顶管工程土与结构性状的理论研究

随着社会城市化进程的推进，地下空间的开发和利用越来越受到人们的重视。顶管法作为一种暗挖施工技术，可以在不开挖地表土的情况下将管道铺设完毕，具有无可比拟的优点，因而得到越来越广泛的应用。但是顶管法施工不可避免地会引起地面和地下土体的移动，在土中产生附加应力。当土体位移过大时，将对周围建（构）筑物和邻近地下管线构成危害。对顶管施工中管土相互作用、土体变形及工作井土体反力计算方法进行研究。主要工作和研究成果如下：（1）假定开挖面失稳时滑动块的形状为一个梯形楔体，滑动块上部为一梯形棱柱。采用太沙基松动土压力理论，根据滑动块的整体受力平衡，推导出砂性土中考虑成层土的开挖面最小支护压力计算公式。算例分析表明，该方法的计算结果小于楔形体模型的计算结果，更接近离心模型试验结果。（2）对顶进过程中管道纵向与环向钢筋应力及管土接触压力进行现场测试。结果表明，轴力和管土接触压力都随顶进距离增大而增大，顶进到一定距离后基本稳定。管道顶部和底部的内侧钢筋受拉，外侧钢筋受压；管道左右两侧的内侧钢筋受压，外侧钢筋受拉；环向钢筋受力很小，但变动较大。注浆对管顶接触压力影响较大，注浆后压力明显减小，对左右两侧接触压力影响较小。（3）对长距离直线顶管施工中管土相互作用进行分析后认为，管道在承受对角荷载时产生转动力矩，当管道端部的最大土体反力超过土体承载力时土体产生破坏，造成管道失稳。分析传统曲线顶管施工中管土之间的相互作用；采用考虑位移的土压力计算方法计算环向土压力，得出首节管道和后续管道的最大土体反力计算公式；提出长距离直线和曲线顶管施工中防止管道失稳的控制措施。     

矩形顶管管土接触状态及顶进力研究

为了合理预测矩形顶管管周摩阻力,进而更加精确地确定顶进力,对矩形顶管的管土接触状态进行分析发现：注浆效果良好时,矩形管节在泥浆中处于上浮状态;注浆效果一般或土体稳定性较差时,管土接触状态倾向于全接触。在此基础上提出管土全接触、管顶及两侧与土体接触、管顶及一侧与土体接触和管顶与土体接触为4种最有可能的接触状态。分别进行管土和管浆摩阻力理论计算公式的推导,结果表明：管浆摩阻力可以忽略,采取太沙基竖向土压力理论可以较好地预测矩形顶管管顶竖向压力大小,据此建立了不同管土接触状态下的管周摩阻力计算模型。考虑不同管土接触状态,开展矩形顶管顶进数值模拟,通过与工程实测顶进力进行对比,结果表明：在管顶及一侧与土体接触的假设下,数值模拟和理论计算得到的顶进力与实测值误差分别为13.2%和8.5%。     

钢筋混凝土顶管穿堤施工三维数值分析

钢筋混凝土顶管施工技术广泛应用于排水管道、电力管道等城市基础设施建设,当其需要长距离穿越江河底部时,会面临上覆土层厚度变化显著、江底水头压力大和江边环境影响敏感等问题。本文结合上海白龙港南线输送干线大直径顶管穿越黄浦江段工程,建立了综合考虑上覆土层变化及江底水头压力的数值模型。采用模拟顶管机头迎面压力和管土摩擦作用的方法进行分析评估,研究了顶管端面压力、减阻泥浆模量、管土摩阻力及减阻效果等参数对地层土体变形与施工状况的影响,探讨了下穿江堤对堤坝桩基变形的影响。结果表明,由于上覆土厚度变化及水压力作用,顶管端面压力应小于机头中心土体自重应力;提高泥浆模量,降低摩擦系数,可减小顶管上方土体和结构的沉降。     

大直径直线钢顶管管周受力特性数值模拟研究

钢顶管作为薄壁结构，受力时与土体变形协调，故现有规范在计算钢顶管土压力时存在缺陷。通过ABAQUS有限元软件分析了不同参数设置下钢顶管土压力和摩阻力的数值大小与分布情况，并提出钢顶管侧向土压力的修正系数。模拟结果表明：DN2000钢顶管在113 kPa的竖向土压力作用下，水平向变形可达管径7‰，产生水平土体附加抗力；钢顶管土压力值与管道径厚比、埋深比呈显著正相关，土体变形模量的增大限制了管侧土压力的增加；侧向土压力系数随管侧变形呈指数增长；单位长度管壁摩阻力随径厚比和埋深的增加而上升，而管侧土变形模量对摩阻力的影响几乎不计。     

均质土中钢顶管顶进稳定性的能量法分析

顶管作为一种非开挖技术,越来越多地应用于各种地下管线工程。钢顶管在顶进过程中,如果顶力控制不当,可能发生轴向整体屈曲,从而导致管体结构失稳破坏。针对这一问题,考虑管周土体的约束、管–土摩阻力以及轴线偏差引起的初弯曲等作用,建立并求解了均质土中钢顶管在轴向顶力作用下的能量方程,获得了临界顶力荷载的解析解。然后,从轴线偏差、管周土体地基反力系数、管–土摩阻力方面分析了钢顶管轴向整体稳定系数的变化规律。钢顶管轴向整体稳定系数随长细比增大而减小,轴线偏差显著降低了钢顶管的轴向整体稳定性。顶管周围土体的约束作用增大了钢顶管轴向整体稳定性。管土摩阻力对钢顶管的轴向整体稳定性影响很小,可以忽略不计。均质土中的钢顶管轴向稳定性规律不同于一般的钢结构,临界顶力荷载解析解可以为钢顶管设计提供依据。     

考虑泥浆触变性和管土接触特性的顶管摩阻力公式

顶进力是顶管工程设计和施工的重要参数,而顶管侧摩阻力对顶进力起控制作用,其大小主要受管土接触和管浆接触特性影响。为了更加准确地计算顶管摩阻力,假设隧洞孔壁在泥浆压力作用下保持稳定,管道周围同时存在管土接触和管浆接触,采用协调表面Persson接触模型分析管土接触特性,得出考虑接触压力分布影响的管土摩阻力;然后利用半无限弹性体中柱形圆孔扩张理论分析注浆压力对泥浆套厚度的影响,并结合泥浆触变性和流体力学平行平板模型计算管浆摩阻力。在此基础上考虑管道与隧洞的相对位置,同时将管道顶进时的滑动摩擦阻力作为下限值,顶管重启动时的静摩擦阻力作为上限值,总结出直线和曲线顶管摩阻力公式。通过与工程实例数据对比,结果表明该计算公式下限值与实测值最接近,证明其适用性。     

顶管工程管道土压力分布模式探讨

对国内外顶管规范的管道土压力分布模型和计算方法进行调研,并结合已有文献的研究,对比分析了各国现行项管规范中的土压力分布模型优缺点,分别对管道侧向土压力分布模式和管底地基反力分布模式进行改进性研究,进而提出了对我国现行顶管规程的管道整体土压力计算模型的改进：即竖向土压力采用现行规范方法计算、侧向水平土压力在我国规程的均布模式基础上加上三角形荷载、并考虑管底土层影响将基底反力支承角扩展为（180＆#176;-2φ）.经工程实测,验证了所提模式的合理性,可用于管道结构设计优化.     

大断面矩形顶管施工对周围土体扰动实测分析

依托苏州市某大断面软土地层矩形顶管建造综合管廊隧道工程,通过分析施工期间的土体孔隙水压力、土压力、深层土体水平位移、地表沉降等土体扰动监测数据,揭示了大断面矩形顶管施工对土体扰动规律。结果表明:矩形与圆形顶管产生的土体扰动存在差异,主要表现在矩形顶管附近土体最大水平位移发生在距顶管上表面一定距离处,矩形顶管产生的地表沉降曲线底部较为平缓;矩形顶管对土体的扰动与顶管机距监测断面距离有密切联系,随着顶管机逐渐靠近,土体的土压力、水平位移及孔隙水压力受扰动变得剧烈,顶管机通过后土体扰动逐渐减弱;顶管顶进速率越快,对周围土体扰动越大,现场加快顶管速率应谨慎;而施工停顿后,土体有向管壁移动的趋势,停工期间不能停止向管壁注入膨润土泥浆。     

基于主动式纠偏的曲线顶管施工力学特性研究

曲线顶管施工技术在市政管线工程中得到越来越广泛的应用。在分析曲线顶管施工机理的基础上,提出并对比分析了3种管节纠偏方案,进而结合主动式纠偏方案的施工特点,对三维曲线顶管施工过程中管土间挤压作用力进行计算分析,并推导了管节顶进摩阻力计算公式,其后对管线平面夹角、管线半径及管径大小3个摩阻力影响因素进行单因素分析。考虑管外注浆对管土接触状态的影响,进而引入土压力作用系数对顶进摩阻力计算公式进行修正,并通过对比分析顶进摩阻力的现场实测值、规范建议值及公式计算值,给出了土压力作用系数的建议取值范围。研究表明:主动式纠偏方案在管节姿态调整、施工扰动控制及管身衬砌受力等方面优于其他两种纠偏方案;顶管施工过程中管土间的挤压作用力呈三维复杂状态,不能进行简单的叠加;管线平面夹角对管节转动摩阻力有显著影响,管线半径对侧向顶推摩阻力和管节转动摩阻力均有一定的影响,而管径大小则主要影响地层土压力摩阻力的数值;管土接触状态是真实存在的,其土压力作用系数的取值范围大致在0.2~0.6之间。     

顶管施工土体扰动的实测分析研究

对福州某工程顶管施工期间地表位移、土体位移及孔隙水压力进行了现场监测,并根据实测结果分析研究了顶管施工的土体扰动特性。结果表明,顶管施工引起的地表位移可分为顶管到达前沉降、施工扰动沉降、管土间隙沉降及土体固结沉降四个阶段;土体位移(相对地表)在顶管机头距离监测断面5m范围内达到最大,而孔隙水压力变化比土体位移变化要及时,可通过监测孔隙水压力对施工引起的土层移动作出超前预测。     

浅埋矩形顶管的“整体背土效应”研究

近年来,矩形顶管在地下空间开发中的应用越来越多,国内外学者针对顶管施工对周边地层的影响、顶推力、摩阻力、减摩措施、管节结构等进行了大量研究,并取得了丰硕的成果。但针对浅埋矩形顶管对其正上方土体整体影响的研究较少。结合矩形顶管浅覆土掘进试验,分析了正上方土体的整体破坏过程,提出“整体背土效应”概念。引入4个假定,建立了正上方土体简化模型,提出整体背土效应的前提条件与破坏条件,并给出了相应的预判方法。采用管土全接触理论、库伦剪切破坏强度准则与朗肯土压力理论进行分析,最终得出整体背土效应与顶程、管节宽度、管土摩阻力以及埋深的相互关系,并进行了算例分析。为今后类似工程避免整体背土效应提供一种新的预判分析理论。     

顶管施工中相邻垂直交叉地下管线变形的三维有限元分析

顶管施工引起的管道周围土体移动会对相邻地下管线造成危害。采用三维有限元分析了顶管施工引起的相邻垂直交叉地下管线变形，研究了离顶管距离的远近、注浆、纠偏、不同管材、地下管线埋深、管线与土体弹性模量比等因素对地下管线位移的影响。研究表明：地下管线产生的竖向位移远大于水平位移，当顶管开挖面通过地下管线2m时，地下管线产生的竖向位移达到最大；顶管向地下管线侧纠偏是引起地下管线变形的主要原因；地下管线弹性模量越小，产生的位移越大。地下管线周围土体的弹性模量大小对位移有很大影响，可以通过注浆等方法加固土体以减小地下管线的位移。     

浅谈深埋大直径双排管施工技术

土压式顶管施工是管道施工中较常见的方法。该施工方法对土质的适应性强,不需要采用其它辅助施工手段,因此适用于天津软土地质条件下深埋大直径双排管工程的施工。本文结合工程实际介绍了在具体工程中的土压式顶管施工工艺、系统布置及参数控制。     

矩形顶管施工地下管线破坏机理分析与控制

由于顶管施工不可避免地对周围土体产生扰动,引起地层移动,从而威胁邻近地下管线的安全.文中以某地铁站出口市政过街通道矩形顶管施工为背景,通过分析矩形顶管施工时土体与地下管线的相互作用,探讨管线应力和位移的分布情况,对其破坏机理进行了总结,并阐述了相应的控制措施.     

软土地区大口径玻璃钢夹砂顶管顶力监测分析

玻璃钢夹砂管因其重量轻、耐腐蚀、摩阻系数小、管道和接口抗渗强度高等优点,在城市给排水管道的顶管施工中得到越来越多的应用.通过现场测试与分析研究了上海软土地区大口径玻璃钢夹砂顶管的顶力特性.结合背景工程两个试验段对玻璃钢夹砂顶管的顶力进行了现场监测,并通过对顶进过程中的管壁土压力测试分析了顶管外壁摩阻力及摩擦系数,获得软土地区玻璃钢夹砂顶管顶力计算的经验公式,为今后同类工程的顶力设计计算提供更加准确有效的方法.     

基于管土接触特性的顶进力计算模型分析

顶进力是顶管工程中管道结构设计、顶管机选型和工作井结构设计的决定性参数之一。为了更加准确地计算顶进力,假设泥浆压力作用下孔壁保持稳定,管道与孔壁土体发生部分接触,采用协调表面Persson接触模型分析管土接触角度和接触压力分布规律,在此基础上考虑管浆摩阻力影响推导出相应的顶进力计算公式。结果表明:管土接触角度和接触压力分布受管道和地层力学参数影响,软土层中管土接触角度可近似取180°定值,接触压力合力约为管道自重的1.35倍;当管道与岩层力学性质接近时,管土接触趋于点接触状态,接触压力的合力为管道自重,且工程实测顶进力与公式预测值相一致,证明其具有适用性。     

顶管管路整体变形模式的原型试验研究

受曲率半径、地层条件等影响,顶管顶进时管道受力变形并不均匀,现有成果主要针对单节管道及接头的力学特性,对顶进过程中管路整体的力学行为研究尚显不足。采用两节1∶1比例的钢筋混凝土管进行原型试验,试验选取直线及曲线顶进两种典型工况,逐级加载到最大顶力后再逐级卸载,监测加卸载过程中两节顶管内外壁的应变值及管道接头间距。试验结果表明直线顶进时,管道轴向应变呈左右对称分布,相比曲线顶进时应变集中的趋势有所缓和。两种工况下管间接头处的钢套筒都起到了分担轴力的作用。传力衬垫受力变形特性影响顶力沿管路的传递,并最终影响管路整体的变形模式。     

顶管施工引起邻近地下管线附加荷载的分析

利用弹性力学的Mindlin解,推导得到顶管掘进机与土体之间的摩擦力和后续管道与土体之间的摩擦力引起的土体附加应力计算公式。假定土体为Winkler模型,推导得到土体损失引起的垂直向土体附加应力计算公式。研究了顶管施工在邻近垂直交叉地下管线上引起的附加荷载分布规律。研究结果表明：附加荷载的变化规律与地下管线和掘进机的相对位置密切相关,是一个三维问题;随着地下管线与顶管之间距离的减小,附加荷载急剧增大;在正常施工时,竖直方向引起的附加荷载值最大,顶进方向其次,垂直于管壁方向最小。