曹宇春,霍 超,楊建輝

(浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院,杭州 310023)

隨著城市化進(jìn)程的加快和用地資源的緊張,越來越多的城市將目光轉(zhuǎn)向地下工程,其中頂管是地下工程中一種常用的非開挖隧道施工技術(shù)。頂管頂進(jìn)過程中的摩阻力和頂力是頂管工程的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),其中管土間摩阻力的大小與頂管穿越的土層性質(zhì)、頂管類型及直徑、減阻泥漿效果的發(fā)揮等因素有關(guān)。當(dāng)頂管頂進(jìn)過程中的摩阻力較大時(shí),若頂力較小,則頂管難以頂進(jìn),若頂力過大,則可能導(dǎo)致管節(jié)的損壞。因此對(duì)頂管頂進(jìn)過程中摩阻力和頂力的大小及其變化規(guī)律進(jìn)行深入研究十分必要。

國內(nèi)外較多研究者對(duì)頂管頂進(jìn)過程中的摩阻力和頂力做了探索。在摩阻力研究方面,Shimada等[1]使用滲流分析模型研究了管土間泥漿的填充對(duì)減小摩阻力的作用,最終采用連續(xù)積分方式求出了曲線頂管側(cè)摩阻力。Khazaei等[2]運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行模擬,研究了頂管施工中泥漿的減阻效果,利用Hezrt彈性接觸理論求得管土和管漿接觸寬度,并推導(dǎo)出管道摩阻力。黃吉龍[3]通過直剪試驗(yàn)和整管試驗(yàn)得到了頂管頂進(jìn)過程中摩阻力的變化情況。叢茂強(qiáng)[4]通過有限元軟件研究了泥漿套的形成及其完整性對(duì)摩阻力的影響。在頂力研究方面,劉猛等[5]對(duì)頂管施工過程進(jìn)行了模擬,通過分析一節(jié)頂管各個(gè)部位在頂進(jìn)過程中的變化得到了頂管頂力的變化情況。陳孝湘等[6]結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)分析頂力的組成及其與頂程、頂進(jìn)曲率半徑等影響因素之間的關(guān)系,從而估算出頂力。Marco[7]研究了石灰?guī)r地區(qū)頂管的“卡死”現(xiàn)象并利用數(shù)值模擬計(jì)算出頂力。Yen等[8]利用數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)臺(tái)灣地區(qū)砂礫層中頂管機(jī)尾部管土間的間隙對(duì)接觸面積有一定影響,并利用模型預(yù)測了頂力。

綜觀現(xiàn)有研究,在結(jié)合具體頂管工程對(duì)摩阻力和頂力進(jìn)行數(shù)值模擬、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算方面,鮮見較全面的分析和對(duì)比研究。因此,本研究基于多個(gè)頂管工程摩阻力的實(shí)測數(shù)據(jù),通過定義摩阻比和頂距比,對(duì)管土相互作用的摩阻力特性進(jìn)行分析;依托杭州某220 kV線路電纜大口徑頂管隧道工程,使用位移控制法對(duì)摩阻力和頂力進(jìn)行Abaqus有限元數(shù)值模擬,從而得到摩阻力和頂力隨頂進(jìn)距離的變化規(guī)律,并與相應(yīng)的監(jiān)測值和經(jīng)驗(yàn)公式值進(jìn)行對(duì)比分析,以驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性。

1 摩阻力特性分析

頂管施工過程中,整個(gè)管道系統(tǒng)和相關(guān)設(shè)備在頂進(jìn)過程中需克服各種阻力和外界因素的影響。其中阻力可分為兩部分,一部分為頂管機(jī)的迎面阻力,另一部分為頂管外壁與土體之間的摩阻力。當(dāng)頂管的口徑、需穿越的地層、頂管機(jī)類型和埋設(shè)深度確定后,迎面阻力往往是定值。而頂管與土體之間的摩阻力因頂進(jìn)距離變長,管片的數(shù)量不斷變多,往往呈線性增加。但隨著摩阻力的不斷增大,所需提供的頂力也不斷增大,這可能會(huì)導(dǎo)致后背墻難以提供施工過程中所需要的反力,同時(shí)管節(jié)也可能遭到受壓破壞。因此,目前頂管都會(huì)采用注漿減阻的工藝。注漿減阻即通過向土層和頂管管壁間注入潤滑漿液,使管節(jié)和土體間的摩擦變?yōu)楣芄?jié)和潤滑漿液間的液體摩擦,從而減少管壁的摩擦阻力,進(jìn)而達(dá)到減少頂推力的目的。

為更好地研究采用注漿減阻工藝的頂管摩阻力變化規(guī)律,我們對(duì)幾個(gè)實(shí)際頂管工程項(xiàng)目的頂管機(jī)類型、管徑、材質(zhì)、土層等工況參數(shù)進(jìn)行匯總[9-11],具體參數(shù)見表1。以下將對(duì)各工程的摩阻力特性及變化規(guī)律進(jìn)行分析。

表1 各頂管工程參數(shù)Table 1 Parameters of various pipe jacking projects

由于每個(gè)工程的工況不同,其頂進(jìn)距離與初始單位摩阻力均有所不同,為此定義頂距比和摩阻比兩個(gè)歸一化變量,以便研究和總結(jié)摩阻力隨頂進(jìn)距離的變化規(guī)律。頂距比的定義為

(1)

式(1)中:L為頂進(jìn)的距離,m;Lmax為頂進(jìn)的最大距離,m。摩阻比的定義為

(2)

式(2)中:f為當(dāng)前單位摩阻力,kPa;f0為初始單位摩阻力,kPa。

根據(jù)工程的實(shí)測結(jié)果,對(duì)摩阻力數(shù)據(jù)按歸一化的頂距比和摩阻比進(jìn)行整理后可得圖1。

圖1 各頂管工程的摩阻力監(jiān)測曲線Fig.1 Monitored curves of frictional resistance invarious pipe jacking projects

由圖1可知,各工程中摩阻比隨頂距比的變化規(guī)律基本上一致,即摩阻比一開始較大,隨著頂距比的增加摩阻比逐漸減小,最終穩(wěn)定在某一數(shù)值,多數(shù)頂管工程最終摩阻比穩(wěn)定在0.4～0.6之間。蘇州綜合管廊頂管工程[9]在前期減阻作用就比較明顯,最終摩阻比穩(wěn)定在0.1左右,其原因可能是采用了創(chuàng)新專利高分子聚合物減阻膠泥技術(shù),同時(shí)使用了改良添加劑對(duì)土體的流動(dòng)性和滲透性進(jìn)行改善,這使得漿液容易擴(kuò)散,減阻作用顯著。

為更好地分析頂管頂進(jìn)過程中摩阻力和頂力的變化規(guī)律,以下將依托杭州某實(shí)際頂管工程,利用Abaqus有限元模擬頂管的頂進(jìn)過程來獲得相應(yīng)的摩阻力和頂力數(shù)值,結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果、監(jiān)測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)頂管摩阻力和頂力進(jìn)行對(duì)比分析和研究。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 模型的簡化與網(wǎng)格劃分

杭州某220 kV線路電纜隧道工程,線路全長657.169 m,隧道采用泥水平衡式頂管法掘進(jìn),采用大口徑頂管機(jī)進(jìn)行施工,其外徑為4 180 mm,橫斷面為圓形。管節(jié)外徑為4 140 mm,內(nèi)徑為3 500 mm,強(qiáng)度為C50的鋼筋混凝土管。每節(jié)管節(jié)長度為2 500 mm,管節(jié)之間的接口使用柔性F型鋼承口。

對(duì)上述頂管工程進(jìn)行Abaqus三維有限元建模,模型尺寸選為50 m(x)×100 m(y)×30 m(z),頂管軸心均距地表8 m。選取z軸負(fù)方向?yàn)樯疃确较?y軸為頂進(jìn)方向。邊界條件設(shè)為下表面固定水平和豎直位移,上表面為自由平面,其余固定其法向位移。潤滑泥漿的模擬較為復(fù)雜,本研究利用20 mm的等代層進(jìn)行代替。在管土作用方面,潤滑泥漿和管節(jié)的接觸面上施加有摩擦的接觸對(duì),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)摩阻力的模擬,在潤滑泥漿和土體之間采用追蹤單元的方式,無須設(shè)置綁定和接觸,就可實(shí)現(xiàn)土體的鈍化和泥漿的激活?？紤]到計(jì)算的精度,土體采用C3D8R單元類型,管節(jié)采用S4R單元類型。模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh discretization diagram

2.2 模型參數(shù)的確定

為簡化計(jì)算,將土體劃分為3層。模型采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型,依據(jù)勘察報(bào)告和地區(qū)經(jīng)驗(yàn),各層土的彈性模量取壓縮模量的3倍,具體參數(shù)見表2。

表2 模型各項(xiàng)參數(shù)Table 2 Various parameters of model

2.3 模型的接觸和位移控制

模型建立時(shí)需對(duì)模型的接觸和位移進(jìn)行控制,主要需滿足以下條件:

1) 模型接觸對(duì)設(shè)置。將管道面設(shè)置為主表面,泥漿面設(shè)置為從表面。接觸時(shí)不考慮管節(jié)與管節(jié)之間的縫隙,將其視為連續(xù)的線彈性體。

2) 接觸行為設(shè)置。切向行為中分別采用了不同的摩擦系數(shù)來模擬注漿的效果,法向行為中將其設(shè)置為硬接觸。

3) 管土之間所產(chǎn)生的接觸壓力和應(yīng)力均由初始應(yīng)力產(chǎn)生,土體的重力提供初始應(yīng)力。

4) 通過對(duì)管節(jié)施加位移邊界條件,使管片的前端直接推進(jìn)到預(yù)定位置,以實(shí)現(xiàn)管節(jié)的動(dòng)態(tài)位移。

5) 利用“model change”(生死單元)的功能來實(shí)現(xiàn)土體的開挖。設(shè)置好每一步所需要開挖的土體,并使所需開挖的所有土體處于激活的狀態(tài),然后逐步使每段開挖的土體失效。

2.4 數(shù)值模擬步驟

數(shù)值模擬步驟為:1)創(chuàng)建各部件,設(shè)置各部件的參數(shù)并劃分網(wǎng)格。2)設(shè)置土體、管節(jié)和等代層的單元類型,然后將部件進(jìn)行裝配。3)對(duì)部件進(jìn)行荷載的施加,設(shè)置土體的邊界條件,然后平衡地應(yīng)力。4)設(shè)置土體、等代層和管節(jié)之間的接觸關(guān)系。5)利用“model change”和位移控制法進(jìn)行每步5 m的開挖直至結(jié)束。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

通過建立模型并利用位移控制法將管節(jié)頂進(jìn)到預(yù)定位置,得到了土體和管節(jié)中的應(yīng)力和應(yīng)變場,利用管土間平均剪應(yīng)力和開挖面的平均法向應(yīng)力求得管土相互作用中的摩阻力和頂力值。

3.1 摩阻力模擬值和監(jiān)測值對(duì)比與分析

將頂管頂進(jìn)過程中的摩阻力模擬值和現(xiàn)場監(jiān)測值進(jìn)行整理并做對(duì)比,其結(jié)果如圖3所示。模擬值與監(jiān)測值的大小和變化規(guī)律基本上一致,單位摩阻力一開始較大,隨著頂進(jìn)距離的增加,單位摩阻力逐漸減小,最后穩(wěn)定在7 kPa左右。其變化規(guī)律與實(shí)際案例中的變化規(guī)律基本上一致。分析其原因是隨著頂進(jìn)距離的增加,減阻效果越來越好,最終頂管周圍形成較為穩(wěn)定的泥漿套,此時(shí)單位摩阻力就趨于穩(wěn)定。頂進(jìn)途中出現(xiàn)的摩阻力震蕩上升可能是注漿效果不夠穩(wěn)定造成的。

圖3 單位摩阻力模擬值與監(jiān)測值的比較Fig.3 Comparison of simulatedand monitoredvalues of unit frictional resistance

3.2 頂力模擬值、監(jiān)測值和經(jīng)驗(yàn)公式值對(duì)比與分析

對(duì)于使用減阻泥漿的頂管,CECS 246—2008《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》[12]和GB 50268—2008《給水排水管道工程及驗(yàn)收規(guī)范》[13]均采用下列經(jīng)驗(yàn)公式(以下稱給排水規(guī)范公式)估算總頂力

P=πD1Lfs+PF。

(3)

式(3)中:D1為所用管節(jié)的外徑,m;fs為管道和土之間的平均摩阻力,kN/m2;PF為頂管施工中的迎面阻力,kN。

工程采用泥水平衡式頂管機(jī),故迎面阻力公式[13]采用

(4)

式(4)中:Dg為頂管機(jī)的外徑,m;γs為土體的重度,kN/m3;Hs為上覆土層的厚度,m。

兩個(gè)規(guī)范[12-13]對(duì)fs的選取基本上一致,建議取值參照表3[13]。因本工程穿透的土體為粉質(zhì)黏土,fs在此選取定值7 kPa來進(jìn)行理論計(jì)算。

表3 觸變泥漿減阻管壁與土體的平均摩阻力Table 3 Average frictional resistances between pipe andsoil after thixotropic slurry lubrication kPa

德國頂管頂力計(jì)算公式[14]為

(5)

式(5)中:B為工作面上單位面積迎面阻力,kN/m2。

計(jì)算后發(fā)現(xiàn)式(3)與式(5)所得數(shù)值基本上一致,故在下文的比較中僅使用給排水規(guī)范公式。

頂進(jìn)鋼筋混凝土管時(shí),采用下列經(jīng)驗(yàn)公式[14](以下稱頂管技術(shù)公式)來估算總頂力:

P=nwL。

(6)

式(6)中:w為管道單位長度的自重,kN/m;n為土質(zhì)系數(shù)。n的取值按管頂土的種類來判斷它是否形成卸力拱而定,黏土、砂質(zhì)黏土、含水量不大的粉土,挖土后能形成短期土拱或暫時(shí)形成土拱的,n的取值為1.5～2.0;密實(shí)砂土、含水量大的粉土、砂土、砂礫土,挖土后不能形成土拱但塌方不嚴(yán)重時(shí),n取3.0～4.0。本工程主要穿越土層為粉質(zhì)黏土,取n為1.5來進(jìn)行計(jì)算。

圖4為頂力的模擬值、監(jiān)測值和經(jīng)驗(yàn)公式值的對(duì)比。由圖4可知,三者數(shù)值較為接近且均隨頂進(jìn)距離的增加逐漸增大,隨著減阻泥漿作用的發(fā)揮,模擬值和監(jiān)測值增加趨勢變緩,最終達(dá)到較為穩(wěn)定的峰值。經(jīng)驗(yàn)公式由于不考慮泥漿作用的發(fā)揮,此時(shí)仍呈線性增加,與模擬值和監(jiān)測值有一定的偏差,且頂進(jìn)距離越大,偏差越大,因此數(shù)值模擬結(jié)果較經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)后期頂力有較準(zhǔn)確的估計(jì)。

圖4 頂力模擬值、監(jiān)測值和經(jīng)驗(yàn)公式值的比較Fig.4 Comparison of simulated, monitored andempirical formula values of jacking force

4 結(jié) 論

本文結(jié)合多個(gè)頂管工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)摩阻力特性及其變化規(guī)律進(jìn)行了分析,依托杭州某220 kV線路電纜大口徑頂管隧道工程,利用Abaqus有限元軟件對(duì)頂管施工過程中管土相互作用的摩阻力和頂力進(jìn)行了數(shù)值模擬,并與相應(yīng)的監(jiān)測值和經(jīng)驗(yàn)公式值進(jìn)行了對(duì)比分析。通過本研究可以得出如下結(jié)論:

1) 隨頂進(jìn)距離的增加和減阻泥漿作用的發(fā)揮,摩阻比逐漸減小,最后趨于穩(wěn)定,頂管工程最終摩阻比通常穩(wěn)定在0.4～0.6之間。

2) 單位摩阻力模擬值與監(jiān)測值的大小和變化規(guī)律基本上一致,兩者均隨頂進(jìn)距離的增加而逐漸減小,最終趨于穩(wěn)定。

3) 當(dāng)頂進(jìn)距離不大時(shí),頂力模擬值、監(jiān)測值和經(jīng)驗(yàn)公式值較為接近;當(dāng)頂進(jìn)距離較大時(shí),數(shù)值模擬結(jié)果相比經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)后期頂力有較準(zhǔn)確的估計(jì)。