海底軟土地層大斷面超長(zhǎng)距離頂管注漿作用影響研究

彭勇輝，蘇莉蕓，史兵見，牛佳同

（1、中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司 深圳 518052；2、中山大學(xué)土木工程學(xué)院 廣州 510275）

0 引言

頂管施工技術(shù)廣泛應(yīng)用于城市地下空間建設(shè)中各類管道的鋪設(shè)維修，頂管法自應(yīng)用以來逐漸向頂管直徑更大、頂進(jìn)長(zhǎng)度更長(zhǎng)、頂進(jìn)地層更復(fù)雜發(fā)展。頂管施工過程中，不可避免會(huì)對(duì)周圍的土體造成擾動(dòng)，而施工注漿可以在頂管和土體之間形成一層泥漿套，起到潤(rùn)滑減阻和填充支撐的作用，很大程度減小摩擦阻力和土體擾動(dòng)。因此，本文依托工程實(shí)例，對(duì)海底軟土地層大斷面超長(zhǎng)距離頂管注漿作用影響進(jìn)行研究，分析注漿作用對(duì)頂力變化、土體擾動(dòng)的影響規(guī)律，以期為類似頂管工程提供參考，促進(jìn)頂管施工技術(shù)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)。

眾多學(xué)者從數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)和工程實(shí)例等方面對(duì)頂管施工中注漿作用影響和對(duì)土體的擾動(dòng)進(jìn)行了研究。在注漿作用影響方面，叢茂強(qiáng)等人［1］使用ABAQUS 建立模型，對(duì)比分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果，提出了實(shí)際工程中注漿工藝參數(shù)的選擇建議；鄭震宙等人［2］通過ABAQUS 分析頂管施工過程中不同的注漿壓力對(duì)上覆土層及臨近管線的影響；魏綱等人［3］通過對(duì)頂管施工過程中泥漿與周圍土體之間的作用機(jī)理進(jìn)行分析，研究了注漿作用對(duì)土體擾動(dòng)的影響；馬險(xiǎn)峰等人［4］通過自主研發(fā)的注漿模擬系統(tǒng)分析頂管頂進(jìn)時(shí)地層損失規(guī)律，研究減少施工沉降的工藝參數(shù)。在土體擾動(dòng)研究方面，陳楊等人［5］基于閩江北水南調(diào)（平潭引水）工程，建立模型模擬地表沉降并分析不同橫斷面幅度變化的可能原因；張慶賀等人［6］基于工程實(shí)例，用摩爾圓的理論對(duì)土體擾動(dòng)因素進(jìn)行綜合分析，研究盾構(gòu)對(duì)土體的影響；周浩等人［7］基于工程案例考慮多因素對(duì)矩形頂管施工中地層豎向變形研究。

本文依托珠海某下穿馬騮洲水道電纜隧道工程，分析注漿的潤(rùn)滑減阻和填充支撐作用機(jī)理，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，探究頂管施工過程中注漿作用對(duì)土體擾動(dòng)的影響規(guī)律，以期為后續(xù)類似地層情況及工程提供參考。

1 注漿作用機(jī)理

注漿是頂管施工中一項(xiàng)重要的環(huán)節(jié)，注漿一方面可以將管節(jié)與周圍土體的接觸由干摩擦變?yōu)闈衲Σ?，起到?rùn)滑減阻的作用；另一方面，注漿處于膠體狀態(tài)時(shí)可以填充頂管施工超挖形成的環(huán)狀空隙，支撐周圍土體而減少變形，保持隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性［8］。

目前頂管施工膨潤(rùn)土泥漿應(yīng)用較廣泛，現(xiàn)場(chǎng)泥漿一般由膨潤(rùn)土、CMC、清水和純堿根據(jù)實(shí)際按照一定比例混合得到。泥漿混合攪拌之后會(huì)成為懸浮液，懸浮液靜置時(shí)，膨潤(rùn)土中主要成分蒙脫石微粒會(huì)由分散狀態(tài)絮凝，形成的凝膠體在被攪拌、泵送或者振動(dòng)時(shí)，微粒結(jié)構(gòu)被破壞分散后成為具有流動(dòng)性和粘性的膠體，這一特征也被稱為觸變性［3］。

合理利用泥漿的觸變性對(duì)于頂管施工中改善土體擾動(dòng)具有重要意義。據(jù)相關(guān)研究分析頂管施工時(shí)土體變形的原因有施工階段產(chǎn)生的各種地層損失和擾動(dòng)土體的再固結(jié)兩個(gè)方面［9］。泥漿滲透進(jìn)入土體中能形成改良土體的有利擾動(dòng)，良好的泥漿套可以大大減少側(cè)摩阻力［10］，避免背土效應(yīng)，提高頂管施工效率。

2 工程概況及地表沉降影響因素分析

2.1 工程概況

馬騮洲隧道采用頂管法施工，頂管總長(zhǎng)度為619.08 m，大致呈東北至西南走向，位于橫琴二橋西側(cè)60 m 外且與其平行。管節(jié)為C50 預(yù)制鋼筋混凝土管，內(nèi)徑3.5 m，外徑4.14 m，單節(jié)長(zhǎng)度2.5 m，覆土厚度為15～22 m?，F(xiàn)場(chǎng)布置始發(fā)井1 座、接收井1 座，尺寸都是φ14.2 m（見圖1）。根據(jù)地勘報(bào)告揭露，頂管穿越深度在海平面下22～29 m 之間，主要穿越粘性土層，土體重度約為19.2 kN/m3，地層承載力為50～70 kPa。

圖1 隧道、工作井俯瞰Fig.1 Overhead View of Tunnel and Working Shaft

2.2 注漿工藝

針對(duì)穿越地質(zhì)條件主要為粘土和淤泥、工程所處地理位置，頂管施工泥漿須重點(diǎn)考慮其護(hù)壁功能及攜渣能力，此外還須考慮廢棄泥漿要易于進(jìn)行環(huán)保處理，故所用泥漿因地制宜，采用清水作為頂進(jìn)循環(huán)介質(zhì)。但在穿越軟弱地基時(shí)，為加強(qiáng)淤泥地段地層承載力，在頂管壁后注入有一定強(qiáng)度的改性泥漿（見表1）。改性泥漿具備一定的強(qiáng)度及潤(rùn)滑性能，但不會(huì)把管節(jié)“抱死”。另外，在頂進(jìn)結(jié)束后，為防止頂管出現(xiàn)滯后沉降，需要利用泥漿系統(tǒng)及管路將觸變泥漿置換成純水泥漿。

表1 改性泥漿配方及性能指標(biāo)Tab.1 Formulation and Performance Index of Modified Slurry

現(xiàn)場(chǎng)注漿泵采用TWB?200 泥漿泵，用于地面向管內(nèi)各注漿中繼站供漿和后續(xù)管道補(bǔ)漿；管內(nèi)采用SYB50/45?II 注漿泵，用于機(jī)頭部位注漿和管內(nèi)注漿接力。進(jìn)、排泥泵均采用高揚(yáng)程砂石泵，該水泵有揚(yáng)程高、適用于大顆粒物體輸送的優(yōu)點(diǎn)。輸送管道采用150 mm 無縫鋼管。為降低拋石頂進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)，在主機(jī)艙內(nèi)預(yù)留超前注漿孔及沉渣沖洗孔。另外，在每片管節(jié)設(shè)2 個(gè)DN150 吊裝孔、4 個(gè)DN25 壓漿孔，過淤泥段每節(jié)設(shè)4個(gè)DN75注漿孔，如圖2所示。

圖2 注漿孔分布示意圖Fig.2 Distribution of Grouting Holes

2.3 地表沉降因素分析

對(duì)頂管施工過程中土體縱向位移規(guī)律進(jìn)行研究，得出施工造成的土體擾動(dòng)一般分為3 個(gè)階段：工具管前部變形階段、施工沉降階段和土體沉降固結(jié)階段。工具管前部變形階段是指掘進(jìn)機(jī)頭到達(dá)時(shí)，開挖面需要平衡壓力造成的地面沉降；施工沉降階段是機(jī)頭經(jīng)過時(shí)與土體周圍產(chǎn)生剪切引起地面沉降；土體沉降固結(jié)階段是指機(jī)頭離開后，土體固結(jié)產(chǎn)生的地面沉降。

本文將沉降因素分為頂管施工過程的地層損失和土體再固結(jié)兩個(gè)方面。其中地層損失的原因又可以細(xì)分為：掌子面前方土體不平衡、超挖、頂管上部背土、管道與土體之間的剪切作用、施工糾偏、頂管進(jìn)出工作井等。合理的注漿及施工設(shè)計(jì)可以最大程度減少地層損失，減少土體擾動(dòng)。土體再固結(jié)指的是頂管施工時(shí)造成原土體孔隙水和空氣被擠出，土體在重力作用下被壓密而造成土體變形。不同土質(zhì)的變形時(shí)間差異性較大，如無粘性土變形時(shí)間較短，飽和粘土透水性小，變形速度慢。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)對(duì)土體擾動(dòng)的情況，本工程在隧道掘進(jìn)開始前布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)《工程測(cè)量規(guī)范：GB 50026—2007》相關(guān)規(guī)定，在始發(fā)、接收豎井井圈沿軸線方向及對(duì)應(yīng)豎井兩側(cè)兩點(diǎn)各布設(shè)點(diǎn)位并連續(xù)監(jiān)測(cè)。始發(fā)豎井場(chǎng)區(qū)旁隔音墻布設(shè)5 組點(diǎn)位，并在河堤布設(shè)4組點(diǎn)位，如圖3?所示；接收豎井布設(shè)5組點(diǎn)位，每組設(shè)5個(gè)點(diǎn)，如圖3?所示。

圖3 豎井旁點(diǎn)位布置Fig.3 Arrangement of Points Next to the Shaft

始發(fā)豎井旁監(jiān)測(cè)點(diǎn)是在頂管頂過之后進(jìn)行的監(jiān)測(cè)，處于土體沉降固結(jié)階段。而河堤點(diǎn)位和接收豎井點(diǎn)位監(jiān)測(cè)時(shí)，頂管尚未經(jīng)過，處于工具管前變形階段。處理工程實(shí)際監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，對(duì)注漿的潤(rùn)滑減阻和支撐填充作用進(jìn)行分析。其中。潤(rùn)滑減阻主要以頂力隨注漿量變化呈現(xiàn)，支撐填充作用則分為是否注漿引起的地表沉降比對(duì)和頂管經(jīng)過前后引起的地表沉降呈現(xiàn)。

3.1 潤(rùn)滑減阻作用分析

施工過程采用清水作為循環(huán)介質(zhì)，在穿越軟弱地基時(shí)采用配制的改性泥漿。由圖4 可知，隨著頂管不斷前進(jìn)，頂推力呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。具體變化情況為：第一節(jié)到17節(jié)頂推力從100 t波動(dòng)增加到487.619 t；18節(jié)到132 節(jié)頂推力在800～1 066 t 之間不斷波動(dòng)，但整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；132節(jié)以后到頂進(jìn)結(jié)束，整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)直至1 219 t。

圖4 頂力與注漿量頂進(jìn)時(shí)變化Fig.4 Variation of Topping Force and Grouting Volume when Jacking

施工在頂進(jìn)第60節(jié)時(shí)開始注漿，頂力保持一個(gè)波動(dòng)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，最后在1 000 t左右波動(dòng)。注漿量整體隨著頂進(jìn)距離增加而增加。在頂進(jìn)209 節(jié)之前，注漿量保持在2～6 m3之間變化，在3 m3附近上下波動(dòng)；而在第209 節(jié)之后，注漿量增加到10 m3附近波動(dòng)，在頂進(jìn)第213節(jié)時(shí)達(dá)到最高值14.56 m3。

3.2 填充支撐作用分析

現(xiàn)場(chǎng)首先對(duì)始發(fā)井旁邊的兩個(gè)位置進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。10 月15 日時(shí)頂管已經(jīng)經(jīng)過DZ1～DZ5 監(jiān)測(cè)位置，到達(dá)河堤位置。在都沒有進(jìn)行注漿的情況下，對(duì)比始發(fā)豎井旁地表與河堤豎向沉降的情況，進(jìn)而探究頂管施工不同階段對(duì)土體擾動(dòng)的影響程度。始發(fā)豎井的累積沉降量如圖5?所示，河堤旁點(diǎn)位沉降的累計(jì)沉降量如圖6 所示?？梢钥吹剑菏及l(fā)豎井點(diǎn)位土體沉降量在?1.0～1.50 mm 之間，此時(shí)土體再固結(jié)并且基本穩(wěn)定，沉降量也較少。但是，對(duì)于河堤旁的點(diǎn)位來說，沉降量最高達(dá)到?35.86 mm。此時(shí)頂管機(jī)頭尚未經(jīng)過河堤，掘進(jìn)機(jī)頭對(duì)土體擾動(dòng)較大，沉降較嚴(yán)重。

圖5 豎井旁點(diǎn)位沉降量Fig.5 Settlement at the Point Next to the Shaft

圖6 河堤旁點(diǎn)位沉降量Fig.6 Settlement of Points Next to the River Bank

為進(jìn)一步說明不同階段對(duì)土體擾動(dòng)影響效果，分析工具管前部變形階段、施工沉降階段和土體沉降固結(jié)階段的沉降情況。選取接收豎井旁H01～H05點(diǎn)（水平距離590 m）的沉降數(shù)據(jù)，分析頂進(jìn)第222 節(jié)到第241 節(jié)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降情況，結(jié)果如圖7 所示，在590 m 以前，掘進(jìn)機(jī)頭尚未到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)H01～H05 點(diǎn)，此時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形處于工具管前部變形階段，地表沉降較?。欢诰蜻M(jìn)機(jī)頭達(dá)到590 m 時(shí)，剛好經(jīng)過監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沉降量增加，最多下沉9.36 mm；在掘進(jìn)機(jī)頭經(jīng)過600 m時(shí)，沉降量最大達(dá)到12.06 mm，此時(shí)土體逐漸固結(jié)。

圖7 H01～H05點(diǎn)沉降量變化Fig.7 Variation of Settlement at Points H01～H05

另外，接收豎井旁也布設(shè)了25個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖3?所示。注漿可以對(duì)頂管施工過程中超挖產(chǎn)生的環(huán)狀空隙進(jìn)行填充支撐，進(jìn)而保持隧道的穩(wěn)定性，同時(shí)也能減小對(duì)土體的擾動(dòng)。分析地勘報(bào)告得到，始發(fā)豎井旁和接受豎井旁頂管施工穿越地層均為上淤泥質(zhì)粘土、下粘土，兩處頂管的埋深都為22～25 m 之間。兩點(diǎn)地質(zhì)情況和埋深一致，因此對(duì)未注漿時(shí)河堤旁地表沉降的情況（見圖6）和注漿條件下接收豎井旁點(diǎn)位沉降情況（見圖5?）進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而探究注漿對(duì)土體保持的影響情況。

分析數(shù)據(jù)顯示，在注漿條件下，土體變形隨著時(shí)間推移，頂管機(jī)頭逐漸接近，沉降量逐漸增加，但都在12 mm 以內(nèi)，而沒有注漿條件下河堤的沉降隨著頂管機(jī)頭接近，沉降量都在23 mm 左右。因此可以得知，頂管施工時(shí)注漿作用可以有效地減少施工對(duì)土體的擾動(dòng)［11］。

4 結(jié)論

本文通過分析頂管施工中注漿作用機(jī)理進(jìn)行探究，依托馬騮洲隧道工程，對(duì)頂管施工過程中的地表沉降因素進(jìn)行分析，對(duì)比了頂管頂進(jìn)不同階段、注漿和沒有注漿情況下對(duì)土體擾動(dòng)的情況，得出如下結(jié)論：

⑴頂管施工過程中，當(dāng)頂管處于工具管前部變形階段、施工沉降階段和土體沉降固結(jié)階段3 個(gè)不同階段的時(shí)候，對(duì)土體的擾動(dòng)程度不同，一般認(rèn)為頂管掘進(jìn)機(jī)頭從接近和經(jīng)過監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)候?qū)ν馏w的擾動(dòng)最大。對(duì)此，一些學(xué)者還進(jìn)行了更細(xì)的劃分。對(duì)不同階段施工地表沉降情況進(jìn)行研究，針對(duì)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施，可以為后續(xù)施工提供指導(dǎo)。

⑵頂管施工時(shí)，隨著注漿量的增加，頂力波動(dòng)增加，最后在較小范圍內(nèi)變化。注漿可以既能起到潤(rùn)滑減阻的作用，使頂推力減少波動(dòng)進(jìn)而保證頂管順利前進(jìn)；還能在施工過程中形成泥漿套起到支撐隧道的作用，防止土體塌陷而造成施工事故的發(fā)生。

⑶頂管施工不可避免會(huì)對(duì)土體造成擾動(dòng)，良好的注漿工藝可以減少對(duì)土體的擾動(dòng)進(jìn)而減少地表的沉降。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)概況以及相應(yīng)的施工方案，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理的注漿工藝，可以保障頂管施工的效率，增加工程效益，具有工程參考意義。