基于FLAC-3D 的頂管施工護壁泥漿套研究

張明磊 隆 威 王李昌

（中南大學，地球科學與信息物理學院，有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室〈中南大學〉，湖南 長沙 410083）

0 引言

頂管施工技術是緊隨盾構施工技術興起的一種地下管道施工類型。 此種方法不必開挖面層,而且能夠穿越山地，河流，道路，建筑，以及各類地下管線等，在我國各地已經逐步普及應用, 用于頂管施工的設備也越來越先進。 近十年來,隨著市場建設規模逐漸擴大，各類建筑也越來越多, 對環境保護、 生態文明的要求也越來越高， 管線明槽開挖施工縮短道路使用壽命、影響附近居民生活、破壞周邊生態環境，給人們的生活、工作帶來諸多不便； 而埋深較大的管道采用明挖法施工不僅影響環境， 還存在技術難度大、 施工成本高等缺點與不足。 在管道建設項目中,頂管施工技術己被廣泛應用。 但在實際設計施工過程中,由于受到復雜多變的地理條件等因素的影響,存在諸多技術問題,尚須結合實際進行更多的完善與研究, 使其更好服務生產和指導施工[1]。

本文以烏蘭布和生態沙產業示范區建設的重要引水工程為例，應用FLAC-3D 軟件對頂管施工過程中的狀態進行模擬， 研究在頂進過程中漿液形成泥漿套的問題。

1 頂管施工模型的建立

FLAC-3D 是一款國際通用的巖土工程專業分析軟件， 其具備廣泛的模擬能力和不俗的計算體系。 軟件涉及到了針對巖土體和建筑構件的大量的結構單元和本構模型， 保證了其在巖土工程模擬上的專業性，因此被廣泛應用于國內外的模擬試驗研究中。 本文所用為FLAC-3D 軟件5.0 版本。

應用FLAC-3D 軟件建立計算模型時，需要考慮的是所建模型的幾何條件與物理條件要與頂管施工狀態盡量貼合，除此之外還應優化模型，提高計算效率。 確定模型范圍， 通過計算截取施工部分作為研究對象。軟件其內置的有多種網格生成命令， 選取適當的坐標點開始建立網格模型[2]。 網格模型分為6 部分，分別為（1）施工周圍土層、（2）護壁泥漿套、（3）鋼筋混凝土管道、（4）刀盤、（5）施工前端土層、（6）開挖土層。

應用網格生成命令， 分別建立6 個分組來實現網格 模 型 的 6 個 組 成 部 分 。 截 取 三 維 立 體 內10m*8.5m*10m 大小的范圍為本次研究的范圍，整個模型共計6.2 萬個網格，模型結果如圖1 所示。

圖1 頂管工程模型示意圖Fig.1 Sketch of matrix of Pipe-Jacking

2 頂管施工模型的本構模型選取

巖土工程數值分析和數值模擬最重要的就是巖土體的本構關系， 其精度很大程度上是由本構關系的合理性和適用性所決定的。 土體的構成常常不是單一而是復雜的，為了反應土體真實的物理力學狀態，絕大多數時候需要建立比較復雜的本構模型， 但是在實際模擬過程中， 精度達到一定條件時， 又要求本構模型簡單實用。

目前應用最廣的有Duncan-Zhang 模型、Druck-er-Prager 模 型、Mohr-coulomb 模 型 等， 其 中Mohr-coulomb模型具有既能反應巖土體材料抗壓強度不同的S-D效應， 又簡單實用， 材料參數可通過不同的常規室內實驗方法測定， 故而是最通用的巖土體本構模型。 本文中的土體及護壁泥漿套的本構模型即采用Mohrcoulomb 模 型[3]。

本工程管道全程穿越無水砂層。 蔣曉星等[4]研究了風積沙的特性及應用；劉紹寧等[5]對風積沙土工程特性進行了研究；袁玉卿等[6]針對風積沙壓實特性進行了試驗研究；包建強等[7]針對內蒙古沙漠地區風積沙本構模型進行了研究， 給出了部分風積沙物理力學性質的合理取值。

觸變泥漿不受擾動時呈凝膠狀態， 受到外力作用后變成溶膠， 再靜置一段時間后恢復成凝膠狀態。 它在長時間靜置時也不發生聚沉和離析現象。 在擾動時具有足夠的流動性， 即觸變性。 觸變性是施工過程中泥漿能發揮作用的基本因素。 在與外界土層接觸處，泥漿向土層內滲透， 這將使其失去部分水分而變稠，靜切強度增加， 形成一層薄而堅韌、 不透水的固體顆粒膠結物，即泥皮。

本文通過查閱資料，再結合本工程實際，對工程樣本進行室內試驗， 最終確定模型取值。 無水砂層和護壁泥漿套部分取值如表1 所示。

在FLAC-3D 中各向同性彈性模型提供了最單一的材料性質表述， 模型適用于應力－應變特性呈線性關系的無卸載和滯后現象的均質、 各向同性、 連續介質材料。 模型中的鋼筋混凝土管道和刀盤部分， 其材料的剛度遠大于土體和護壁泥漿套， 故而可將其看做彈性材料， 本構模型選用各向同性彈性模型。 鋼筋混凝土管道與刀盤模型取值如表2 所示[8-9]。

表1 無水砂層與護壁泥漿套本構模型取值表Table1 Value table of constitutive model of anhydrous sand layer and protective mud screen

表2 鋼筋混凝土管道與刀盤本構模型取值表Table2 Value table of constitutive model of concrete reinforced pipe and cutterhead

3 頂管施工模型的計算結果

本文所研究數值模擬的主要對象是頂管工程施工過程中的護壁泥漿套， 研究分析其受到的不平衡力以及狀態響應。 工程施工之前， 周圍土層中的巖土體由于自身重力影響， 已處于壓實平衡狀態。 因此在模型求解計算之前必須先行使模型處于平衡狀態， 如忽略此平衡狀態會對計算結果有比較大的影響。 完成對模型的邊界條件設置后， 首先進入平衡狀態響應， 恢復其初始平衡狀態。 進行頂管施工過程中的應力施加，改變模型各個組成部分的模型參數。 執行變更完成后，開始對模型進行求解計算，檢查模型的響應特征。

利用數值模擬方法研究頂管施工過程中的護壁泥漿套的狀態是基于以下假設和簡化：（1） 土體是均質且連續的；（2）不考慮地下水的影響；（2）土體不隨時間變化而產生物理力學性質上的改變；（4） 不考慮刀盤切削土體的振動所產生的擾動土體現象[10]。

調節注漿壓力，分別對模型進行求解過程。 所得到的結果圖2、3、4 所示分別為注漿壓力為0.20、0.25、0.30MPa 時，護壁泥漿套的位移量。 泥漿套的位移量基本保持在2cm 之內， 泥漿套保持狀態較好， 能起到良好的護壁減阻作用；

圖2 0.20MPa 注漿壓力下泥漿套的位移云圖Fig.2 Contour of displacement of mud screen under 0.20Mpa

調節模擬注漿壓力為0.10MPa， 其結果如圖5 所示， 護壁泥漿套模型位移量明顯增大， 導致頂管上部泥漿套流失， 下部泥漿套侵入土層， 泥漿套不能保持良好的狀態；

圖3 0.25MPa 注漿壓力下泥漿套的位移云圖Fig.3 Contour of displacement of mud screen under 0.25Mpa

圖4 0.30MPa 注漿壓力下泥漿套的位移云圖Fig.4 Contour of displacement of mud screen under 0.30Mp a

圖5 0.10MPa 注漿壓力下泥漿套的位移云圖Fig.5 Contour of displacement of mud screen under 0.10Mp a

再調節模擬注漿壓力為0.40MPa，其結果如圖6 所示，護壁泥漿套向外擴張明顯，大量侵入土層中，不能形成狀態良好的泥皮。

這兩種現象都影響減摩降阻的效果， 增大頂管的摩阻力， 此時頂管機頂力不得不增大， 進而增加刀盤磨損，甚至導致施工面垮塌事故。

4 工程應用

烏蘭布和生態沙產業區巴音湖輸水穿沙管道工程設計采用DN3000 鋼筋混凝土管頂管施工， 最長頂段423.3m，管道全程穿越無水砂層，砂層含砂率97.6%，管外壁摩阻力很大， 為制約管道頂進長度的關鍵影響因素。 通過現場應用對頂管頂進的潤滑減阻系統進行動態分析， 著重分析漿液流動過程中的成套機理和對孔壁的沖擊壓力及支護作用， 分析漿液成套后與地面變形間的關系和管道頂進中側摩阻關系， 通過對頂管頂進中護壁減阻系統各類參數和影響因素的監測，開展數據分析， 將監測數據與室內實驗數據進行對比分析， 進而形成一套高效優化的針對沙漠地區頂管施工護壁減阻的漿液系統。

圖6 0.40MPa 注漿壓力下泥漿套的位移云圖Fig.6 Contour of displacement of mud screen under 0.40Mp a

根據實驗結果及現場試驗，確定采用雙液注漿，即采用優質濃泥漿機頭注漿形成泥漿套護壁； 無固相減阻潤滑漿液沿線跟進補漿以減小頂管頂進阻力， 采用螺桿泵作為注漿泵， 減小注漿脈動， 根據計算確定采用注漿壓力為0.25Mpa ,頂管施工效果如圖7 所示。

圖7 0.25MPa 注漿壓力下頂力變化圖Fig.7 Diagram of jacking force variation under grouting pressure of 0.25mp a

從頂管頂力變化圖可以看出， 在按照上述配比及操作要求實施注漿后， 整段管道頂力基本隨頂進距離的增大而逐步增大， 其中： 在初始頂進時因管外壁未注漿，因此頂力增長較快，一旦開始注漿后，頂力迅速降低，隨后開始緩慢增長；部分管節頂力突變較大，經分析， 是由于現場操作部分機械故障， 檢修更換導致停頂時間較長從而使頂力增大； 另外在即將進洞前，由于刀盤前方迎面阻力減小，從而使頂力減小。

全段頂管最大頂力為13880KN， 遠小于計算頂力30150KN，注漿護壁減阻達到了預期效果。 工程實際應用效果與前述理論模型分析結果吻合， 進一步說明本文理論模型分析結果的正確性。

5 結論

（1）在頂管施工過程中，如果可以保持護壁泥漿套時刻都呈現一個良好的狀態， 將會對工程施工的效率和安全性有很大的提升和保障；

（2） 施工過程中的護壁泥漿套的狀態與注漿壓力有最直接關系， 改變注漿壓力是可以調節護壁泥漿套的完整度的；

（3）模擬實驗數據與工程實際較為貼合，利用數值模擬方法研究頂管過程中的護壁泥漿套的形成與保持的方法是可行的， 在模擬過程中考慮的因素越貼近工程實際，所得到的結果也越真實可靠。