注浆作用下混凝土顶管顶力影响因素数值研究

(中冶沈勘工程技术有限公司 辽宁 沈阳 110169)

一、引言

随着顶管技术的进步，顶管工程向着顶进距离长、顶管直径大的方向发展，在这类顶管工程中，注浆工艺已成为很关键的施工工艺，良好的注浆效果能够较大程度的减少管周摩擦阻力，降低主顶压力，使顶管顶进过程得以顺利进行，而注浆效果与注浆压力、注浆速度和泥浆套厚度有很大关系。国内外专家对注浆减阻技术也有很多的研究。Haslem[1]研究表明触变泥浆具有较好的膨胀性、封闭性。低渗透性，能够在土层与顶管之间形成泥浆套，可较大程度地降低管周摩阻力；喻军[2]通过室内试验研究泥浆的微观结构组成与顶管力的关系，优化泥浆的配置和顶管的施工工艺，得出结论泥浆套的形成可以降低管土间摩擦系数为原来的0.28倍左右；张立新[3]结合工程实例，表明大直径长距离顶管的成败一个重要因素在于注浆减阻效果的好坏，应合理布置注浆系统；李万才[4]对注浆原理、注浆工艺进行了系统的阐述和讨论；张龙[5]结合实际工程对注浆工艺作了改进，计算表明改进后的注浆工艺比常规的注浆工艺要好；肖世国[6]采用室内试验对管幕内顶进箱涵时其表面摩擦系数进行了试验研究；李方楠[7]等针对施工影响因素，提出了考虑注浆压力的顶管施工的地层移动的计算方法，结果表明考虑注浆压力的影响可以得到与实际变形更为接近的计算结果，此外，考虑注浆压力可以解释实测位移中的隆起现象。

上述已有研究对顶管注浆工艺进行了试验研究、理论分析，但研究侧重于注浆工艺的改进、室内试验，对于顶管施工中的注浆作用研究主要集中在泥浆的填充与减阻作用，缺少对于注浆压力支护作用的定量研究。本文在沈阳五爱变进线顶管隧道工程实例基础上，通过有限元模拟对注浆压力、注浆时间效应、泥浆套厚度及注浆不均匀性四种因素对顶力的影响规律进行研究，以期为类似顶管工程提供参考和依据。

二、有限元分析方法

(一)有限元模型建立

顶管顶进过程为三维问题，根据工程实际参数，确定混凝土顶管外径为4.2m，管厚度为0.32m，每节管片长为2.5m，地表到顶管中心的距离为13m。土体弹塑性本构模型为摩尔库伦模型。有限元模型建立如图2.1所示：

图1 有限元计算模型

(二)模型计算参数

土体及顶管模型基本力学参数如下表：

表1 材料力学参数

注：砂性土的粘聚力为0，这里为了便于模拟计算，将其设为3KPa。

三、工程实测与有限元结果对比分析

(一)注浆压力对管周摩阻力的影响分析

为了更直观地研究注浆压力对管土之间摩阻力的影响情况，进一步探究注浆压力对顶管顶力的影响规律，在模拟顶管顶进过程中分别在混凝土顶管与周围土体之间施加注浆压力p=0、0.2、0.4、0.8、1.0、1.2MPa进行模拟，模拟结果如下：

图2 不同注浆压力下管周摩阻力云图

由图2可知，在顶管不注浆的情况下，管周摩阻力的最大值为348kPa，当顶管开始注浆后，随着顶管注浆压力的增大，管周摩阻力持续降低，且降低的幅度逐渐变小。这是因为由于泥浆的存在，顶管与土体之间的硬摩擦会由于泥浆的存在变为湿摩擦，减小了管土之间的摩阻力。当注浆压力继续增大，泥浆会充满顶管与土体之间的空隙，进而在顶管的外围形成一个较为完整的泥浆套，则接下来注入的泥浆会由于自重的作用流到管道底部，随后向上涨，顶管的有效重量将会变小。顶管在这样的泥浆套包围中顶进时，其受到的摩阻力继续降低。但当注浆压力为1.2MPa时，管周摩阻力反而有所上升，这印证了注浆压力对顶管顶力的影响较为明显的推断。因此在顶管顶进过程中注浆压力过大并不能起到良好的减阻效果，应将注浆压力控制在合理的范围内，沈阳五爱顶管工程中，注浆压力的平均值为0.6MPa，可知此时的注浆压力能够有效降低管土之间摩阻力。

(二)注浆时间效应对管土摩阻力的影响分析

在长距离顶管工程中，由于泥浆层自身的触变性或者施工停顿的影响，会出现离顶管机较近的注浆层所受的扰动较大，弹性模量较小，而远离开挖面的注浆层所受的扰动较小，弹性模量较大，本文将这种现象称为注浆层的时间效应。

为了研究注浆时间效应对管土之间摩阻力的影响情况，本节通过改变不同顶距处的泥浆压力、泥浆弹性模量来实现模拟。选取的注浆层参数如下：与顶管机尾的距离分别为小于等于4m，4至8m，大于等于8m，注浆压力分别为0.2、0.4、0.6MPa，弹性模量分别为30、40、50MPa。模拟结果如下：

图3 两种情况下土体摩阻力对比云图

由图3可以看出，考虑注浆时间效应的土体摩阻力最大值为2.86×105KPa，不考虑注浆时间效应的土体摩阻力最大值为2.72×105KPa，两者之比为1.05。这说明在实际顶管工程中，当出现泥浆本身结构的改变时，顶管与土体之间的摩阻力将会增大，出现这种现象的原因主要有两个：一是膨润土经加水搅拌后成为悬浮液，当膨润土悬浮液静止时候，薄片状的蒙脱石微粒会由分散状经过絮凝形成凝胶体，而此时泥浆的主要作用是支撑顶管周围的土层，导致重新顶进时泥浆起到的减摩效果并不是很理想。二是由于土间摩阻力的大小除了与管土间接触压力和摩擦系数有关外，还与泥浆静剪力的大小成正相关，随着施工停顿导致泥浆静置时间的增加，泥浆的静剪力也会相应增大，从而引起管土间摩阻力增加。

四、结论

本文采用数值模拟方法模拟在注浆条件下混凝土顶管在砂性土层顶进过程中，由于顶管注浆参数的改变和施工工艺两方面的影响情况下引起管土间摩阻力值的变化情况。将对实际顶管工程具有重要的参考价值，得到的结论如下：

(1)随着注浆压力的增大，管土间摩阻力值注浆降低，但当注浆压力增大到一定程度后，顶管摩阻力不再降低，反而会增大。通过模拟对比可以得到注浆压力介于0.6～1.0MPa之间时，注浆效果良好，此最佳范围验证了沈阳五爱顶管工程中所采用的注浆压力0.6MPa是可行的；

(2)在长距离顶管工程中，当考虑注浆时间效应时，管土间侧摩阻力有所上升。通过计算，在顶管沿线过程中考虑注浆时间效应时的管周摩阻力为不考虑注浆时间效应时的管周摩阻力的1.46倍。因此在工程实际中，应及时进行二次补浆，同时也应尽量避免出现施工停顿。