基于注浆压力控制的混凝土顶管施工微扰动机理

为了研究顶管施工过程中注浆压力对控制土体变形的作用,建立有限元模型对注浆压力作用进行理论分析.通过对比实测数据与有限元结果,讨论了不同工况对孔隙水压力与土体变形的影响.分析了在不同注浆压力作用下,顶管周围土体的扰动情况,在此基础上提出了衡量土体受扰动程度的孔隙水压力变化率概念.结合土体变形状况与扰动分析结果,建议在实际工程中将注浆压力控制在管顶上覆土压力值的1.1倍,按此原则设定的注浆压力对周围环境影响较小,该研究结果可供今后类似顶管施工参考. 关键词：
     

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.     

砂土地基顶管稳定性分析及施工技术

顶管施工扰动周围土体,从而引起挖掘面塌方、地面沉降或建筑物的损坏,尤其是砂层等特殊地层中.为了减小顶管施工对地表公路的影响,以地面沉降为控制目标,通过传统解析法计算和拉格朗日有限差分法三维数值模拟分析,对比超前预注浆加固条件下采用手掘顶管施工、土压式顶管施工等方案,最终采用了土压式顶管施工方案.工程实践证明,穿越地下水位以上的砂土层,土压式顶管施工效果较好,并且控制好掘进控制土压力以及确保洞口止水质量是关键.     

考虑流固耦合效应的浅埋矩形顶管隧道开挖稳定性分析

为进一步研究流固耦合效应下浅埋矩形顶管隧道开挖面稳定性,结合南通世纪大道站矩形顶管过街通道工程,通过现场监控、数值模拟和理论分析等手段,分析了饱和砂层中流固耦合效应对开挖面极限支护力、破坏模式及孔隙水压力的影响。结果表明：支护应力比的减小将导致开挖面位移呈现3阶段发展形式,致使开挖面前方孔隙水压力减小,最终导致其整体失稳破坏;相较于无渗流力计算,考虑流固耦合效应时开挖面前方土体土拱效应发挥程度较大,其极限支护应力比远小于1;深径比对浅埋矩形顶管隧道开挖面前方的破坏模式影响较小,但在浅埋情况下与极限支护力呈线性关系。研究结果可为饱和地层浅埋矩形顶管隧道施工提供一定的参考。     

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     

软土地层大直径曲线顶管隧道受力特性

为研究软土地层中大直径曲线顶管隧道受力特征,采用现场实测方法,对软土地层大直径曲线顶管的管壁接触压力、环向和纵向钢筋应力进行测试,并与已有文献研究进行对比分析.结果表明:顶管接触压力整体分布均匀,注浆对管壁接触压力影响较大,停机后接触压力略有减小;环向应力初期以受压为主,顶进后期逐渐转为受拉,整体分布特征不明显,纵向应力以拉应力为主,其变化主要由管道轴线偏移控制;管壁注浆后减阻效果明显,顶力与管侧平均摩阻力均显著降低.对土压力分布模式展开分析,发现顶管规范公式偏于保守;土柱理论由于未考虑卸荷拱效应,所得理论值较实测值偏大;太沙基理论与马斯顿理论与实际情况吻合较好.该研究结论可为实际工程提供参考.     

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.     

砂土地层污水干管顶管施工处治数值分析 赖

为研究在砂土地层中顶管施工注浆处治的加固效果,以西安某污水干管顶管施工注浆处治为对象,通过现场调查、GPR探测,确定管顶上方存在的空洞和松散范围,利用弹塑性有限元模型,对注浆处治前后管道周围土体的位移及应力变化规律以及不同注浆压力下的注浆效果进行研究。结果表明:(1)与无注浆加固工况相比,注浆处治能明显改善土体的竖向位移、横向位移和应力不均现象,并且经过注浆加固处理后,管道周围的塑性应变区明显变小;(2)通过比较0.25、0.3 MPa注浆压力下位移和应力变化规律发现,0.25MPa的注浆压力足以达到实际需要的处治效果;(3)注浆作用下,距管道外径3D(D为管道外径)范围内土体的横向变形较明显,距管道外围2D范围内土体竖向应力变化较明显,土体横向应力变化明显的区域为横向约为4D,竖向约为2D。     

盾构隧道施工因素对砌体结构房屋的影响

为了分析盾构隧道下穿砌体结构房屋施工因素的影响程度,采用正交试验设计方法,运用Midas-GTS有限元软件,建立了包括地层、盾构隧道和砌体结构在内的三维整体有限元模型,对不同影响因素条件下的盾构隧道下穿砌体结构房屋施工过程进行了数值模拟.以砌体结构房屋墙体所受到的最大拉应力增量作为评价指标,分析了盾构隧道下穿砌体结构房屋过程中掌子面支护压力、刀盘扰动范围和注浆层弹性模量对上部砌体结构房屋的影响研究结果表明:在盾构隧道下穿砌体结构房屋施工过程中,刀盘扰动范围对砌体结构房屋的影响最大,注浆层弹性模量影响次之,掌子面支护压力影响最小;如果不考虑地层扰动的影响,可能会低估施工对地表砌体结构房屋的影响程度,给建筑物的正常使用带来风险.     

渗透力对新奥法隧道掌子面稳定性的影响

因实际掌子面没有支护力,用支护力反映新奥法隧道掌子面稳定性存在缺陷,为此,提出用虚拟支护力表示。在分析渗流场基础上,结合强度折减法和极限分析上限法,推导存在渗透力的掌子面稳定安全系数公式,并应用于实际隧道工程;分析水位高度、帷幕注浆长度等参数对渗透力与掌子面稳定性影响的规律;最后对孔隙水压力与渗透力进行计算。研究结果表明:随着水位升高,单位平均渗透力增大,掌子面安全系数呈负指数降低;若仅考虑水平渗透力而忽略竖向渗透力,则所得结果偏不安全;帷幕注浆的安全系数比无注浆时的高,但渗透力比无注浆的大;随着掌子面前方帷幕注浆长度增加,水平渗透力减小,而竖向渗透力增加,安全系数略微减小;减小台阶开挖高度,可以提高掌子面的稳定性;随着黏聚力和内摩擦角增大,掌子面稳定安全系数提高,但增加梯度减小。     

Application of ANSYS 3D FEM in Studies of Surface Deformation Caused by Pipe Jacking

By using site observation data and establishing 3D model using ANSYS software,this paper has discussed the strain change of stratum stress during process of jacking-in and the im-pact of machine head on ground surface under different frontal resistances. Analysis of the two cases shows that soil pressure reaches its maximum point when the soil is right above machine head,and soil stress will gradually decline when machine head passes over it. It also shows that impact brought by pipe-jacking construction on stress change of the surrounding soil is limited. The thesis suggest that road surface should be consolidated and soil condition be improved before construction to prevent loss and disaster caused by road surface deformation,jacking force can be increased so that jacking efficiency can be enhanced when ground stratum is well filled with soil,but the frontal resistance facing machine head should be equal to surrounding soil pressure in order to avoid rise of ground surface.     

基于压力拱理论的STS管幕顶力

沈阳地铁九号线奥体中心站采用STS(steel tube slab)管幕法设计.基于压力拱理论，提出了根据管周土压力成因而分区域讨论的思路，推导了STS管幕法的顶管管周摩阻力公式.将理论计算结果和现场顶力观测数据进行了对比，得到较好的一致性.翼缘对顶力影响较大，不能采用简单叠加的方法，受“栓塞”作用影响，管侧土压力较小.利用现行国际设计规范计算了STS管幕顶力，由于现行规范未考虑翼缘板效应，规范计算结果比现场顶力观测数据偏小28%~40%.     

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.     

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.     

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.     

真实复杂地层大直径钢顶管三维数值模拟研究

为了揭示地表沉降与管周土体扰动沿顶进方向的真实变化规律,本文提出了真实复杂地层三维数值建模方法。依托某市北线引水工程隐患整改顶管工程项目,采用FLAC3D分析平台开展了真实复杂地层和简化均匀地层条件下的大直径钢顶管施工数值模拟研究。模拟结果及现场地表沉降实测结果对比表明：基于真实复杂地层模型的模拟结果与现场沉降监测结果吻合较好,能够准确反映地表沉降沿纵向的变化规律,而简化地层模型模拟结果与监测值差距较大。扰动分析表明顶管施工时会引起其上方地层的沉降变形和下方地层的抬升变形,其变形值大小与地层土体性质和分布有关。顶管上覆土体横向位移基本朝向顶管轴线,其变形受土体空间分布的影响较小,但顶管下部土体的横向变形受土体空间变化影响较大。地表沉降的横向影响范围为?5.3D（D为顶管直径）,且受土层分布影响较小,但地表沉降值受地层分布影响较大。