软土地区钢顶管施工引起的地表变形规律

为研究软土地区钢顶管施工引起的地表变形规律,以东莞某输水工程为背景,分别采用预测公式、数值模拟和现场监测的方法对顶进过程中引起的地表变形进行了计算和监测,以期得到顶进过程中纵、横方向的地表变形规律。首先推导出了基于顶进间隙的地表变形预测公式并计算出顶管施工可能产生的最大竖向位移为14.1 mm,此变形量在规范允许路面沉降范围内(≤20.0 mm),无须进行土体加固等措施;然后采用数值模拟的方法建立有限元模型对顶进导致的地表变形进行了计算,并就减轻地表变形的方法进行了讨论;最后与现场监测的结果进行了对比分析。结果表明：3种方法得到的变形曲线形状除了顶管轴线处地表峰值位移(数值模拟数值为13.7 mm,现场监测为15.2 mm)有稍许差异外,整体基本一致;顶管顶进时,横向监测断面的沉降槽呈“V”形,最大沉降值在顶管中心轴线处,随着距离中心轴线越远,沉降值越小,最后趋于0;纵向监测断面呈倒“S”形,大致可分为顶进前土体的隆起,顶进中土体的沉降,顶进后土体轻微回隆,顶进后土体稳定4个阶段;在顶管施工前可以对地表变形进行预测和数值模拟计算,结合预测和模拟计算的结果,通过合理的设置顶推力、注浆压力...     

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。     

考虑地层空间变异性的岩溶区基础可靠度分析

基于随机场理论和Karhunen-Loeve展开构造随机场以模拟具有空间变异性的地层,并结合有限元极限分析法和蒙特卡洛模拟对含溶洞地层上的基础开展可靠度分析.本文重点是通过大量数值模拟进行全面参数分析,探究地层中溶洞特征（如溶洞埋深、溶洞水平偏移距离）以及土体空间变异性参数（如土体相关长度、土体变异系数）对基础极限承载...     

矩形顶管掘进地层变形规律数值模拟研究

矩形顶管具有高利用率、扰动小、造价低等优点,被广泛应用于浅埋地下工程施工中。但目前的研究多利用力的控制,不能够对地表沉降进行准确预测。基于此,依托苏州某矩形顶管项目,采用等代层模拟地层损失,位移控制法实现顶管动态顶进,建立矩形顶管三维动态数值模型,研究顶管施工对地表横向和纵向变形的影响规律。在此基础上,进一步研究摩擦系数、内摩擦角以及粘聚力等敏感性参数对地表变形的影响规律。并结合工程实测数据,验证数值计算结果的正确性。研究结果表明：顶管掘进过程中掌子面前方土体隆起,后方沉降,顶管施工完成后地表横向呈现整体沉降,沿中轴线对称分布,地表变形与摩擦力成正比,与土体内摩擦角、粘聚力成反比。     

考虑地层变异性的新建隧道下穿引起既有盾构隧道纵向变形的随机分析方法

沿盾构隧道纵向的地层变异不可避免,现有对于新建隧道引起既有盾构隧道纵向变形计算的解析模型大多将隧道下卧土体视为均质地基,忽略了地层变异性。本文针对新建隧道施工引发的既有盾构隧道纵向变形问题,构建考虑地层变异性的盾构隧道纵向力学解析模型,基于随机场理论,结合蒙特卡罗模拟策略提出隧道下穿引起既有盾构隧道纵向变形的随机分析方法。依托1个工程案例,基于所建立的盾构隧道纵向变形随机分析方法,开展新建隧道下穿施工影响下既有盾构隧道纵向变形随机分析,并与实测结果进行对比。最后,分析地层刚度变异系数和水平波动距离对既有盾构隧道纵向变形的影响规律。研究结果表明：地层变异性对盾构隧道纵向变形的影响不可忽略;地层刚度变异系数对既有隧道纵向位移均值和离散程度影响较敏感,地层刚度变异系数对可靠度指标的影响较显著。     

基于随机场理论的隧道开挖对附近建筑物的不均匀沉降及地表变形的影响分析

引入随机场理论研究隧道开挖对建筑物的影响,利用MATLAB软件建立描述土壤弹性模量的随机场,采用FLAC3D 5.0有限差分软件分析土体弹性模量的变异性对于建筑两角点以及地表沉降的影响.研究表明:土壤的空间变异性会影响建筑物的沉降以及地表的位移,400组蒙特卡洛模拟的位移值都在确定性位移值的左右波动,这是由于各组模拟的"有效弹性模量"不同.因此若不考虑土体的空间变异性,这将使得对于安全性的评估趋于危险.     

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.     

STS新管幕工法钢管顶进现场试验

采用STS(steel tube slab)新管幕工法建造沈阳地铁九号线奥体中心站.通过钢管顶进现场试验,对顶管过程中的地表竖向变形及顶管顶力进行监测.经过对监测数据的整理分析,重点研究了顶管过程中地表竖向变形及顶力的变化规律,总结出顶管顶进过程中地表横断面变形规律及地表变形随顶进距离的变化规律,并对其变形机理展开分析.根据顶管顶力监测值得出STS新管幕特殊顶管形式下适合沈阳地区的顶力估算方法,对STS新管幕工法的应用及发展具有重要的参考意义.     

管幕箱涵顶进施工中地表变形监测及有限元模拟

上海市中环线虹许路-北虹路地下立交隧道工程采用了管幕施工与箱涵顶进相结合的施工方法.管幕箱涵顶进法是一种在软土中修建地下建筑物的新型暗挖技术,先用微型顶管技术在拟建的地下通道建筑物四周顶入钢管,然后将钢管间用锁口连接并注入防水材料构成防水地下空间,最后在拟建的地下通道空间内,采用软土开挖和预制箱涵顶进同步进行施工.箱涵顶进过程非常复杂,容易引起地表变形.结合实测数据研究超长大断面管幕箱涵顶进过程中地表变形的特征,得到一些与我国常规暗挖施工所不同的新规律,建立了能够考虑网格前管幕土欠挖、超挖施工工况的三维有限元模型,实现了箱涵顶进过程及其他地表变形的模拟,计算结果与实测地表变形较吻合.     

带翼缘板圆钢管顶进过程土体变形数值模拟

在传统管幕工法的钢管两侧分别焊接上下两条钢板(称为翼缘板),并将相邻钢管翼缘板焊接形成新型管幕结构.由于翼缘板的存在，顶进过程土体变形规律与圆形钢管不同.本文应用Midas GTS有限元分析软件，对不同钢管直径、翼缘板位置的带翼缘板圆钢管顶进过程进行模拟.结果表明，随上下翼缘板间距增大或管径的不断增加，管顶土体沉降、管底土体隆起、翼缘板处土体竖向位移不断增大；当顶管开挖面距离监测断面一节管长时，监测断面位置土体隆起；顶至监测断面位置时，土体变形变为沉降；当顶管位置超过监测断面一节管长后，土体变形趋于稳定；同时通过拟合曲线，得到了土体变形与上下翼缘板间距、管径的函数关系.     

顶管隧道上穿既有地铁隧道影响机制

为了研究顶管隧道上穿既有地铁隧道施工对既有隧道及周围土体的影响,以电缆隧道上跨西安地铁5号线为研究背景,基于自主设计室内顶管顶进试验装置,采用模型试验和有限元数值模拟相结合的方法研究顶管隧道上跨既有地铁隧道影响机制。试验主要对地表位移、既有隧道应变和既有隧道上方的土压力进行分析,并通过数值模拟对模型试验进行补充研究和对比验证。研究结果表明：地表位移与顶管隧道的埋置深度成反比,当新建隧道埋深小于1.5D(D为隧道直径)时,埋深对地表位移影响较大;顶管轴线两侧土体变化趋势基本对称,与顶管轴线距离越大,土体变形量越小;顶管隧道施工对既有隧道引起位移变化的影响主要集中在顶管正交于既有隧道的位置,既有隧道随着顶管隧道的顶进,逐渐呈隆起状态,并且隧道的拱腰位置隆起要早于拱顶;隧道拱顶纵向最大附加应变均发生在隧道中部即对称面位置,且离顶管隧道轴线越近,附加应变变化也越大;附加应变的变化与夹土层厚度成反比;因试验中有多种客观因素的影响,数值模拟和模型试验的结果虽在数值上有一定差异,但变化规律存在着一致性,由此进一步验证了模型试验结论的可靠性。     

隧道位移场仿真预测及分区计算方法

根据围岩弹性模量空间变异性截断式正态分布的随机分布统计规律特征,提出了基于围岩弹性模量空间随机分布的深埋圆形隧道数值仿真计算方法,模拟分析了围岩空间变异性统计规律特征对隧道位移的影响规律;同时考虑围岩的不确定性,结合可靠度理论,分析了围岩不同空间随机分布特征下隧道位移场随机分布规律,提出了考虑围岩空间变异性的四阶段隧道位移分区计算方法,四个阶段分别为均匀化线性离散阶段、随机波动性离散阶段、非线性离散阶段和单一化线性离散阶段,本案例的四阶段临界变异系数分别为12.5％,23.0％和56.0％.此外,还提出了基于围岩环向统计分析法的隧道空间变异性理论计算方法,理论计算结果未出现随机波动性离散阶段,通过三维随机有限元分析方法与理论计算法对比,提出了便捷的考虑围岩空间随机性的位移修正理论计算方法,便于在实际工程设计中应用,可为隧道位移可靠度设计计算提供基础.     

砂土地层顶管施工土体变形规律三维数值分析

为得到顶管施工引起的土体变形分布规律、施工扰动范围和土体塑性区特征,以某污水干管顶管工程为依托,采用构建三维弹塑性有限元计算模型的方法,分别考虑正面推进力、地层损失和结构与土体的共同作用等因素对土体变形的影响。结果表明:仅地层损失作用下,管道周围2D范围内土体受扰动明显,推进面前后方土体均出现沉降,但推进面后方土体下沉趋势较前方土体幅度大;仅顶推力作用下,施工从横向和竖向对土体的扰动分别集中在管道周围1D和2D范围内,顶进面纵向前方2D范围内土体受扰动明显,推进面后方土体出现沉降,而前方的土体则出现隆起现象,但隆起值较小;在顶推力和地层损失2种因素共同作用下,地层损失是引起土体沉降的主要因素。通过以上分析认为砂土地层顶管管道周围2D范围内土体易产生位移,在施工中应引起重视,并采取一定措施减少其扰动程度。     

基于随机场的非饱和土固结分析

基于随机场理论,采用协方差矩阵分解随机场模拟和蒙特卡罗方法相结合的方法,建立非饱和土固结的流固耦合随机有限元模型,研究弹性模量和饱和渗透系数的空间变异特性对非饱和土固结的影响.结果表明,弹性模量变异系数COVE对沉降的均值和标准差的影响都很大.COVE增大,沉降的均值和标准差相应增加,说明弹性模量的空间变异性可显著增大沉降预测的不确定性.弹性模量的竖向相关距离越小,空间平均效应越大,超孔隙水压力和沉降的标准差越小,尤其在土层厚度小于相关距离时影响较为显著.饱和渗透系数的空间变异性对非饱和土固结的影响较弹性模量小得多,且主要影响固结中间过程.     

顶管施工对既有桥梁影响的三维数值分析

海绵城市管网顶管施工过程中时常临近既有桥梁,为分析研究顶管施工对既有桥梁的影响,在现场调查及分析勘察设计资料的基础上,分别基于理论分析及三维数值模拟,分析了顶管施工引起地表及既有桥梁附近土体的变形规律,并给出了具体的安全保护方案。研究结果表明,顶管施工对地面沉降的影响明显大于横向位移,非加固区设置应力及变形隔离墙后顶管施工对北新河桥桥台变形基本没有影响。研究结果和方法为类似的顶管工程施工提供了参考,具有实际工程意义。     

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.     

弹模随机场对地下洞室可靠度计算结果的影响

随机场理论已在土坡、桩基、堤坝等工程中得到了成功的应用,但在地下洞室可靠度分析中的应用还未见报导。文中尝试将随机场理论引入地下洞室可靠度计算中,将煤层、顶板与底板弹性模量看作随机场,并用局部平均法进行离散;结合Monte Carlo随机有限元法编制了计算程序;然后,按是否考虑为随机场的4种情形,就洞室围岩弹模随机场对地下洞室稳定性的影响进行了研究。结果表明:①与不考虑顶板弹模随机场情形相比,顶板弹模随机场对地下洞室可靠度有着重要的影响,且这种影响不容忽视;②底板随机场对地下洞室可靠度的影响很小,计算时可不考虑;③在相关距离不大的情况下,地下洞室变形对弹性模量随机场的变异性很敏感;④地下洞室变形仅对较大的弹性模量随机场变异性比较敏感。     

基于修正Peck公式的软土地层超大直径顶管施工地表沉降特性研究

依托深圳市超大直径钢顶管清污分流项目,研究了复杂软土地层地表沉降规律﹒首先,基于现场地表沉降50组实测数据对Peck公式进行修正,推导出拟合函数表达式,并给出了软土地层地表沉降Peck曲线上限和下限解;然后,采用有限元方法精细化模拟顶管施工动态过程,进行摩阻力、机头压力和土体弹性模量参数敏感性分析,总结出横、纵断面地表沉降失稳破坏区范围和影响参数临界值;最后,采用半解析-半数值法,确立了修正Peck公式各参数间的函数关系﹒结果表明：修正后的Peck公式可准确预测复杂软土地层地表沉降,其地层损失率取值范围为0.130%～0.238%;地表沉降与摩阻力呈正相关,与弹性模量呈负相关;顶管摩阻力和机头压力临界值应分别控制在15 kN和0.2 MN;横向地表沉降扰动区范围为2D～2.5D,纵向隆起区分布范围为1.25D～2D;沉降槽宽度i与覆跨比(H/D)呈指数函数关系,S_max/g～H/D关系可用修正Clough公式进行描述．     

顶管上穿施工对既有地铁隧道的影响

以杭州市某污水管道顶管施工上穿既有地铁隧道为背景,利用FLAC3D模拟顶管施工过程,将模拟结果与实测数据进行对比,验证了模型的合理性.通过改变顶管管径、管材及地铁隧道周围土体的特性,分析了不同工况下顶管上穿施工对既有地铁隧道的位移影响.研究结果表明,顶管上穿施工对既有地铁隧道所产生的最大位量均位移于顶管轴线下方的地铁截面处,离顶管轴线越远,变形越小;地铁盾构隧道的变形随顶管的管径的增大而增大,而且对竖直方向位移的影响远大于对水平方向位移的影响;管材的弹性模量越小,地铁隧道的变形越大;地铁隧道周围土体弹性模量越小,顶管施工对隧道位移的影响越大.     

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.