大斷面矩形頂管注漿壓力對地層沉降影響規律研究

馬險峰，鄒宇翔，李向紅，洪 斌

（1.同濟大學 土木工程學院，上海 200082；2.喀什大學土木工程學院，新疆 喀什 844000；3.中億豐建設集團股份有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

近年來隨著經濟社會的發展和隧道工程技術的進步，頂管法逐步用于地下立體交叉、地鐵、河下隧道等工程中，尤其是大斷面矩形頂管，以其隧道空間大和空間利用率高的優點在城鄉建設中被廣泛應用.相比傳統的圓形頂管，頂管法對周圍地層產生的擾動較大，特別是淺埋大斷面矩形頂管對地層沉降和擾動將會更大.對于頂管法施工最終的地層沉降，國內外學者已通過理論計算、數值模擬、模型實驗等方法進行了分析并得出地層損失[1]、土倉平衡力[2-4]、側向摩阻力[5-6]等施工參數會在一定程度上影響最終地層沉降的結論.而在注漿壓力參數研究方面，Kai Wen[7]、王雙[8]從理論的角度進行分析，認為注漿壓力的大小會施加在周圍土層上，造成周圍土層的變形和位移，并用彈性力學半無限彈性體圓孔擴張理論計算出注漿壓力造成的土層位移.黃宏偉[9]采用三維數值分析的方法對正面推力、地層損失、注漿壓力等因素進行模擬，得出了注漿壓力影響沉降的規律.可見注漿壓力對頂管施工引起地層沉降的影響規律研究僅停留在理論分析和數值模擬層面，缺乏模型實驗和現場工程測量數據等實際應用方面的反饋和分析.為了進一步完善注漿壓力對地層沉降影響規律的研究和大斷面矩形頂管施工對地層沉降控制的研究需要，本文首先采用PLAXIS 3D 對不同注漿壓力產生的地層沉降進行數值模擬分析，并運用巖土離心模擬試驗技術，自主研發了頂管注漿模擬系統，對頂管施工的頂進和注漿過程進行模擬，研究不同注漿壓力下最終地層沉降變化規律，并在蘇州東匯公園下穿護城河頂管隧道工程現場布置位移計，用現場測量的沉降數據和實驗結論進行對比分析，將理論與現場實際相結合得出結論，為今后頂管工程沉降影響控制方面提供依據.

1 數值模擬

本文采用PLAXIS 3D 巖土工程數值模擬軟件進行模擬分析.為了使數值分析結果更具有參考意義，并能貼近工程實際，以蘇州東匯公園頂管工程為典型案例進行建模.東匯公園頂管工程位于江蘇省蘇州市姑蘇區，北側連接東匯公園地下停車場，南側直通蘇州古城區.頂管工程下穿蘇州護城河，全長約163.5 m，每節管片長1.5 m，埋深4 m，斷面為矩形，斷面尺寸6.9 m*5 m，地層以粘土地層為主，現場平面圖如圖1 所示.對該工程進行簡化后，建立如圖2 所示的數值模擬模型.

圖1 蘇州東匯公園頂管工程概況Fig.1 Overview of the Pipe Jacking Project in Suzhou Donghui Park

圖2 PLAXIS 3D 頂管隧道建模Fig.2 PLAXIS 3D pipe jacking tunnel modeling

1.1 建模參數

模型的尺寸、土層參數以及計算參數如表1 和表2 所示.

表1 隧道模型尺寸和參數Tab.1 Tunnel model dimensions and parameters

表2 工程地質參數Tab.2 Engineering geological parameters

為了研究注漿壓力對地層沉降的影響，本次模擬采用控制變量法，保持地層損失、側摩阻力、土倉平衡力等（對地層沉降有影響的）參數不變，改變注漿壓力，從而分析注漿壓力對地層沉降的影響規律.數值模擬共計3 種工況，其基本參數如表3 所示.

表3 各工況施工參數Tab.3 Construction parameters of various working conditions

1.2 計算結果與分析

在PLAXIS 3D 中通過消去土體單元并隨后激活混凝土管片結構的方法模擬開挖，并在整條隧道開挖完成后選取隧道任一橫截面的地表沉降數據，得到不同注漿壓力下地層的最終沉降對比結果（見圖3）.

圖3 數值分析各工況最終沉降Fig.3 Numerical analysis of the final settlement of each working condition

各工況的上覆土壓力為80 kPa，一般情況下注漿壓力的選取與上覆土壓力接近.數值計算中的工況2（注漿壓力為80 kPa）為一般情況下的地層沉降，其值為24.11 mm.減小注漿壓力10 kPa～70 kPa（4 米處土粘聚力為10 kPa）將大幅增加地層沉降至29.41 mm，而增加注漿壓力10 kPa（90 kPa）能有效的減小地層沉降至21.94 mm，可見注漿壓力對地層沉降的影響明顯，適當增加注漿壓力將有利于控制地層沉降.

2 離心機模型實驗

為進一步深入研究淺埋大斷面矩形頂管施工過程中，注漿壓力的變化對地層沉降影響規律，對數值模擬中產生的結論做進一步的細化和研究，下面采用巖土工程離心機設備對頂管工程開展離心模型實驗，在縮尺模擬的模型實驗中研究物理規律和沉降變化.

2.1 離心機實驗設備和參數

本實驗采用同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室的TLJ-150 復合型巖土離心試驗機（見圖4）.考慮到模型所模擬的原型大小和范圍、模型的尺寸效應和邊界效應、儀器的測量精度等的影響，本實驗中相似比N 取40，同時通過量綱分析對實驗中遇到的物理量進行相似比推導求解，相應的相似比系數和相應的參數比例見表4.

圖4 TLJ-150 復合型巖土離心試驗機Fig.4 TLJ-150 composite geotechnical centrifuge

表4 相關物理量相似比Tab.4 Similarity ratio of related physical quantity

2.2 頂管工程注漿模擬系統

頂管工程注漿模擬系統由頂進模擬系統、注漿系統、測量系統組成.圖5 為注漿模擬系統實物圖，圖6 為離心機實驗過程圖.本文將模擬的工況為軟粘土地區矩形頂管開挖，管片外徑為6.9 m*5 m*1.5 m，覆土厚度4 m，水位線位于地表，相關尺寸根據相似比在離心機模型實驗中進行等價換算.

圖5 頂管工程注漿模擬系統Fig.5 Pipe jacking project grouting simulation system

圖6 頂管工程離心機模型實驗Fig.6 Centrifuge model experiment of pipe jacking project

頂進模擬系統由頂管模型、鈦合金傳力架、機械手組成.頂管模型為矩形頂管，一段模擬頂管機，尺寸為175 mm*130 mm*180 mm（寬* 高* 長度），厚度15 mm；另一段為頂管隧道，尺寸為165 mm*120 mm*200 mm （寬* 高* 長度），材質為內嵌鋼筋的混凝土管.兩頂管模型尺寸差為建筑空隙.鈦合金傳力架為一個框架結構，模擬工程現場千斤頂給頂管施加的頂進力分布.機械手為離心機實驗定制設備，可在高g 值下以15 mm/min 的速度（該速度由蘇州頂管工程施工現場調查得出）向前推動頂管模型.實驗中通過將頂管機管段頂出土層模擬土層被開挖，同時緊挨著頂管機的頂管被頂進土層模擬隧道頂進.

注漿系統由離心機氣路、電磁閥、氣缸、密封環組成，能實現頂管頂進的同時進行同步注漿.離心機氣路的空氣壓縮機能產生有壓強的氣體，該氣體通進氣缸，在氣缸活塞的另一端充滿已制備好的泥漿（排盡空氣）.通過調整輸入氣體壓強來調整注漿壓力，通過電磁閥和調整氣缸兩端節流閥進氣速度使泥漿在15 min內均勻壓出氣缸，以實現同步注漿.密封環由鐵片、硅膠板組成，在洞口硅膠板與頂管管片緊密貼合（模擬現場洞口止水），在防止泥漿外流的同時，允許頂管管片隨注漿量變化上下浮動，不產生影響實驗結果的摩擦力.

測量系統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 個激光位移計，形成隧道最終的沉降曲線；通過給氣缸拉桿標定體積和攝像頭監控，實時監控實驗過程中注漿量.

2.3 實驗步驟

實驗總共4 組，各組參數如表5 所示.實驗步驟可分為配制泥漿、預壓固結、電機頂進、同步注漿、測量數據五個步驟.按照水：膨潤土=1：0.06 配制膨潤土標準泥漿，并靜置24 h 使其完全水化，放置好頂管模型和土之后運行離心機對土進行固結（每組實驗都固結到相同的高度，保證各實驗土固結程度相同），使土恢復到現場土的狀態.固結完成后操控機械手進行頂進，并操控電磁閥打開離心機氣路進行同步注漿并最終到無法將泥漿注進土層為止，每組實驗都需不斷調整氣體的壓強以調整注漿壓力.在實驗的過程中運用離心機數據處理系統和攝像頭進行地層沉降、注漿量的數據收集，在頂管頂進結束后繼續運行離心機至沉降穩定，獲取地層的最終沉降量，最終進行數據整理和分析.

表5 注漿模擬實驗參數Tab.5 Parameters of grouting simulation experiment

2.4 實驗結果與分析

圖7 為實驗的最終沉降圖.在Ex.1 中注漿壓力為80 kPa（等于上覆土壓力），曲線變化規律基本符合Peck 曲線等常規沉降曲線，沉降最大值1.1 mm，還原離心機模型縮放比例，沉降值為44 mm.隨著注漿壓力的上升，在中軸線附近的注漿區域（頂管模型寬度范圍） 發生明顯的抬升，而非注漿區域的抬升量不大，可見注漿會在注漿區域上方產生沉降補償作用，而對于沉降槽邊緣部分效果不明顯.

在Ex.3 中，注漿壓力為上覆土壓力的2倍，此時在沉降補償的作用下，地表沉降很小，沉降控制效果很好.

在Ex.4 中，注漿壓力達到上覆土壓力的3倍，此時地表在注漿區域段產生了隆起，可見過大的注漿壓力會導致沉降補償作用太大，致使地表隆起，如果土層性質較差，還有可能會造成土體破壞.

圖7 頂管注漿實驗最終沉降圖Fig.7 Final settlement diagram of jacking pipe grouting experiment

將各工況的注漿壓力與軸線最大沉降值提取并繪制成曲線圖（如圖8），可見注漿壓力對最終沉降影響較大，兩者成正相關但沒有線性關系.

圖8 注漿壓力與中軸線沉降關系圖Fig.8 Diagram of relationship between grouting pressure and central axis settlement

3 工程現場數據對比

在蘇州東匯公園頂管工程現場布置設備進行沉降測量，將理論實驗與現場數據研究比對.現場注漿方式為同步注漿并在開挖后持續補漿，注漿壓力為240 kPa（約為上覆土壓力的3倍），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.將現場數據進行整理并選取開挖至測點處、開挖后30 m、最終沉降三個時間節點，來研究注漿補漿前后的沉降變化，同時將離心機實驗注漿壓力為240 kPa 時的實驗結果數值通過縮尺比例推算至現場數值，將兩者繪制進一張圖進行對比分析，圖9 為各頂進距離時的沉降曲線和實驗結果的對比.

圖9 現場各頂進距離時的沉降曲線與實驗結果對比Fig.9 Comparison of settlement curves and experimental results at various jacking distances on site

通過分析曲線可知：在現場測量數據中，剛開挖至測點時，地層整體由于受到擾動和土體損失，開始產生地層沉降；在開挖至測點到開挖后30 m 這一時間段，地層沉降持續增加，沉降最大值在中軸線處；在開挖完用240 kPa 的注漿壓力進行持續補漿之后，補漿區域（-3.45 m～3.45 m）附近發生明顯抬升，由原來的沉降-8 mm 變為最終隆起12 mm 左右，同時非補漿區域受到影響較小，即注漿沉降補償作用只發生在注漿區域附近.在實驗結果曲線中，同樣在注漿壓力為240 kPa 時呈現反向隆起現象，隆起量根據離心機縮尺比例推導為8 mm，同時在非注漿區域沉降較大，受注漿影響很小，整體曲線和現場測量曲線數值和趨勢相近.可見實驗結果和現場測量數據呈現出了相同的沉降規律，上述結論得到了實際現場工程的證明.

4 結語

本文先采用PLAXIS 3D 數值模擬軟件對蘇州東匯公園頂管工程進行數值模擬分析，初步發現增加注漿壓力會減小地層沉降的規律.進一步使用巖土工程離心機設備和自主研發的頂管工程注漿模擬系統，對矩形頂管工程在不同注漿壓力下的地層沉降進行了頂管模擬開挖實驗，并結合現場測量數據，得出以下結論：注漿壓力對地層沉降存在沉降補償作用，注漿壓力越大，在最后補漿抬升階段的沉降補償作用就越大，最終的地層沉降就越小.然而值得注意的是過大的注漿壓力會出現過度補償作用，反而對沉降控制產生不利影響.在本文中的離心機實驗和現場數據中，注漿壓力為覆土壓力的3倍時都已出現過度補償地層隆起現象.因此，合理的選擇注漿壓力能有效的控制地層沉降，同時注漿造成的沉降補償作用只發生在注漿區域附近，對注漿區域之外的沉降影響不大.