顶管施工模型试验系统研发与应用

针对顶管施工产生的施工扰动问题和现有模型试验设备的不足,研发对管壁注浆压力、土仓压力和土体损失率能进行精确控制的室内顶管模型试验系统,并以海口给排水管网改扩建工程为背景,通过管线预埋的方式研究近间距顶管顶进对既有管道和地表竖向变形的影响.研究结果表明:研发的室内模型试验系统可以精确控制管壁注浆压力、土仓压力和土体损失率,试验系统得到的数据正确可靠;顶管顶进时会对既有管道产生附加应力,但附加应力远小于围岩应力,实际现场中无需考虑附加应力对管片承载的影响;现场顶进施工需对机头的切削速率和顶进速率进行协同调控,且严格控制出土速率,从而实现对地表竖向变形的有效控制.可为今后现场平行顶管施工提供有效指导.     

软硬地层下双顶管掘进参数对管片及地层的影响性研究

软硬地层中双顶管掘进参数不当所导致的周围土体变形、姿态偏离、刀盘磨损等问题在实际工程中屡有发生。以南宁平花河顶管为工程背景,通过数值模拟研究软硬地层中不同掘进参数组合对周围地表沉降及管片应力的影响。得到结论如下：开挖面掘进压力对地表变形的影响呈现出非线性特征,地表沉降及其减小的速率随着掘进压力增大而减小;注浆压力与横向地表沉降之间呈现出线性递减的趋势,影响区域约为双隧道中心2倍隧道直径范围内;管片最大Mise应力与盾尾注浆压力、千斤顶推力均呈现线性递增的关系,当注浆压力、管片千斤顶推力分别增加10 kPa,每环管片的最大Mises应力相应分别增加64 kPa、17 kPa;开挖面掘进压力增大时,管片应力呈向着非线性递增的趋势,管片应力变化也相应减小,掘进压力从0kPa变化至20 kPa时的管片应力变化率为40~60 kPa的1/4~1/3     

砂卵石地层顶管施工地表塌陷成因与处治技术

湘江排水口整治工程设计的顶管施工是在粉质粘土为主的地层中进行,为确保施工和周围建筑物的安全,须采用泥水平衡理论,严格控制管道周围的土体扰动和地表产生大变形.而实际施工到W13~W15井位之间D1800顶管全部位于砂卵石地层中,在施工过程中监测到地表最大沉降量达到457.4 mm,部分地段已经冒顶地表出现塌陷.结合地层重新勘探结果,对施工引起的地表变形机理和原因等进行了总结分析.并提出了在顶管两侧设计止水帷幕、区段中间注浆加固并回填的处治措施,同时在W13~W15顶管区间新增一个工作井缩短顶管距离.在后续顶管施工过程中对地表沉降进行监测,结果表明地表沉降在可控制范围内,确保了施工和周围环境的安全.     

越江钢筋混凝土顶管施工三维数值分析

顶管法作为一种非开挖技术,在城市隧道管线的建设和改造中具有广泛应用。然而,顶管施工不可避免地会对周围既有结构物造成一定的影响。为了研究如何规避顶管施工的风险,基于白龙港南线输送干线的过江管工程的W2-W1标段,通过数值模拟的方法研究了顶管施工过程中机头支护压力、注浆模量、摩阻力的变异对地层、桩基变形影响的变化规律,并分析了软土地区复杂条件下顶管施工各施工参数对周围环境影响的敏感性。结果表明:在实际施工过程中,当机头支护压力略小于顶管中心土层自重应力时能有效减小环境影响;同时也需要尽可能减小注浆与顶管之间的摩擦系数,并根据实际目标需求选择注浆模量。     

南水北调中线磁县段污水管下穿公路顶管施工地表变形规律

顶管施工对地层变形的扰动成为影响周围建筑物安全和环境变化的重要因素之一.以南水北调中线磁县段砂砾石地层中污水管网顶管下穿和谐大道施工为例,对顶管施工扰动下地表沉降变形进行理论预测和现场试验研究,并基于现场实测结果对理论预测模型参数进行了优化修正研究结果表明:当地层体积损失率控制在6.9％以内时,磁县和谐大道附近地表沉降量满足相关规范安全要求;南水北调磁县段污水管网施工范围内地表最大沉降量位于2.5～4 nun,未突破安全阈值;针对类似工况条件提出了地层损失率和沉降槽宽度系数指数建议取值,分别为2.81％和0.425.相关研究成果为类似工况条件下地表变形预测研究提供借鉴.     

顶管电缆隧道施工对邻近建筑物和地下管线的扰动影响

采用离心机物理模型试验和有限元数值计算方法探究了软土地区顶管电缆隧道施工对邻近浅基础建筑物和地下管线的扰动影响,并提出修正Peck公式评估顶管施工对邻近浅基础建筑物的扰动影响.首先,通过离心机物理模型试验,定性分析了顶管电缆隧道施工过程中地层损失率变化对邻近浅基础建筑物和地下管线的影响;其次,将有限元数值计算结果与离心机试验数据进行对比分析,验证有限元计算的有效性;最后,通过有限元模拟结果提出用于评估顶管施工对邻近浅基础建筑物扰动影响的修正Peck公式,并与现场监测数据进行对比分析.研究结果表明:顶管电缆隧道施工对邻近浅基础建筑物和地下管线的扰动影响随着地层损失率的增大而增大,地下管线刚度的增加可以有效减小邻近顶管隧道施工的影响;有限元数值方法可以较好地评估不同地层损失率下顶管隧道的施工工况;修正Peck公式能较好地反映在软黏土区域内顶管电缆隧道开挖对周围地层产生的扰动影响.研究结果可为软黏土地区顶管电缆隧道的施工提供一定参考价值.     

复合地层土压平衡盾构刀盘掘进参数

土压平衡盾构在复合地层中掘进时常出现推力和扭矩波动幅度过大的问题,为了研究盾构机在复合地层中刀盘受力特点,基于扩展模型建立了不同类型全刀盘掘土数值模型,研究了全刀盘Mises应力以及推力和扭矩的变化规律,验证了数值计算结果的合理性。基于室内土压平衡盾构掘进试验,研究了盾构机掘进参数在不同地层中的变化规律。研究结果表明,随着刀盘推进深度增加,各类刀盘Mises应力最大值呈增加的趋势。各类地层全刀盘掘进模型的推力及扭矩计算误差均未超过10%,利用扩展Drucker-Prager模型所建立的全刀盘掘进模型是合理的。土压平衡盾构掘进模型试验表明,随着中风化泥质粉砂岩地层占比逐渐增大,盾构机推力有增大的趋势;盾构刀盘扭矩先增大后减小,最后趋于稳定;出土器扭矩变化不明显。整个推进过程中盾构机推力变化范围为6.0～7.7 kN,扭矩变化范围为773.4～1 195.8 N·m,出土器扭矩变化范围为32.5～104 N·m。     

顶管施工对高架桥桩基础影响的数值分析

顶管施工广泛应用于市政工程的隧道开挖作业,但该方法对周围构筑物的影响仍需要进一步的研究。本文针对天津市某地下电缆隧道穿越高架桥桩基的实际工程案例,利用数值模拟方法建立了关于穿越高架桥桩基的沉井和顶管施工的有限元计算模型,研究了沉井和顶管施工过程中附近土体的扰动情况以及高架桥桩基的变形、受力等情况。结果表明,沉井和顶管施工都会对周围桩基础的应力和变形产生一定影响。在外径12.8米的沉井施工时,施工引起的土体卸载会使得沉井周围土体产生较大的隆起,最大回弹量为164 mm左右,三个方向（水平X方向、Y方向和竖向Z方向）的最大变形均出现在沉井上部土体周围,该沉井施工过程对距其30米处的高架桥桩基也产生了一定影响,桩体在X方向（指向沉井方向）上受到的影响较大,桩体顶部产生背离沉井的水平位移,下部则逐渐过渡到趋近沉井的水平位移,最大X方向水平位移量约为1.6 mm,对Y方向（垂直于顶管方向）的水平位移影响较小。在外径3.6米的顶管施工过程中,土体在卸载后会出现变形,最大位移为170 mm,变形出现在位于顶管底部的扰动土体。在X方向上,四个桩基均表现为桩顶部远离沉井、桩底靠近沉井的趋势。在Y方向上,桩身的最大水平位移出现在隧道开挖深度处,位移方向为远离顶管,影响范围为顶管隧道施工处上下15 m。     

带翼缘板圆钢管顶进过程地表变形研究

采用带翼缘板圆钢管顶进形成地下管幕支护空间,相比传统的顶管工法具有诸多优点,已被用于建造城市地下空间.但由于翼缘板的存在,导致管周土压力分布复杂,顶进引起的地表变形与圆形顶管差异较大.基于此,在带翼缘板圆钢管管周土压力作用机理研究基础上,采用弹性力学Mindlin解推导出带翼缘板圆钢管顶进过程管周摩擦力引起的地表变形计算公式.基于沈阳地铁九号线奥体中心站暗挖段带翼缘板圆钢管顶进工程,采用Midas有限元分析软件对带翼缘板圆钢管顶进过程进行数值模拟计算.得出带翼缘板圆钢管顶进过程中,横截面地表变形呈“U”型沉降槽,纵截面监测点地表变形随顶管扰动逐渐增大,顶进截面超过监测面一节管长后地表变形趋于稳定;并分析了不同土体黏聚力、内摩擦角对顶进过程地表变形的影响.     

深部巷道围岩蠕变分析与离散元模拟

将顶管法应用于深部煤矿地质条件下深部岩体施工中,会遇到因岩石流变等大变形导致顶管机的卡停甚至抱死,因此充分考虑岩石的流变特性,对顶管法在高地应力区的应用十分重要。以张集矿北区1413A高抽巷为例,利用离散元PFC3D(particle flow code 3D)程序对巷道蠕变特性进行了系统的研究。首先,调用伯格斯模型,通过虚拟蠕变试验对巷道所处粉砂岩层的微观参数进行标定,并与室内试验数据对比,从而验证离散元方法用于岩石蠕变问题分析的可行性。然后,建立巷道的平面应变离散元模型,设置多个测量球,得到了巷道围岩的应力应变在时间和空间上的分布情况,并与理论解对比,发现两者吻合较好,可为后续巷道围岩蠕变的深入研究提供有益的参考。     

基于复杂地质岩机作用的多维度隧道掘进机适应性评价方法

为了解决高强度高磨蚀硬岩地层TBM掘进“低效高耗”、断层破碎带地层“刀盘受困”、高地应力挤压性地层“护盾被卡”等隧道施工难题,基于TBM滚刀、刀盘、护盾与隧道围岩的相互作用,通过多个TBM法隧道工程数据统计分析,揭示了滚刀贯入度指数与岩体特性指标、滚刀破碎体积磨损速率与岩体特性指标、TBM设备利用率与断层宽度、围岩相对变形量与强度应力比的函数关系,建立了基于滚刀可掘性和耐磨性、刀盘受困和护盾被卡风险的多维度TBM适应性评价方法,为复杂地质隧道修建TBM工法选择、装备设计及施工难题的解决提供了量化依据。     

桩基施工对邻近顶管隧道的扰动影响

预制桩静压施工会对桩周土体产生一定的扰动,进而对邻近既有顶管电缆隧道产生影响.顶管电缆隧道对管节的偏转和变形要求十分严格,一旦变形过大就会产生严重影响.为了确保顶管电缆隧道的正常使用,通过数值方法计算了预制桩静压施工对邻近顶管电缆隧道的影响,通过K0固结不排水剪切试验确定了软土小应变范围的参数取值,分析了桩长、桩-隧间距以及桩基挤土量对于隧道变形的影响.参考相关规范,以5 mm和15 mm变形扰动值为依据分别划分了预制桩静压施工对隧道变形强、弱影响区,为既有顶管电缆隧道周围的桩基施工提供相应的参考.     

深基坑内支撑调节对邻近隧道受力特性相互影响规律试验研究

现有基坑近接隧道施工的保护措施多为加强支护刚度或采用轴力伺服系统以减小围护结构变形,未能深入考虑支撑伸缩调控下基坑-隧道的受力特性。为了明确基坑开挖施工对邻近既有隧道影响以及可调节内支撑伸缩对“基坑-隧道”受力特性的影响规律,开展了砂土地基中“基坑-隧道”相互影响的室内模型试验研究。获得了隧道的内力、周围土压力、隧道上部地表沉降、地连墙变形、墙背土压力等变化规律。研究结果表明：深基坑开挖施工过程中,隧道呈现上下压缩、左右拉伸的趋势。临近基坑一侧的土压力减小迅速,远离基坑一侧的土压力表现为增大。周边地表沉降呈碟形。内支撑主动伸缩调控下,基坑下部支撑伸缩引起的隧道弯矩变化量大于调控上部支撑,同时伸缩三道支撑时影响最大。支撑缩短时,隧道拱顶、拱底弯矩值正向增大,拱腰弯矩值反向增大。支撑伸长时,拱顶、拱底弯矩值减小,拱腰弯矩值增大。支撑伸缩对隧道拱腰水平土压力影响明显,对拱顶和拱底竖向土压力影响微弱。     

砂卵石地层条件下台阶式基坑的地表变形特点及地层补偿法应用

台阶式基坑在基坑工程中应用较为普遍,其内坑开挖形态、位置的不同将使周围地层的应力场、位移场更为复杂,也给设计和施工带来一定的难度.以北京地区典型的砂卵石地层为研究背景,利用数值模型分析了台阶式基坑地表变形特点.通过地表沉降量比较了影响台阶式基坑工程地表变形的3个主要因素:内坑边距、深度和宽度.同时,进一步讨论了地层补偿法在北京地区砂卵石地层条件下的适应性,并对其他地域的相似工程提出了边墙侧移估算深度的方法.研究结果表明:造成台阶式基坑两侧地表变形差异的本质原因在于内、外坑之间土层形态的不同;地层补偿法可用于描述台阶式基坑地表变形与墙体侧移之间的相互关系.研究成果对北京地区及类似的砂卵石地层条件下台阶式基坑的监控量测与施工精细化控制提供了参考.     

排水板施工对软黏土扰动的现场试验研究

通过软黏土地基上塑料排水板施工过程的孔隙水压力观测及现场十字板强度试验,研究了排水板施工前后地基土体孔隙水压力增长和消散的规律,并且从软黏土地基的有效应力变化和结构扰动等方面分析了土体强度损失及恢复过程.结果表明:单根排水板施工引起的孔隙水压力增长较小,仅对表层孔隙水压力影响大;板群的施工对4 m范围内土体孔隙水压力的增长有叠加效应;排水板施工一方面使软土地基内的孔隙水压力增长,有效应力减小,导致软土强度的降低,另一方面使地基软土结构发生破坏而引起软土强度降低;孔隙水压力的增长引起的地基土强度损失恢复较快,而结构扰动引起的强度损失恢复较慢.     

土压平衡盾构中顶进推力的计算分析

针对土压平衡盾构开挖过程中顶进推力难以确定的问题。采用理论计算与数值拟合相结合的方法,计算土仓和掘进面的等效压力,从而推导出隧道开挖所需的顶进推力。以实际工程为背景,利用ABAQUS在该顶进推力作用下地表沉降规律。结果表明:①该土仓与掘进面压力的计算方法适用于卵石地层;②盾构推进力为110 000 N时,开挖较为稳定;③监测与模拟的地表沉降值较为接近,两者之差小于2 mm。该研究对卵石地层中的盾构开挖具有一定的指导意义。     

泥水盾构泥浆在砂土地层中的渗透特性及对地层强度的影响

对于泥水盾构隧道施工,在有压泥浆渗透到地层的情况下,开挖面表面会形成渗透系数极小的泥膜.通过作用在不透水的泥膜上的泥浆压力来平衡掌子面前方的土水压力,以保证开挖面的稳定.以南京纬三路过江通道工程为背景,选择粒径及级配不同的3种地层,进行室内有压泥浆渗透地层模型试验,探讨有压泥浆在不同地层中的渗透特性及泥浆渗透对地层强度的影响规律.研究发现,对于砂土地层,其渗透系数是影响泥浆渗透深度及泥膜质量的重要因素,渗透系数分别与泥浆渗透深度及滤水量呈线性相关关系,而渗透到地层中的泥浆也会随着地层粒径的变化对砂土地层的剪切强度产生不同且有规律的影响.本文的研究成果可以为泥水盾构合理的泥浆支护压力提供相关参考.     

基于连续介质模型的海底隧道支护结构受力特征

在含水地层中开挖隧道,地下水的存在一方面会影响隧道周边地层的力学参数,另一方面也会在围岩中产生渗流体积力,进而影响地层的应力和位移.对于埋深较浅而水压力较高的海底隧道而言,支护结构除承受围岩压力外,还要承受很高的水压力.支护结构的受力特征受隧道围岩和支护结构间接触面剪应力、隧道顶板厚度、水深、围岩侧压力系数以及支护结构的厚度和刚度等因素的影响,而经典隧道支护结构内力弹塑性解假设的边界条件与实际情况相差很大.文中阐述了弹性力学应力函数法推导支护结构内力的解析解,并采用数值分析方法研究了海底隧道支护结构的受力特征.通过FLAC3D程序验算了厦门翔安海底隧道Ⅴ级围岩海域段支护结构的内力,比较分析了断面形状对支护结构受力的影响.     

浅层顶管施工引起地面沉降的预测

在软土地层中顶管施工所引起的地面沉降常常会造成邻近建筑物和地下管线的移动甚至破坏－ 通过对土与顶管的受力及变形的分析,在施工前预测特定顶管工程可能引起的地面沉降的幅度及其形态－ 理论分析和现场实测显示,顶管施工时管节周围土的运动是三维的－ 建立了处理上述三维问题的简便计算方法－ 基于半解析元法将顶管施工中三维土运动问题转换成一维数值计算－ 在轴向离散而在环向和径向取解析函数,建立了半解析单元的位移函数－ 给出了包括位移函数、刚度矩阵和荷载矩阵在内的理论分析过程－ 计算结果表明,半解析元法对于计算顶管施工中的地面沉降是行之有效的方法－ 根据分析与计算结果得到一些有价值的结论,包括结构与土的相互作用而言,顶管管节相当于隧道的衬砌－ 虽然顶管施工引起的地面沉降的沉降槽也近似于误差曲线,由于土的粘塑性变形,地面沉降的幅度在施工过程中是变化的－     

考虑坑外渗流自由面变化的基坑工程性状分析

通过对基坑工程进行考虑孔压消散与变形耦合效应的有限元分析,得到了坑外渗流自由面随时间的变化规律,并研究了坑外渗流自由面变化对基坑内外超静孔压、土水势以及基坑变形的影响.研究表明,考虑坑外渗流自由面变化时,坑内外的超静孔压和土水势都减小;坑外渗流自由面的变化使得坑外水压力减小,有效应力增加,并引起坑内外的水头差降低,因而使得支护墙的水平位移和坑底的隆起变形减小,坑后的地表沉降增加.