（N為離心機(jī)全局相似比，g為重力加速度）的離心力，彌補(bǔ)了模型縮小1/N所導(dǎo)致的自重應(yīng)力損失，使得模型中土體和構(gòu)件能夠重現(xiàn)實(shí)際工程中的應(yīng)力水平，很好地模擬現(xiàn)場(chǎng)工況，從而獲取的結(jié)果具有很大的參考意義。

2.2 離心機(jī)和相關(guān)參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備采用TLJ–150巖土離心試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示。

圖1 TLJ–150復(fù)合型巖土離心試驗(yàn)機(jī)Fig. 1 TLJ–150 composite geotechnical centrifuge

試驗(yàn)?zāi)M的工況為軟黏土地區(qū)的矩形頂管開(kāi)挖，頂管開(kāi)挖段上覆覆土厚4 m，屬于淺覆土地層開(kāi)挖工況；頂管管片橫截面尺寸為6.9 m×5.0 m；地下水水位與土層表面齊平；離心機(jī)全局相似比N取40（在40倍重力下進(jìn)行試驗(yàn)），離心機(jī)全局相似比確認(rèn)后，通過(guò)量綱分析法推導(dǎo)求解出試驗(yàn)相關(guān)的其他物理量如表1所示。

表1 相關(guān)物理量相似比Tab. 1 Similarity ratios of related physical quantities

2.3 頂管工程注漿模擬系統(tǒng)

頂管工程注漿模擬系統(tǒng)是一個(gè)較為復(fù)雜的試驗(yàn)系統(tǒng)，主要用于模擬現(xiàn)場(chǎng)頂管工程同步注漿的過(guò)程，如圖2所示，主要由頂進(jìn)開(kāi)挖系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)3部分組成。

圖2 頂管工程注漿模擬系統(tǒng)Fig. 2 Pipe jacking project grouting simulation system

頂進(jìn)開(kāi)挖系統(tǒng)由機(jī)械手、鈦合金傳力架、頂管模型組成。機(jī)械手為巖土離心機(jī)試驗(yàn)室專用設(shè)備，可通過(guò)控制室控制面板在離心機(jī)運(yùn)作時(shí)控制機(jī)械手推動(dòng)或拉動(dòng)模型箱內(nèi)的物體。鈦合金傳力架為一個(gè)由鈦合金制作的、重量輕（減小試驗(yàn)誤差）、強(qiáng)度高（防止頂力過(guò)大破壞）的傳力框架結(jié)構(gòu)，置于機(jī)械手和頂管模型中間，其橫截面尺寸能與頂管模型精密且完美地貼合，將機(jī)械手產(chǎn)生的集中推力轉(zhuǎn)換為在頂管截面上的均勻分布力，精確還原頂管工程現(xiàn)場(chǎng)千斤頂給頂管管片施加的頂進(jìn)力。頂管模型為兩端矩形頂管，為還原頂管管壁與泥漿之間的互相作用及摩阻力，頂管模型為內(nèi)嵌鋼筋的混凝土現(xiàn)澆模型，分為兩段：第1段截面封閉，橫截面尺寸稍大，置于前方模擬頂管工程的開(kāi)挖機(jī)；第2段截面不封閉，截面尺寸稍小，用于模擬頂管管片。兩段模型的橫截面尺寸不同，可以用于模擬頂管開(kāi)挖機(jī)和后方頂進(jìn)的頂管管片間的建筑空隙。試驗(yàn)中，通過(guò)操控機(jī)械手頂進(jìn)頂管管片，此時(shí)前方頂管機(jī)段會(huì)被逐漸頂出模型箱，模擬土層的開(kāi)挖；后方的頂管管片段則被頂進(jìn)模型箱中的土層，模擬頂管管片的頂進(jìn)；全過(guò)程即為頂管工程頂進(jìn)過(guò)程。

同步注漿系統(tǒng)由電磁閥、離心機(jī)氣路、液缸、密封系統(tǒng)組成。離心機(jī)氣路為離心機(jī)內(nèi)置通道，能產(chǎn)生0～1 MPa壓強(qiáng)的氣體，離心機(jī)將固定壓強(qiáng)的氣體與液缸的一端相連，并將同步注漿使用的泥漿填充進(jìn)液缸另一端。在中間設(shè)置電磁閥，通過(guò)電磁閥的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)注漿的開(kāi)始和結(jié)束，并通過(guò)調(diào)整氣體壓強(qiáng)調(diào)整注漿壓力，以減小誤差，使得注漿壓力為氣體壓強(qiáng)。密封環(huán)模擬現(xiàn)場(chǎng)洞口防水卷簾裝置，由固定的鐵片、高彈性的硅膠板組成，其被頂管管片模型頂進(jìn)時(shí)會(huì)被彎曲而產(chǎn)生很強(qiáng)的彈力，與頂管模型緊密貼合，從而防止泥漿從建筑空隙中流出。

測(cè)量系統(tǒng)是在模型箱上端以隧道中線為軸，向一邊每隔一定的距離放置4個(gè)激光位移計(jì)，全程記錄土層表面沉降情況，并形成隧道最終的沉降曲線。

2.4 試驗(yàn)操作方法

試驗(yàn)操作步驟可分為配制泥漿、預(yù)壓固結(jié)、電機(jī)頂進(jìn)、同步注漿、測(cè)量數(shù)據(jù)5個(gè)步驟，總共進(jìn)行4組試驗(yàn)，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 注漿模擬試驗(yàn)參數(shù)Tab. 2 Parameters of grouting simulation experiments

為保證數(shù)據(jù)的可靠性，將剔除個(gè)別明顯異常的數(shù)據(jù)；若數(shù)據(jù)樣本整體發(fā)生異常，將進(jìn)行多次相同試驗(yàn)，比較分析后取值。同時(shí)，每組試驗(yàn)結(jié)果都與PLAXIS 3D數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析，在數(shù)值和總體趨勢(shì)相差不大的前提下采用本文的試驗(yàn)結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 同步注漿過(guò)程與機(jī)理

試驗(yàn)中，整個(gè)頂進(jìn)過(guò)程持續(xù)20 min，前15 min管片頂進(jìn)，后5 min補(bǔ)漿穩(wěn)定，因此，試驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍大。為使曲線更加清晰，便于分析，選取開(kāi)挖至測(cè)點(diǎn)附近，即頂進(jìn)430～570 s時(shí)，管片中軸線沉降和頂進(jìn)時(shí)間的數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖3所示。

圖3 頂管中軸線沉降隨頂進(jìn)時(shí)間變化關(guān)系（開(kāi)挖階段）Fig. 3 Change of the center axis settlement of the pipe jacking with the jacking time (excavation stage)

由圖3可知：開(kāi)挖至測(cè)點(diǎn)前，有3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)已有0.1 mm的沉降，這是由于已開(kāi)挖部分地層沉降對(duì)測(cè)點(diǎn)處有影響，但影響不大。當(dāng)開(kāi)挖至測(cè)點(diǎn)，即頂進(jìn)時(shí)間450 s時(shí)，地層先是在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生大量沉降，且沉降量有所差異，這是由于開(kāi)挖至新斷面時(shí)，由于注漿需要一定的時(shí)間才能將建筑空隙填滿，而上方土體在這段時(shí)間內(nèi)失去支撐時(shí)發(fā)生一定量的塌陷，該段沉降為土體塌陷沉降。由于在不同注漿壓力下，漿液注入速度也不同，所以注漿壓力越大，漿液越早能注滿間隙，起到支撐作用，上方土體塌陷沉降量越小。

頂進(jìn)460～520 s期間，地層沉降以速度逐漸減小的趨勢(shì)持續(xù)發(fā)生，該段沉降是由泥漿失水導(dǎo)致的。在泥漿填滿建筑空隙后，泥漿與地層直接接觸。由于注漿壓力大于地層孔隙水壓力，漿液將通過(guò)地層孔隙大量滲透，泥漿體積減小，地層隨之發(fā)生沉降，該段沉降為滲透失水沉降。值得注意的是，泥漿失水造成的總沉降量很大，約0.4～0.5 mm（相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)的16～20 mm），該沉降主要是由于泥漿滲透體積減小的同時(shí)沒(méi)有漿液補(bǔ)充或補(bǔ)漿量不夠，可見(jiàn)施工時(shí)及時(shí)補(bǔ)漿會(huì)對(duì)沉降控制有一定的效果。

由于蒙脫石顆粒會(huì)在地層表面堆積，逐漸封堵滲流通道并最終形成泥皮，阻止泥漿繼續(xù)向地層內(nèi)滲透，故從數(shù)據(jù)上也可發(fā)現(xiàn)沉降的速度在逐漸減小并在520 s后基本停止沉降，該階段為泥皮形成階段。

在頂進(jìn)15 min之后，開(kāi)始對(duì)整個(gè)建筑空隙進(jìn)行補(bǔ)漿，補(bǔ)漿階段的軸線沉降和頂進(jìn)時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖4。由圖4可知：4組數(shù)據(jù)趨勢(shì)差異大。試驗(yàn)1沉降基本不變；試驗(yàn)2～4都有不同程度的抬升，且注漿壓力越大，地層抬升越大，試驗(yàn)4甚至抬升至地層隆起，該階段為補(bǔ)漿抬升階段。在形成泥皮停止?jié)B透后，繼續(xù)進(jìn)行注漿，原來(lái)作為泥漿滲透動(dòng)力的注漿壓力將會(huì)作用于泥皮，并通過(guò)泥皮作用于土骨架，轉(zhuǎn)換為對(duì)上方土體的應(yīng)力；由于土體頂面為自由面，該應(yīng)力使注漿區(qū)域上方土體發(fā)生壓縮的同時(shí)使整個(gè)地層抬升，在土體不被注漿壓力破壞的情況下，注漿壓力越大，造成的抬升越大，補(bǔ)漿對(duì)地層的沉降補(bǔ)償作用也越明顯。

圖4 頂管中軸線沉降隨頂進(jìn)時(shí)間變化關(guān)系（補(bǔ)漿階段）Fig. 4 Change of the center axis settlement of the pipe jacking with the jacking time (filling stage)

3.2 注漿壓力與地層沉降

圖5為試驗(yàn)最終沉降（試驗(yàn)數(shù)據(jù)只有曲線的左半邊，為使沉降曲線更直觀，軸對(duì)稱補(bǔ)全曲線右半邊）。試驗(yàn)1曲線變化規(guī)律基本符合Peck曲線等常規(guī)沉降曲線；隨著注漿壓力上升，中軸線附近的注漿區(qū)域（±85 mm之間）發(fā)生明顯抬升，非注漿區(qū)域的抬升量不大，可見(jiàn)注漿的補(bǔ)償作用只發(fā)生在注漿區(qū)域上方，對(duì)于沉降槽邊緣部分效果不明顯。提取各工況的注漿壓力與軸線最大沉降值，并繪制成曲線，見(jiàn)圖6（由于縮尺尺寸等問(wèn)題無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速補(bǔ)漿，導(dǎo)致泥漿失水階段沉降過(guò)大，但不影響沉降規(guī)律），可見(jiàn)注漿壓力對(duì)最終沉降影響較大，兩者呈正相關(guān)非線性關(guān)系。

圖5 各注漿壓力下地層最終沉降Fig. 5 Final settlement of the formation under various grouting pressures

圖6 中軸線最終沉降隨注漿壓力變化關(guān)系Fig. 6 Relationship between central axis final settlement and grouting pressure

3.3 注漿壓力與注漿量

表3為各工況的注漿壓力和注漿量關(guān)系。

表3 注漿壓力和注漿量關(guān)系Tab. 3 Relationship of grouting pressure and grouting volume

由表3可知：由于泥漿滲透作用，在各種注漿壓力下，注漿量遠(yuǎn)大于建筑空隙體積；注漿壓力大時(shí)，注漿量幾乎接近建筑空隙的3倍。試驗(yàn)的注漿方式為持續(xù)注漿，由上述分析可知注漿量不充足會(huì)導(dǎo)致上方地層坍落、泥漿失水、無(wú)法發(fā)生沉降補(bǔ)償作用等，對(duì)地層沉降造成不利影響。上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可供現(xiàn)場(chǎng)施工參考。

4 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比

試驗(yàn)依托蘇州東匯公園頂管工程，并在現(xiàn)場(chǎng)布置設(shè)備進(jìn)行沉降測(cè)量，便于將理論試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究對(duì)比?，F(xiàn)場(chǎng)為矩形頂管，尺寸為6.9 m×5.0 m，每節(jié)管片長(zhǎng)1.5 m，土層為黏土地層，覆土高度4 m?，F(xiàn)場(chǎng)注漿方式為同步注漿并間斷補(bǔ)漿，注漿壓力為300 kPa（約為上覆土壓力的3倍），最終管片中軸線地層沉降隨頂進(jìn)長(zhǎng)度的關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可知：當(dāng)頂管機(jī)開(kāi)挖到測(cè)點(diǎn)處，地層在頂進(jìn)距離為8.1～18.5 m時(shí)，逐漸發(fā)生沉降，即圖7中土體塌陷階段和失水滲透階段，土體塌陷沉降速率快，沉降量大，持續(xù)時(shí)間短，曲線負(fù)斜率較大；土體塌陷之后，發(fā)生持續(xù)的失水滲透，沉降速率變緩并逐漸形成泥皮，為圖7中曲線負(fù)斜率較小且不斷變小的一段，并逐漸過(guò)渡到泥皮形成階段，停止?jié)B透和沉降；頂進(jìn)30 m后，該段注漿已形成泥皮，此時(shí)，持續(xù)的高注漿壓力補(bǔ)漿使得注漿壓力通過(guò)泥皮作用于上方土層，使地層發(fā)生明顯抬升，最終導(dǎo)致地層隆起約15 mm，過(guò)大的注漿壓力使沉降產(chǎn)生了過(guò)度的補(bǔ)償，這與試驗(yàn)中結(jié)論一致。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)中軸線地層沉降隨頂進(jìn)長(zhǎng)度的關(guān)系曲線Fig. 7 Relationship between the center axis formation settlement and the jacking length

圖8為各頂進(jìn)距離時(shí)的沉降曲線。由圖8可知：從開(kāi)挖至測(cè)點(diǎn)到頂進(jìn)30 m這一時(shí)間段，各測(cè)點(diǎn)均發(fā)生了一定量的沉降。在補(bǔ)漿之后，也就是最終沉降曲線，補(bǔ)漿區(qū)域（±3.45 m）附近發(fā)生明顯抬升，并最終隆起約15 mm；同時(shí)，非補(bǔ)漿區(qū)域影響不大，即注漿沉降補(bǔ)償作用只發(fā)生在注漿區(qū)域附近，驗(yàn)證了試驗(yàn)的結(jié)論。工程最終總注漿量為160 m3，建筑空隙為53.37 m3，注漿量為建筑空隙的3倍。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)各頂進(jìn)距離時(shí)的沉降曲線Fig. 8 Settlement curves at each jacking distance on site

5 結(jié) 論

本文采用巖土工程離心機(jī)設(shè)備和自主研發(fā)的頂管工程注漿模擬系統(tǒng)，對(duì)矩形頂管工程在不同注漿壓力下的地層沉降進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，對(duì)地層沉降的過(guò)程和機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)注入的泥漿與地層存在的相互作用可分為土體塌陷階段、滲透失水階段、泥皮形成階段和補(bǔ)漿抬升階段。土體塌陷階段，土體失去下方支撐發(fā)生塌落，在短時(shí)間內(nèi)造成大量沉降；滲透失水階段，泥漿中自由水大量滲透進(jìn)土層發(fā)生大量沉降；泥皮形成階段，滲透速率不斷減小，并最終形成泥皮，停止?jié)B透；補(bǔ)漿抬升階段，注漿壓力轉(zhuǎn)換為對(duì)上方土體的應(yīng)力，使地層抬升，起到沉降補(bǔ)償作用。

注漿壓力對(duì)地層的最終沉降影響很大。注漿壓力越大，在最后補(bǔ)漿抬升階段的沉降補(bǔ)償作用就越大，最終的地層沉降就越小，過(guò)大的注漿壓力甚至?xí)霈F(xiàn)過(guò)度補(bǔ)償作用。在本文的離心機(jī)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)中，注漿壓力為覆土壓力的3倍時(shí)，都已出現(xiàn)過(guò)度補(bǔ)償?shù)貙拥穆∑瓞F(xiàn)象。注漿造成的沉降補(bǔ)償作用只作用在注漿區(qū)域附近，對(duì)注漿區(qū)域之外的沉降影響不大。

不同注漿壓力下，對(duì)應(yīng)的注漿量也有很大的變化。由于泥漿滲透作用，注漿量遠(yuǎn)大于建筑空隙的體積，在3倍覆土壓力的注漿壓力下，注漿量達(dá)到了建筑空隙體積的近3倍。在施工中，要進(jìn)行充足的注漿和及時(shí)的補(bǔ)漿，否則，在泥漿滲透失水階段會(huì)產(chǎn)生大量沉降，對(duì)沉降控制造成不利影響。

在進(jìn)行離心機(jī)試驗(yàn)的同時(shí)，將試驗(yàn)中的參數(shù)運(yùn)用到現(xiàn)場(chǎng)施工中，并進(jìn)行沉降測(cè)量，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)的沉降趨勢(shì)和最終的沉降曲線均與試驗(yàn)結(jié)果吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的沉降機(jī)理和沉降補(bǔ)償作用理論。今后可進(jìn)一步深化該理論的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，用現(xiàn)場(chǎng)反饋不斷完善修正，并得出擾動(dòng)最小的理想注漿壓力和注漿量。