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。     

浅埋矩形顶管施工顶推力动态监测分析

矩形顶管在地下过街横通道、地铁进出站通道及地下共同沟等工程建设施工中的应用起来越广泛,国内外学者对顶管施工的顶推力、摩阻力、减摩泥浆和背土效应等的研究取得了大量成果。但是在浅埋矩形顶管施工中,对顶推力进行监测的分析不多。本文依托实验工程,对顶管顶推力计算理论和整体背土效应预判理论进行了应用分析,解释了顶管施工过程中整体背土效应的演化过程,提出一个动态监测顶推力的方法,用以判断减阻效果及是否有发生整体背土效应的趋势。     

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。     

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。     

非饱和土水气迁移与相变：两类“锅盖效应”的发生机理及数值再现

结合非饱和土水气迁移的物理过程和内在机理,将“锅盖效应”分为两种情形。第一类“锅盖效应”定义为非饱和土水气的冷凝过程,而第二类“锅盖效应”定义为水气迁移成冰过程。相较于前者,第二类“锅盖效应”会造成覆盖层下土体含水率大幅度提高,且现有非饱和土水热气迁移理论无法给出合理解释。综合考虑水分的蒸发、冷凝和冻结3个相变过程,建立了非饱和冻土水热气耦合迁移的数学模型,并通过数值模拟求解,再现了第二类“锅盖效应”的形成过程。另外计算结果表明：温度梯度下的气态水迁移并成冰会造成覆盖层下土体接近饱和含水率;一定表层深度范围内,土体含水率增加存在两个陡升段。由于现行工程设计很少考虑防气隔气,在寒旱地区进行工程建设需对第二类“锅盖效应”引起足够重视。     

非饱和土水汽迁移与相变：两类“锅盖效应”的试验研究

“锅盖效应”定义为：不透水覆盖层下土体含水率大幅提高甚至饱和。最新的理论研究将“锅盖效应”分为两类,第一类由非饱和土内水气冷凝引起,第二类是冻结条件下由气态水迁移引起。为试验验证两类“锅盖效应”,研究其内在机理,利用新研制的非饱和冻土水汽迁移试验仪,对不同初始含水率的试样开展不同温度条件的水汽迁移试验。试验结果表明：冻结和未冻结两种状态均能使钙质砂试样顶部含水率增加,但冻结状态下的增加幅度显著。冻结状态下,含水率峰值位置与冻结锋面大致相同,且初始含水率越大,试样顶部和冻结锋面处的含水率增加越显著,降温速率越小,气态水迁移越显著;初始含水率增加也能使未冻结状态下的钙质砂试样顶部含水率增加,并且温度梯度对气态水迁移有一定的抑制作用,温度梯度越小,抑制作用越明显。试验结果很好地验证了两类“锅盖效应”的理论。     

矩形顶管施工诱发地表变形影响因素研究

矩形顶管在施工过程不可避免地会对周围土体产生扰动,引发土体产生变形。依托苏锡常城际铁路太仓站工程项目,通过建立超浅覆土矩形顶管顶进施工三维数值模型,模拟施工过程中对地表的影响,总结地层变形规律;表明：地表隆起与顶管顶进压力和摩阻力成正比;后续施工中,合理控制好开挖面顶进压力及摩阻力是保持开挖面土体稳定、较少地表隆起峰值的关键举措。     

长距离顶管管道的失稳分析

管道失稳是由于管道周围土体提供的抵抗力矩小于偏心顶推力而产生的扭转力矩,造成管节偏离设计轴线。分析了长距离直线顶管施工时管土之间的相互作用,认为管道在承受对角荷载时会产生转动力矩,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,造成管道整体失稳。提出了管道失稳时假定接头处为铰链的管土相互作用宏观模型。分析了传统曲线顶管施工中管土之间的相互作用,建立了首节管道和后续管节的受力模型及土体反力分布模式。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节最大土体反力的计算公式。对一个工程实例进行了计算,结果表明首节管道容易失稳。提出了长距离直线和曲线顶管施工防止管道失稳的控制措施。     

桩承式路堤“土拱结构”形成演化规律离散元分析

“土拱结构”作为桩承式路堤中的主要荷载传递媒介,对路堤荷载传递和路堤填料位移有显著影响。基于室内模型试验,采用颗粒流软件PFC^2D建立桩承式路堤离散元（DEM）数值分析模型,基于应力主方向、接触力链及路堤填料沉降分布规律对路堤中“土拱结构”形态及其演化规律进行深入分析。研究结果表明：路堤中“土拱结构”随桩土相对位移的增加而逐渐发展并最终趋于稳定,最终的“土拱结构”形态呈0.8倍桩净间距高的抛物线形;路堤填筑高度对“土拱结构”形态、演化规律以及荷载传递效率有显著影响;路堤填料粗糙度、桩净间距及桩梁宽度对路堤荷载传递效率有显著影响,但对“土拱结构”最终形态几乎无影响。     

矩形顶管考虑泥浆触变特性的顶推力计算

矩形顶管施工顶推力的计算是施工中非常重要的环节,主顶油缸在设计顶力时需要依据公式计算结果进行配置,因此,公式计算结果的准确性往往关系到施工的财力物力成本。顶推力主要由顶管掌子面的迎面阻力和管壁周围的摩阻力两部分组成,迎面阻力可以被认为是一个定值,因此顶推力公式计算的关键是管周摩阻力的推导。考虑管土之间的泥浆触变特性,通过黏性流体力学的N-S方程结合微元分析法计算矩形顶管管壁周围的摩阻力,并以此推导出顶推力计算公式。通过工程验证,推导的公式结果误差为21%,与现有矩形顶管顶力计算公式对比,更接近实际测量值,验证了本文公式在矩形顶管顶推力计算方面的准确性。     

15m级三车道矩形顶管在下穿城市主干道工程中的应用

随着矩形顶管在市政交通领域的应用,10m级两车道矩形顶管技术越发成熟,亟需15m级三车道矩形顶管技术的研究与应用推广.本文对嘉兴市快速环线15m级三车道矩形顶管下穿南湖大道工程的设计、施工和监测进行介绍,工程采用一台14.8m×9.4m类矩形盾构机进行南北双线分离式顶进实施,机头采用前6后8多刀盘组合形式,通过设置凹凸...     

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。     

矩形顶管施工期地表沉降实测分析

矩形顶管技术作为一种地下隧道开挖方法,其施工过程不可避免地会对管节周围土体产生扰动,使土体出现卸载或加载等复杂的力学行为,引发土体产生变形。文中以南京江东门地下人行过街通道工程为背景,在矩形顶管施工区域地表布设若干沉降测点,并在顶管顶进过程中实时记录测点数据,然后对获取的数据进行了归纳分析,得到了矩形顶管施工对地表沉降的影响规律。     

矩形顶管施工引起土体分层变形计算方法研究

随着矩形顶管在大城市地下通道建设中的广泛应用,建立矩形顶管施工引起周围地层变形的计算预测模型已成为当前顶管施工必须加以重视的问题。矩形顶管施工引起周围土体变形的主导因素为摩擦力、开挖面附加应力、土体损失,理论分析必须考虑这几个主导因素。针对以上主导因素,提出考虑三者共同作用下的矩形顶管施工地层位移计算方法。用Mindlin位移解对应力作用面积分析顶进过程中开挖面附加应力及摩擦力引起的地层变形;以随机介质理论分析建筑缝隙引起的土体损失产生的地层变形。考虑到各影响因素的相对独立性,将各因素引起的地层变形叠加,从而得到主导因素影响下的地层变形预测模型。通过理论计算,开挖面附加应力、摩擦力主导隆起区地层变形,土体损失主导沉降区地层变形,地层埋深越大此现象越明显。将理论计算值与实测结果对比,两者在变化趋势及变化量上趋于吻合,因此,所提公式可作为类似工程工前地层变形预测计算公式。     

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.     

黏土中超大直径顶管开挖面主动极限支护压力计算方法

基于极限平衡思想,提出黏土中超大直径顶管开挖面主动极限支护压力的计算方法。通过数值模拟,对超大直径顶管的破坏模式进行研究;基于破坏模式,推导提出极限支护压力的计算方法;根据实际工程的数值计算结果,验证提出方法的合理性;最后对提出方法的影响因素进行分析,并与其他理论方法进行比较,得到深埋和浅埋的临界深度。研究结果表明,超大直径顶管深埋主动破坏模式为水平圆锥体破坏模式,浅埋主动破坏模式为楔形体破坏模式;1.5倍直径为深埋顶管和浅埋顶管的临界埋深;提出的方法是合理的,而且过程相对简单,适用于实际工程;新方法适用于均质或者层状黏性土中,并且顶管还需在同一土层中顶进;新方法得到的主动极限支护压力值大于极限分析方法,但当内摩擦角接近40°时,得到的结果很接近。     

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。     

上海地区某大口径矩形顶管施工周边环境影响监测分析

顶管技术作为非开挖的技术中的一种,可以在不用开挖地表土的情况下将管道铺设完毕,具有其他开挖方式无可比拟的优点,其应用也越来越广泛。但是在顶管施工中,不可避免地会破坏管道周围土体原有的平衡,造成地面的沉降,对周边环境造成影响。相对于圆形顶管,矩形顶管对周围土体的扰动更大,从而引起的地面变形也更大。本文以上海市徐汇区某地下通道矩形顶管工程为背景,通过现场监测数据分析,得出了一些有益的结论。