基于FLAC-3D 的顶管施工护壁泥浆套研究

张明磊 隆 威 王李昌

（中南大学，地球科学与信息物理学院，有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室〈中南大学〉，湖南 长沙 410083）

0 引言

顶管施工技术是紧随盾构施工技术兴起的一种地下管道施工类型。 此种方法不必开挖面层,而且能够穿越山地，河流，道路，建筑，以及各类地下管线等，在我国各地已经逐步普及应用, 用于顶管施工的设备也越来越先进。 近十年来,随着市场建设规模逐渐扩大，各类建筑也越来越多, 对环境保护、 生态文明的要求也越来越高， 管线明槽开挖施工缩短道路使用寿命、影响附近居民生活、破坏周边生态环境，给人们的生活、工作带来诸多不便； 而埋深较大的管道采用明挖法施工不仅影响环境， 还存在技术难度大、 施工成本高等缺点与不足。 在管道建设项目中,顶管施工技术己被广泛应用。 但在实际设计施工过程中,由于受到复杂多变的地理条件等因素的影响,存在诸多技术问题,尚须结合实际进行更多的完善与研究, 使其更好服务生产和指导施工[1]。

本文以乌兰布和生态沙产业示范区建设的重要引水工程为例，应用FLAC-3D 软件对顶管施工过程中的状态进行模拟， 研究在顶进过程中浆液形成泥浆套的问题。

1 顶管施工模型的建立

FLAC-3D 是一款国际通用的岩土工程专业分析软件， 其具备广泛的模拟能力和不俗的计算体系。 软件涉及到了针对岩土体和建筑构件的大量的结构单元和本构模型， 保证了其在岩土工程模拟上的专业性，因此被广泛应用于国内外的模拟试验研究中。 本文所用为FLAC-3D 软件5.0 版本。

应用FLAC-3D 软件建立计算模型时，需要考虑的是所建模型的几何条件与物理条件要与顶管施工状态尽量贴合，除此之外还应优化模型，提高计算效率。 确定模型范围， 通过计算截取施工部分作为研究对象。软件其内置的有多种网格生成命令， 选取适当的坐标点开始建立网格模型[2]。 网格模型分为6 部分，分别为（1）施工周围土层、（2）护壁泥浆套、（3）钢筋混凝土管道、（4）刀盘、（5）施工前端土层、（6）开挖土层。

应用网格生成命令， 分别建立6 个分组来实现网格 模 型 的 6 个 组 成 部 分 。 截 取 三 维 立 体 内10m*8.5m*10m 大小的范围为本次研究的范围，整个模型共计6.2 万个网格，模型结果如图1 所示。

图1 顶管工程模型示意图Fig.1 Sketch of matrix of Pipe-Jacking

2 顶管施工模型的本构模型选取

岩土工程数值分析和数值模拟最重要的就是岩土体的本构关系， 其精度很大程度上是由本构关系的合理性和适用性所决定的。 土体的构成常常不是单一而是复杂的，为了反应土体真实的物理力学状态，绝大多数时候需要建立比较复杂的本构模型， 但是在实际模拟过程中， 精度达到一定条件时， 又要求本构模型简单实用。

目前应用最广的有Duncan-Zhang 模型、Druck-er-Prager 模 型、Mohr-coulomb 模 型 等， 其 中Mohr-coulomb模型具有既能反应岩土体材料抗压强度不同的S-D效应， 又简单实用， 材料参数可通过不同的常规室内实验方法测定， 故而是最通用的岩土体本构模型。 本文中的土体及护壁泥浆套的本构模型即采用Mohrcoulomb 模 型[3]。

本工程管道全程穿越无水砂层。 蒋晓星等[4]研究了风积沙的特性及应用；刘绍宁等[5]对风积沙土工程特性进行了研究；袁玉卿等[6]针对风积沙压实特性进行了试验研究；包建强等[7]针对内蒙古沙漠地区风积沙本构模型进行了研究， 给出了部分风积沙物理力学性质的合理取值。

触变泥浆不受扰动时呈凝胶状态， 受到外力作用后变成溶胶， 再静置一段时间后恢复成凝胶状态。 它在长时间静置时也不发生聚沉和离析现象。 在扰动时具有足够的流动性， 即触变性。 触变性是施工过程中泥浆能发挥作用的基本因素。 在与外界土层接触处，泥浆向土层内渗透， 这将使其失去部分水分而变稠，静切强度增加， 形成一层薄而坚韧、 不透水的固体颗粒胶结物，即泥皮。

本文通过查阅资料，再结合本工程实际，对工程样本进行室内试验， 最终确定模型取值。 无水砂层和护壁泥浆套部分取值如表1 所示。

在FLAC-3D 中各向同性弹性模型提供了最单一的材料性质表述， 模型适用于应力－应变特性呈线性关系的无卸载和滞后现象的均质、 各向同性、 连续介质材料。 模型中的钢筋混凝土管道和刀盘部分， 其材料的刚度远大于土体和护壁泥浆套， 故而可将其看做弹性材料， 本构模型选用各向同性弹性模型。 钢筋混凝土管道与刀盘模型取值如表2 所示[8-9]。

表1 无水砂层与护壁泥浆套本构模型取值表Table1 Value table of constitutive model of anhydrous sand layer and protective mud screen

表2 钢筋混凝土管道与刀盘本构模型取值表Table2 Value table of constitutive model of concrete reinforced pipe and cutterhead

3 顶管施工模型的计算结果

本文所研究数值模拟的主要对象是顶管工程施工过程中的护壁泥浆套， 研究分析其受到的不平衡力以及状态响应。 工程施工之前， 周围土层中的岩土体由于自身重力影响， 已处于压实平衡状态。 因此在模型求解计算之前必须先行使模型处于平衡状态， 如忽略此平衡状态会对计算结果有比较大的影响。 完成对模型的边界条件设置后， 首先进入平衡状态响应， 恢复其初始平衡状态。 进行顶管施工过程中的应力施加，改变模型各个组成部分的模型参数。 执行变更完成后，开始对模型进行求解计算，检查模型的响应特征。

利用数值模拟方法研究顶管施工过程中的护壁泥浆套的状态是基于以下假设和简化：（1） 土体是均质且连续的；（2）不考虑地下水的影响；（2）土体不随时间变化而产生物理力学性质上的改变；（4） 不考虑刀盘切削土体的振动所产生的扰动土体现象[10]。

调节注浆压力，分别对模型进行求解过程。 所得到的结果图2、3、4 所示分别为注浆压力为0.20、0.25、0.30MPa 时，护壁泥浆套的位移量。 泥浆套的位移量基本保持在2cm 之内， 泥浆套保持状态较好， 能起到良好的护壁减阻作用；

图2 0.20MPa 注浆压力下泥浆套的位移云图Fig.2 Contour of displacement of mud screen under 0.20Mpa

调节模拟注浆压力为0.10MPa， 其结果如图5 所示， 护壁泥浆套模型位移量明显增大， 导致顶管上部泥浆套流失， 下部泥浆套侵入土层， 泥浆套不能保持良好的状态；

图3 0.25MPa 注浆压力下泥浆套的位移云图Fig.3 Contour of displacement of mud screen under 0.25Mpa

图4 0.30MPa 注浆压力下泥浆套的位移云图Fig.4 Contour of displacement of mud screen under 0.30Mp a

图5 0.10MPa 注浆压力下泥浆套的位移云图Fig.5 Contour of displacement of mud screen under 0.10Mp a

再调节模拟注浆压力为0.40MPa，其结果如图6 所示，护壁泥浆套向外扩张明显，大量侵入土层中，不能形成状态良好的泥皮。

这两种现象都影响减摩降阻的效果， 增大顶管的摩阻力， 此时顶管机顶力不得不增大， 进而增加刀盘磨损，甚至导致施工面垮塌事故。

4 工程应用

乌兰布和生态沙产业区巴音湖输水穿沙管道工程设计采用DN3000 钢筋混凝土管顶管施工， 最长顶段423.3m，管道全程穿越无水砂层，砂层含砂率97.6%，管外壁摩阻力很大， 为制约管道顶进长度的关键影响因素。 通过现场应用对顶管顶进的润滑减阻系统进行动态分析， 着重分析浆液流动过程中的成套机理和对孔壁的冲击压力及支护作用， 分析浆液成套后与地面变形间的关系和管道顶进中侧摩阻关系， 通过对顶管顶进中护壁减阻系统各类参数和影响因素的监测，开展数据分析， 将监测数据与室内实验数据进行对比分析， 进而形成一套高效优化的针对沙漠地区顶管施工护壁减阻的浆液系统。

图6 0.40MPa 注浆压力下泥浆套的位移云图Fig.6 Contour of displacement of mud screen under 0.40Mp a

根据实验结果及现场试验，确定采用双液注浆，即采用优质浓泥浆机头注浆形成泥浆套护壁； 无固相减阻润滑浆液沿线跟进补浆以减小顶管顶进阻力， 采用螺杆泵作为注浆泵， 减小注浆脉动， 根据计算确定采用注浆压力为0.25Mpa ,顶管施工效果如图7 所示。

图7 0.25MPa 注浆压力下顶力变化图Fig.7 Diagram of jacking force variation under grouting pressure of 0.25mp a

从顶管顶力变化图可以看出， 在按照上述配比及操作要求实施注浆后， 整段管道顶力基本随顶进距离的增大而逐步增大， 其中： 在初始顶进时因管外壁未注浆，因此顶力增长较快，一旦开始注浆后，顶力迅速降低，随后开始缓慢增长；部分管节顶力突变较大，经分析， 是由于现场操作部分机械故障， 检修更换导致停顶时间较长从而使顶力增大； 另外在即将进洞前，由于刀盘前方迎面阻力减小，从而使顶力减小。

全段顶管最大顶力为13880KN， 远小于计算顶力30150KN，注浆护壁减阻达到了预期效果。 工程实际应用效果与前述理论模型分析结果吻合， 进一步说明本文理论模型分析结果的正确性。

5 结论

（1）在顶管施工过程中，如果可以保持护壁泥浆套时刻都呈现一个良好的状态， 将会对工程施工的效率和安全性有很大的提升和保障；

（2） 施工过程中的护壁泥浆套的状态与注浆压力有最直接关系， 改变注浆压力是可以调节护壁泥浆套的完整度的；

（3）模拟实验数据与工程实际较为贴合，利用数值模拟方法研究顶管过程中的护壁泥浆套的形成与保持的方法是可行的， 在模拟过程中考虑的因素越贴近工程实际，所得到的结果也越真实可靠。