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。     

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.     

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。     

管幕-箱涵下穿运营铁路线地层变形分析及控制技术

基于管幕-箱涵顶进工法施工的数值仿真模型,对涵洞斜穿铁路线施工过程中的地层变形规律进行分析,提出采用"有线仪器导向,一次性跟管钻进法"技术和控制箱涵顶进轴线位置、顶进速度和顶进力等地层沉降控制措施,并对箱涵顶进过程中的地层沉降进行现场监测.结果表明:管棚的沉降主要发生在开挖面前段10m范围内;管幕-箱涵施工过程中地层变形主要是由管棚和箱涵对土体的挤压扰动引起的;本文提出的地层沉降控制措施可将沉降控制在15mm以内.     

矩形顶管施工引起的土体变形计算方法研究

分析了土体位移主要影响因素,对土体进行部分力学计算假定,使用梅德林解推导了分别由矩形顶管施工过程中的推进力、掘进机及管道侧摩阻力引起的土体变形计算公式;利用随机介质理论,推导了矩形顶管施工土体损失带来的土体变形计算公式.综合所有因素得到总变形公式,进行了土体变形规律分析并验证了计算公式的正确性.对矩形顶管推进引起的三维土体变形提供了简单的理论计算方法.     

风化地层圆形顶管下穿既有高速公路掘进隆沉变形控制

风化岩层圆形浅埋隧道在掘进过程中岩层表现出隆沉变形状态,而顶进力作为其重要影响因素,分析二者之间的联系对岩层变形控制有重要的意义.以青岛地铁8号线电力线路浅埋隧道采用顶管施工为工程背景,运用理论分析与FLAC^3D数值模拟研究在风化岩层圆形隧道开挖施工过程,分析在不同顶进力作用下岩体与管节变形情况.研究结果表明：顶进力作为施工过程中重要参数,对岩土变形有着重要影响;顶管处岩土沉降量均大于地表沉降量,但由于顶进力的存在可能会导致岩土先产生隆起之后再产生沉降,且随着顶进力的增大,隆起量也明显增大,但隆起量敏感度高于沉降量;同时顶进力会引起开挖面附近岩土应力变化,但影响范围有限,开挖面左右5～10 m,后方0～10 m为顶进力重要影响区.     

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...     

富水软弱地层矩形混凝土顶管施工地表沉降研究

随着城市隧道建设环境的日益复杂,很多矩形隧道不再具备明挖条件,而采用顶管施工,合理预测矩形顶管施工引起的地表沉降是工程成败的决定性因素之一.依托苏州地铁5号线某车站矩形顶管工程,建立基于随机介质理论的地层损失模型和基于弹性力学Mindlin解的计算模型,得到矩形顶管施工引起地表沉降的计算公式.选取K34断面,对比了现场实测数据与理论计算的结果.研究结果表明:建立的矩形顶管地表沉降预测模型能较准确地预测矩形顶管引起的地表沉降,其预测值和现场实测数据的误差仅为10.6％;地层损失引起的地表沉降是总地表沉降的主要组成部分,侧摩阻力与正面顶推力占比较小;理论预测曲线的沉降槽宽度与实际沉降槽宽度较为接近,约为2～3倍隧道埋深.     

渗流作用下重叠隧道施工引起地层变形

以深圳地铁5号和7号线重叠段为背景,采用三维数值分析方法,对渗流作用下重叠隧道施工引起的地层变形规律进行研究,并与实测数据校验,分析开挖应力释放和地下水渗流共同作用对地层变形的影响。研究结果表明:纵向截面内,7号线施工时上覆地层变形较小,变形范围最远发展至开挖面前方4倍隧道高度处,5号线施工则造成较大地层变形,渗流引起开挖面前方2倍隧道高度范围内水位下降,拱顶上方局部土层出现整体下沉;横向截面内,7号线施工引起的土体变形仍然较小,变形区域可由1条与洞周相切、倾斜角度为45°+φ/2的斜线确定,在渗流影响下,5号线施工时截面内水位逐渐降低,土体变形加剧,同时变形范围扩大,地表沉降槽宽度大幅增加;整个施工过程中,地表经历约40 d的快速沉降,速率维持在1 mm/d以上,通过设置止水措施能够有效减小最终沉降,然而当重叠隧道开挖面间距大于一定数值时(本工程为12 m),间距增大对计算沉降量影响较小,通过减小开挖面间距可以缩短工期。     

曲线顶管底幕法古沉船整体打捞缩尺模型试验

为了保护沉船的完整性,缩短打捞周期并降低打捞成本,本文提出了一种采用矩形曲线顶管形成底部托盘的新型水下沉船整体打捞方法。基于极限平衡法,推导了单根矩形顶管沿竖曲线推进的顶推力理论计算公式。依托“长江口二号”古沉船打捞项目,开展了缩尺模型试验,分析了底幕不同位置顶管推进顶推力的变化规律,并对一些施工因素对地层扰动及顶推力的影响进行了探讨。结果表明：矩形顶管沿竖曲线推进,顶推力随推进角度的增大呈现先增大后减小的趋势,顶推力峰值发生在推进角度为120°-180°之间;刀盘旋转切削及泥浆的冲刷作用有助于降低对地层的扰动,减小推进阻力;由于端板的约束作用,靠近端板处顶管顶推力大于其他位置的顶管顶推力;顶管在入土和出土时刻会对周围环境产生一定的扰动,因此在确定顶管弧形梁的半径时,需要充分考虑其对沉船扰动的影响;基底吸附力约占总起吊力的31%。本项研究为隧道施工技术在沉船打捞领域的创新性交叉应用,研究成果可为“长江口二号”沉船打捞及类似打捞工程的实施提供重要的理论依据和技术指导。     

顶管施工隧道扰动区土体变形计算

针对目前已有顶管施工扰动区土体变形预计公式存在的缺陷,提出了一种新的扰动区土体变形计算方法.将顶管施工隧道周边岩土体看作一种随机介质,将隧道开挖(或挤压)所引起的土体移动看作一随机过程,应用随机介质理论,对顶管施工隧道开挖引起的扰动区土体的移动与变形进行分析,推导了相应的扰动区土体下沉(隆起)、倾斜、水平移动、水平变形及弯曲曲率计算公式,并编制了相应的计算程序.研究结果表明:该方法预计结果精度高;顶管施工引起的扰动区土体的变形较大,超出地表建筑物及地下管线的允许变形,在实际施工中应采取有效的防护措施.     

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。     

砂土地层污水干管顶管施工处治数值分析

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。     

土压平衡盾构土仓压力对地表沉降的影响

以广州地铁4号线盾构施工为工程背景,采用三维数值分析方法和现场测试等手段,对土压平衡盾构土仓压力变化引起的地表沉降变形规律进行了系统研究。结果表明:随着土仓压力的增加,掌子面后方地表沉降在减小,而掌子面前方地表隆起却不断增加,隆起一般出现在掌子面前方10 m范围内;当土仓压力处于超平衡状态时,地表隆起值增大,地表沉降值减小,且沉降减小量远大于隆起增加量;就地表沉降量而言,超土压平衡引起的地表沉降量最小。在满足盾构前方土体不被破坏的前提下,增加土仓压力是减小地表沉降的有效手段。     

双层顶管隧道施工引起的土体竖向变形规律研究

采用数值分析方法,研究了双层顶管隧道施工引起的土体竖向变形规律。研究表明:顶管隧道施工引起的地层移动主要是由于地层损失引起的。地层移动主要是垂向位移,其水平位移很小,可忽略不计。在垂直顶管走向上,地面沉降呈以顶管轴线为对称轴且开口向上的抛物线形状,其最大值发生在顶管正上方。在顶管施工过程中,先行施工的下层顶管引起的沉降约占总沉降量的80%;当上层顶管位置不变时,总沉降量随着下层顶管埋深的增大而线性增大;当顶管间距逐渐增大时,上层顶管开挖引起的沉降量与总沉降量之比逐渐减小,下层顶管引起的沉降量与总沉降量之比逐渐增大,下层顶管对上层顶管影响逐渐减弱。     

盾构隧道穿越土坝的地层沉降控制

在盾构施工技术中,如何控制地层沉降,避免影响隧道上方建筑物,一直是人们非常关心的问题。虽然盾构及管片与其周围土体的耦合作用极其复杂,但对盾构扰动土体的变形分析和计算可为控制地层变形提供理论依据;规范盾构施工操作程序,可减少非正常地层损失;正确选择同步注浆和壁后注浆的材料、配比及工艺,可最大限度地填充建筑空隙;预先注浆和复注浆加固隧道上方土体,可减少土体扰动和固结沉降量。     

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.     

北京地铁敞口式盾构掘进对砂层土体扰动规律研究

敞口式盾构在砂层掘进时会扰动周围土体,易引起地层坍塌.以北京地铁6号线2期敞口式盾构施工段为工程背景,阐述了国内首台挤压式敞口盾构机机体构造及开挖工序,通过地表沉降和地中水平位移监测,研究了盾构掘进对砂层的扰动特征.结合盾构掘进参数分析,探讨了减少土体扰动的控制措施.研究表明,盾构接近测孔区阶段,土体变形规律最复杂;通过和刚脱离测孔区阶段是土层变形控制的重要环节;盾构隧道轴线两侧1.5倍洞径范围内是土体扰动主要区域.所得结论可为砂土地层敞口式盾构施工地层位移控制提供可鉴参考.     

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。     

顶管施工引起地表塌陷及关键技术分析

长距离大断面顶管施工不可避免的引起土体扰动和土层损失,导致土体塌陷和地表拉裂等现象.以某长距离超大断面顶管工程为工程研究背景,对顶管施工引起土体变形的机理展开了分析,对顶进施工过程中土体产生塌陷、地表出现张拉裂缝的原因进行了阐释,探讨了地表变位对周边建筑(构筑)物的影响,以及分析了该工程中运用的进出洞、中继器、触变泥浆减阻、加强现场监测、以及其他应急措施这5种关键控制技术,得到了一些保证工程施工安全的有益的经验.