海底软土地层大断面超长距离顶管注浆作用影响研究

彭勇辉，苏莉芸，史兵见，牛佳同

（1、中铁隧道集团三处有限公司 深圳 518052；2、中山大学土木工程学院 广州 510275）

0 引言

顶管施工技术广泛应用于城市地下空间建设中各类管道的铺设维修，顶管法自应用以来逐渐向顶管直径更大、顶进长度更长、顶进地层更复杂发展。顶管施工过程中，不可避免会对周围的土体造成扰动，而施工注浆可以在顶管和土体之间形成一层泥浆套，起到润滑减阻和填充支撑的作用，很大程度减小摩擦阻力和土体扰动。因此，本文依托工程实例，对海底软土地层大断面超长距离顶管注浆作用影响进行研究，分析注浆作用对顶力变化、土体扰动的影响规律，以期为类似顶管工程提供参考，促进顶管施工技术的发展和工艺的改进。

众多学者从数值模拟、模型试验和工程实例等方面对顶管施工中注浆作用影响和对土体的扰动进行了研究。在注浆作用影响方面，丛茂强等人［1］使用ABAQUS 建立模型，对比分析实测数据和模拟结果，提出了实际工程中注浆工艺参数的选择建议；郑震宙等人［2］通过ABAQUS 分析顶管施工过程中不同的注浆压力对上覆土层及临近管线的影响；魏纲等人［3］通过对顶管施工过程中泥浆与周围土体之间的作用机理进行分析，研究了注浆作用对土体扰动的影响；马险峰等人［4］通过自主研发的注浆模拟系统分析顶管顶进时地层损失规律，研究减少施工沉降的工艺参数。在土体扰动研究方面，陈杨等人［5］基于闽江北水南调（平潭引水）工程，建立模型模拟地表沉降并分析不同横断面幅度变化的可能原因；张庆贺等人［6］基于工程实例，用摩尔圆的理论对土体扰动因素进行综合分析，研究盾构对土体的影响；周浩等人［7］基于工程案例考虑多因素对矩形顶管施工中地层竖向变形研究。

本文依托珠海某下穿马骝洲水道电缆隧道工程，分析注浆的润滑减阻和填充支撑作用机理，对现场监测的数据进行处理，探究顶管施工过程中注浆作用对土体扰动的影响规律，以期为后续类似地层情况及工程提供参考。

1 注浆作用机理

注浆是顶管施工中一项重要的环节，注浆一方面可以将管节与周围土体的接触由干摩擦变为湿摩擦，起到润滑减阻的作用；另一方面，注浆处于胶体状态时可以填充顶管施工超挖形成的环状空隙，支撑周围土体而减少变形，保持隧道结构的稳定性［8］。

目前顶管施工膨润土泥浆应用较广泛，现场泥浆一般由膨润土、CMC、清水和纯碱根据实际按照一定比例混合得到。泥浆混合搅拌之后会成为悬浮液，悬浮液静置时，膨润土中主要成分蒙脱石微粒会由分散状态絮凝，形成的凝胶体在被搅拌、泵送或者振动时，微粒结构被破坏分散后成为具有流动性和粘性的胶体，这一特征也被称为触变性［3］。

合理利用泥浆的触变性对于顶管施工中改善土体扰动具有重要意义。据相关研究分析顶管施工时土体变形的原因有施工阶段产生的各种地层损失和扰动土体的再固结两个方面［9］。泥浆渗透进入土体中能形成改良土体的有利扰动，良好的泥浆套可以大大减少侧摩阻力［10］，避免背土效应，提高顶管施工效率。

2 工程概况及地表沉降影响因素分析

2.1 工程概况

马骝洲隧道采用顶管法施工，顶管总长度为619.08 m，大致呈东北至西南走向，位于横琴二桥西侧60 m 外且与其平行。管节为C50 预制钢筋混凝土管，内径3.5 m，外径4.14 m，单节长度2.5 m，覆土厚度为15～22 m。现场布置始发井1 座、接收井1 座，尺寸都是φ14.2 m（见图1）。根据地勘报告揭露，顶管穿越深度在海平面下22～29 m 之间，主要穿越粘性土层，土体重度约为19.2 kN/m3，地层承载力为50～70 kPa。

图1 隧道、工作井俯瞰Fig.1 Overhead View of Tunnel and Working Shaft

2.2 注浆工艺

针对穿越地质条件主要为粘土和淤泥、工程所处地理位置，顶管施工泥浆须重点考虑其护壁功能及携渣能力，此外还须考虑废弃泥浆要易于进行环保处理，故所用泥浆因地制宜，采用清水作为顶进循环介质。但在穿越软弱地基时，为加强淤泥地段地层承载力，在顶管壁后注入有一定强度的改性泥浆（见表1）。改性泥浆具备一定的强度及润滑性能，但不会把管节“抱死”。另外，在顶进结束后，为防止顶管出现滞后沉降，需要利用泥浆系统及管路将触变泥浆置换成纯水泥浆。

表1 改性泥浆配方及性能指标Tab.1 Formulation and Performance Index of Modified Slurry

现场注浆泵采用TWB−200 泥浆泵，用于地面向管内各注浆中继站供浆和后续管道补浆；管内采用SYB50/45−II 注浆泵，用于机头部位注浆和管内注浆接力。进、排泥泵均采用高扬程砂石泵，该水泵有扬程高、适用于大颗粒物体输送的优点。输送管道采用150 mm 无缝钢管。为降低抛石顶进风险，在主机舱内预留超前注浆孔及沉渣冲洗孔。另外，在每片管节设2 个DN150 吊装孔、4 个DN25 压浆孔，过淤泥段每节设4个DN75注浆孔，如图2所示。

图2 注浆孔分布示意图Fig.2 Distribution of Grouting Holes

2.3 地表沉降因素分析

对顶管施工过程中土体纵向位移规律进行研究，得出施工造成的土体扰动一般分为3 个阶段：工具管前部变形阶段、施工沉降阶段和土体沉降固结阶段。工具管前部变形阶段是指掘进机头到达时，开挖面需要平衡压力造成的地面沉降；施工沉降阶段是机头经过时与土体周围产生剪切引起地面沉降；土体沉降固结阶段是指机头离开后，土体固结产生的地面沉降。

本文将沉降因素分为顶管施工过程的地层损失和土体再固结两个方面。其中地层损失的原因又可以细分为：掌子面前方土体不平衡、超挖、顶管上部背土、管道与土体之间的剪切作用、施工纠偏、顶管进出工作井等。合理的注浆及施工设计可以最大程度减少地层损失，减少土体扰动。土体再固结指的是顶管施工时造成原土体孔隙水和空气被挤出，土体在重力作用下被压密而造成土体变形。不同土质的变形时间差异性较大，如无粘性土变形时间较短，饱和粘土透水性小，变形速度慢。

3 监测数据分析

为测量现场对土体扰动的情况，本工程在隧道掘进开始前布设沉降监测点，根据《工程测量规范：GB 50026—2007》相关规定，在始发、接收竖井井圈沿轴线方向及对应竖井两侧两点各布设点位并连续监测。始发竖井场区旁隔音墙布设5 组点位，并在河堤布设4组点位，如图3⒜所示；接收竖井布设5组点位，每组设5个点，如图3⒝所示。

图3 竖井旁点位布置Fig.3 Arrangement of Points Next to the Shaft

始发竖井旁监测点是在顶管顶过之后进行的监测，处于土体沉降固结阶段。而河堤点位和接收竖井点位监测时，顶管尚未经过，处于工具管前变形阶段。处理工程实际监测的数据，对注浆的润滑减阻和支撑填充作用进行分析。其中。润滑减阻主要以顶力随注浆量变化呈现，支撑填充作用则分为是否注浆引起的地表沉降比对和顶管经过前后引起的地表沉降呈现。

3.1 润滑减阻作用分析

施工过程采用清水作为循环介质，在穿越软弱地基时采用配制的改性泥浆。由图4 可知，随着顶管不断前进，顶推力呈现增长的趋势。具体变化情况为：第一节到17节顶推力从100 t波动增加到487.619 t；18节到132 节顶推力在800～1 066 t 之间不断波动，但整体呈增长趋势；132节以后到顶进结束，整体呈增长趋势直至1 219 t。

图4 顶力与注浆量顶进时变化Fig.4 Variation of Topping Force and Grouting Volume when Jacking

施工在顶进第60节时开始注浆，顶力保持一个波动增长的趋势，最后在1 000 t左右波动。注浆量整体随着顶进距离增加而增加。在顶进209 节之前，注浆量保持在2～6 m3之间变化，在3 m3附近上下波动；而在第209 节之后，注浆量增加到10 m3附近波动，在顶进第213节时达到最高值14.56 m3。

3.2 填充支撑作用分析

现场首先对始发井旁边的两个位置进行了监测。10 月15 日时顶管已经经过DZ1～DZ5 监测位置，到达河堤位置。在都没有进行注浆的情况下，对比始发竖井旁地表与河堤竖向沉降的情况，进而探究顶管施工不同阶段对土体扰动的影响程度。始发竖井的累积沉降量如图5⒜所示，河堤旁点位沉降的累计沉降量如图6 所示。可以看到：始发竖井点位土体沉降量在−1.0～1.50 mm 之间，此时土体再固结并且基本稳定，沉降量也较少。但是，对于河堤旁的点位来说，沉降量最高达到−35.86 mm。此时顶管机头尚未经过河堤，掘进机头对土体扰动较大，沉降较严重。

图5 竖井旁点位沉降量Fig.5 Settlement at the Point Next to the Shaft

图6 河堤旁点位沉降量Fig.6 Settlement of Points Next to the River Bank

为进一步说明不同阶段对土体扰动影响效果，分析工具管前部变形阶段、施工沉降阶段和土体沉降固结阶段的沉降情况。选取接收竖井旁H01～H05点（水平距离590 m）的沉降数据，分析顶进第222 节到第241 节时监测点的沉降情况，结果如图7 所示，在590 m 以前，掘进机头尚未到达监测点H01～H05 点，此时监测点的变形处于工具管前部变形阶段，地表沉降较小；而在掘进机头达到590 m 时，刚好经过监测点，沉降量增加，最多下沉9.36 mm；在掘进机头经过600 m时，沉降量最大达到12.06 mm，此时土体逐渐固结。

图7 H01～H05点沉降量变化Fig.7 Variation of Settlement at Points H01～H05

另外，接收竖井旁也布设了25个监测点，如图3⒝所示。注浆可以对顶管施工过程中超挖产生的环状空隙进行填充支撑，进而保持隧道的稳定性，同时也能减小对土体的扰动。分析地勘报告得到，始发竖井旁和接受竖井旁顶管施工穿越地层均为上淤泥质粘土、下粘土，两处顶管的埋深都为22～25 m 之间。两点地质情况和埋深一致，因此对未注浆时河堤旁地表沉降的情况（见图6）和注浆条件下接收竖井旁点位沉降情况（见图5⒝）进行对比分析，进而探究注浆对土体保持的影响情况。

分析数据显示，在注浆条件下，土体变形随着时间推移，顶管机头逐渐接近，沉降量逐渐增加，但都在12 mm 以内，而没有注浆条件下河堤的沉降随着顶管机头接近，沉降量都在23 mm 左右。因此可以得知，顶管施工时注浆作用可以有效地减少施工对土体的扰动［11］。

4 结论

本文通过分析顶管施工中注浆作用机理进行探究，依托马骝洲隧道工程，对顶管施工过程中的地表沉降因素进行分析，对比了顶管顶进不同阶段、注浆和没有注浆情况下对土体扰动的情况，得出如下结论：

⑴顶管施工过程中，当顶管处于工具管前部变形阶段、施工沉降阶段和土体沉降固结阶段3 个不同阶段的时候，对土体的扰动程度不同，一般认为顶管掘进机头从接近和经过监测点的时候对土体的扰动最大。对此，一些学者还进行了更细的划分。对不同阶段施工地表沉降情况进行研究，针对实际情况采取相应的措施，可以为后续施工提供指导。

⑵顶管施工时，随着注浆量的增加，顶力波动增加，最后在较小范围内变化。注浆可以既能起到润滑减阻的作用，使顶推力减少波动进而保证顶管顺利前进；还能在施工过程中形成泥浆套起到支撑隧道的作用，防止土体塌陷而造成施工事故的发生。

⑶顶管施工不可避免会对土体造成扰动，良好的注浆工艺可以减少对土体的扰动进而减少地表的沉降。根据现场地质概况以及相应的施工方案，设计经济合理的注浆工艺，可以保障顶管施工的效率，增加工程效益，具有工程参考意义。