顶管施工中土体劈裂产生的机理分析

(1.江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏 淮安 223100；2.江苏洪泽经济开发区管委会,江苏 淮安 223100)

由自然因素或人为因素引起的土体劈裂现象早已被了解到，并应用于生产实践中。由水压力的升高导致土体中产生裂缝即水力劈裂现象，也已通过改善地层的渗透性[1]，较早地被应用于石油开采、地热资源开发等行业以提高产量。同时，土石坝的渗漏和破坏与其心墙所采用防渗体的水力劈裂现象也密切相关[2]。随着注浆技术的发展，土体劈裂被应用到地基处理领域[3-4]，劈裂注浆工法就是用较高的注浆压力将浆液劈入土层中，从而加固致密土层[5]。本文依据顶管试验中观测到的土体劈裂现象，分析和讨论顶管施工中土体劈裂产生的机理和注浆条件对它的影响，并给出现场顶管施工以及顶管穿越浅覆土施工的建议。

1 地表冒浆现象

通过顶管试验发现，在顶管顶进过程中，若浆液流量控制不当，会导致管壁周围土体压力过大，当压力达到一定数值时，顶管周围土体会产生劈裂。注浆压力越大，注浆量越多时，裂缝也会变大，甚至发展至地表，使浆液延裂缝流出地表，产生冒浆现象，如图1所示。

图1 试验过程中的冒浆现象

地表冒浆现象说明了试验中顶管顶进时注浆引起的土体劈裂的存在，也显示了土体劈裂对顶管施工的危害。注浆时产生的土体劈裂、甚至地表冒浆，不但浪费材料，破坏周围环境，还减弱了泥浆护套的润滑效果，影响顶管施工。水下浅覆土顶管施工时，如果裂缝发展至河底，就会导致大量河水灌入，使顶管受浮力作用，甚至导致工程事故的发生。

2 劈裂的机理分析

现场顶管施工中，掘进机开挖半径略大于顶管管节外径，多挖土体(很小)将由掘进机管尾注浆填充，并需要在顶进过程中经常补浆。实际上所需的注浆量(体积)远大于多开挖土体的体积，这个体积差异将造成土体的劈裂现象。顶管模型试验中，忽略了多开挖土体的影响，更容易出现劈裂现象。

2.1 简化的劈裂模型

顶管注浆过程中，触变泥浆在注浆压力pin和高程差的合力p0的作用下，对顶管管壁周围土体产生挤压作用pu，当pu达到周围土体劈裂压力pf时，产生劈裂现象，土体出现裂缝，泥浆沿裂缝发展，并使pu降低。注浆引起的土体劈裂对周围土体破坏较小，并没有出现明显的塑性流动，所以分析时仍将土体作为弹性体。

分析顶管注浆引起的土体劈裂时，对理论模型作如下假设：

a.顶管顶进时掘进机对周围土体的扰动同时包括剪切、挤压、卸荷等影响，变化较为复杂，分析时忽略这些影响，只考虑注浆引起的土体应力。

b.顶管管壁土体是均匀的连续的弹性体，土体饱和，小变形。

c.触变泥浆在土中不存在渗透流动，当土体发生劈裂时，泥浆沿劈裂裂缝流动，但不改变土体应力场，且劈裂土体与泥浆混合后可以承载更大的应力。

按上述假设，顶管注浆对土体应力影响如图2所示。

图2 顶管注浆劈裂示意图

顶管顶进时，平均速度约为20mm/min，速度较小，且顶管管壁不直接与土体接触，故可以忽略剪切力的影响，土体应力主要为σθ、σr。土体弹性模量为E，泊松比μ，上覆土层厚度h。

顶管注浆影响简化为弹性半无限平面圆孔扩张问题，应力场大于pf区域内土体产生劈裂并存在触变泥浆。

2.2 模型的解析解

弹性半无限平面圆孔扩张问题的解析解由Verruijt(1998)[6]给出，推导时用复变函数法，即用复数z表示平面上的一点，各处应力可由z平面上的解析函数表示[7]。

式中σx——x轴方向土体应力,MPa；

σy——y轴方向土体应力,MPa；

τxy——作用在垂直于x轴面上且沿着y轴方向土体剪应力，MPa；

Verruijt求解时，首先采用保角映射，将z平面映射到ζ平面，保角映射的公式是:

式中R0——顶管内径,m；

h——上覆土层厚度,m；

α——由顶管内径与深度比值定义的参数，α<ζ<1；

ω(ζ)——保角变换函数。

其中α满足

那么z平面上的解析函数可映射到ζ平面上，即

φ(z)=φ(ω(ζ))=φ(ζ)

ψ(z)=ψ(ω(ζ))=ψ(ζ)

Verruijt给出了两个应力函数的解答

式中

这样，就可以得出由压力p0引起的土体应力变化。

再考虑土体重力造成的初始附加应力，对于深度为d的土体，有

σy0=γd

σx0=k0γd

式中σx0——x轴方向初始土体附加应力,MPa；

σy0——y轴方向初始土体附加应力,MPa；

γ——土的平均重度，kN/m3;

水位线以下土体需减去浮力影响，k0是静土压力系数。

2.3 劈裂压力和危险面

顶管顶进时管壁的摩擦力，由于顶速较慢和触变泥浆的存在，对土体劈裂的影响较小，故顶管注浆对周围土体只有延管节径向的压力，不存在剪切力，所以土体主要是受拉劈裂破坏[8]。而土体一般不能承受拉力

pu≥σt=0

也就是说土体最大主应力σ1>0处将出现土体劈裂。

按上述假设将土体视为弹性体，那么会导致地表冒浆现象的危险面就是土体的上表面，即地表或者河底处。而实际上根据土体的成分、物理力学性质，可能存在天然的缝隙，增加冒浆出现的可能性，故在计算注浆压力时，需综合考虑这些因素，设定地表(或河底)以下一定深度处作为危险面，这个深度应至少大于1m。

3 实例分析

通榆河北延送水工程灌河地涵工程顶管外径 4.16m，中心高程-15.5m，触变泥浆压浆机高程为 4.0m。顶管现场施工时，在灌河河床有一处浅覆土，最浅处覆土厚度仅为 4.6m，土层参数见下表所列。施工存在很大风险，需验算并选择合理的注浆方案。

浅覆土地层参数表

计算结果如图3～图6所示。

图3 注浆压力 0.10MPa时顶管轴线上方土体应力

图4 注浆压力 0.15MPa时顶管轴线上方土体应力

图5 注浆压力 0.20MPa时顶管轴线上方土体应力

图6 不同注浆压力下土体劈裂区域

图3～图5给出了顶管轴线上方土体在不同注浆压力下不同深度的应力大小，x方向是压力，y方向以拉力为主，剪切力相对较小，这也可以说明土体劈裂是受拉破坏。随着注浆压力的增加，σy也在变大，土体劈裂范围也会变大。

注浆压力分别为0.10MPa、0.15MPa和0.20MPa时土体劈裂范围如图6所示，若取河床以下1m处为危险面，可以看到，注浆压力应不大于0.15MPa。

4 结 语

顶管中泥浆护套可以显著地减小顶管施工中所需的顶力，使长距离顶管顺利施工。但泥浆护套在注浆过程中不可避免地会对周围地层施加一个膨胀力，膨胀力的大小与浆液的浓度、注浆量相关。浆液浓度大，则浆液流动性越差，注入压力增大；浆液浓度小，流动性好，注入压力减小，但流量可能会增加。

浆液注入产生的膨胀作用力有可能使周围地层产生劈裂现象。当顶管上覆土层厚度较小时，地层裂缝可能会延伸到地表，从而产生地面冒浆现象。水下浅覆土顶管施工时，如果出现冒浆，将会对施工和环境造成不良影响，河水会通过裂缝灌入泥浆护套，不仅破坏泥浆护套的形成，还会对顶管管节施加上浮力，破坏顶管施工。因此顶管穿越浅覆土施工时，建议采取如下措施：

关闭顶管上部两个注浆开关，防止上部土体劈裂；增大注浆压力，但最大压力应小于周围土体的劈裂压力，劈裂压力可以计算，给出顶管过浅覆土施工时的最大注浆压力，为0.15MPa。