沈阳地区大直径顶管顶力预估与减阻效果的数值模拟

沈阳地区以砂卵(砾)石土层为主,顶进大直径顶管可借鉴的工程经验不多,因此首先从数值模拟的角度,提出了根据初始顶力预估顶进过程中所需顶力的方法,并与实际监测结果进行了对比,然后对沈阳地区顶管顶进中使用的触变泥浆配合比进行了分析,比较了7种浆体的顶力曲线.研究结果表明:采用数值模拟方法预估顶管顶进过程中的顶力,并为中继间的合理布置提供参考是可行的;在沈阳地区顶管施工中优化的触变泥浆膨润土与水的质量配比为1∶9,并且触变泥浆中的用水量对于减阻效果有明显影响.     

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。目前的研究大多利用力的控制,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,利用“位移控制法”实现顶进全过程数值模拟;在充分考虑管土摩擦作用和超挖地层损失影响下,分别利用“罚函数”法和“等代层”法进行模拟,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、内摩擦角以及黏聚力等敏感性参数对地表变形的影响规律。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、黏聚力成反比。     

水平布置的先行顶管对后续顶管顶推力的影响分析

以北京新机场线顶管工程为依托,针对水平布置的先行顶管对后续顶管顶推力的影响开展了现场试验和数值模拟研究,并对先行顶管的位置和数量进行了参数影响分析.研究结果表明,先行顶管对后续顶管侧摩阻力存在放大效应,增大顶管间距将导致该放大效应非线性减小.先行顶管的位置和数量对后续顶管侧摩阻力存在重要影响.在顶管间距为1.1倍钢管直径的情况下,当先行顶管位于后续顶管一侧时,侧摩阻力最大增长率为28.5％;当先行顶管位于后续顶管两侧时,侧摩阻力最大增长率达到41.9％.基于此提出了水平顶管施工中的顶推力群管效应理论,为大体量顶管顶推力的设计提供依据.     

土压平衡盾构中顶进推力的计算分析

针对土压平衡盾构开挖过程中顶进推力难以确定的问题。采用理论计算与数值拟合相结合的方法,计算土仓和掘进面的等效压力,从而推导出隧道开挖所需的顶进推力。以实际工程为背景,利用ABAQUS在该顶进推力作用下地表沉降规律。结果表明:①该土仓与掘进面压力的计算方法适用于卵石地层;②盾构推进力为110 000 N时,开挖较为稳定;③监测与模拟的地表沉降值较为接近,两者之差小于2 mm。该研究对卵石地层中的盾构开挖具有一定的指导意义。     

考虑管-土/泥浆接触状态的浅埋大断面矩形顶管隧道摩阻力计算方法研究

研究分析顶管-土体/泥浆的接触状态,进而结合全土柱地层压力理论和摩擦学理论,建立考虑管-土/泥浆接触状态的浅埋大断面矩形顶管隧道摩阻力计算方法,并开展工程实例验证与应用。研究结果表明：本文所建立的考虑管-土/泥浆接触状态的矩形顶管隧道摩擦力计算方法的理论计算结果与实测结果较吻合,该方法具有可靠性,可用于指导实际工程的设计与施工;受顶管姿态、泥浆套质量影响,顶管管壁接触存在完全管-泥浆、完全管-土和管-土/泥浆共存3种接触状态,在实际施工中,以管-土/泥浆共存接触状态为主;顶管顶进初期,受端头井地层加固及泥浆套形成质量等因素影响,界面接触模式应按管-土接触考虑,管壁摩阻力大;在富水地层中,泥浆套质量受地下水渗流作用影响显著,泥浆易稀释、流失,减阻效应减弱。     

浅埋超大断面矩形顶管顶进对既有箱涵的影响

针对浅埋超大断面矩形顶管顶进引起的环境影响效应,以深圳市某拟建顶管法地铁车站为背景,建立了顶管施工全过程三维有限元数值模型,研究了浅埋超大断面矩形顶管施工的背土效应及其对上方既有箱涵的影响。结果表明：顶管下穿箱涵前,箱涵的不均匀沉降增长缓慢,箱涵迎土面所受土压力不断增大;顶管下穿箱涵时,箱涵的不均匀沉降量急剧增大,箱涵迎土面所受土压力逐渐降低;顶管穿出箱涵后,箱涵的不均匀沉降量和迎土面所受土压力均先下降而后趋于稳定。浅埋超大断面矩形顶管施工的背土效应使得箱涵的最大水平位移大于最大竖向位移,实际工程中应采取措施减少背土效应的影响。     

超大类矩形断面复合顶管施工力学性能研究

依托上海轨道交通14号线静安寺站工程,介绍了超大类矩形断面钢-混凝土复合顶管的结构构造、加工制作与施工监测方案,重点分析应力监测数据并结合数模结果揭示了管节在顶进及后续施工中的受力性能,以此来研究大埋深软土地层中新型超大断面顶管的施工力学特性．结果表明：对于顶管中的任一管节,钢板与纵向肋板的应力在该管节顶进初期与全钢管顶推完成时出现较大波动,而中间段基本稳定在某一数值,且钢板轴向受力相比环向受力对管节纠偏更敏感;同一顶管不同管节在施工过程中的应力和位移分布一致：应力分布较为均匀,峰值应力位于顶推面拐角附近;变形趋势为竖向内凹、横向小幅外凸,峰值形变位于竖向跨中;管节峰值应力随顶管推进逐步增大,但均未超过弹性极限,峰值形变保持稳定;钢板的环向应力由水土压力控制,应力分布为上部受拉、左右受压,轴向应力由顶推力控制,其中竖直方向上的轴向应力也受管节竖向偏转和外壁环向荷载的影响;纵向肋板的轴向应力在水平方向上由顶推力控制,在竖直方向上由外壁环向荷载控制;后续施工过程中,顶管受力相对稳定．影响范围方面：注浆加固对钢板和纵向肋板的受力均有较大影响;管节环向焊接主要对钢板的环向与轴向受力有较大影响;...     

考虑残余顶推力作用时盾构下穿引起既有顶管管廊变形

针对隧道开挖引起上覆既有顶管管廊变形的工况,提出了一种可考虑顶管管廊残余顶推力的管廊竖向变形理论计算方法。第一阶段采用修正Loganathan公式解得隧道开挖引起周围土体的自由位移,把土体自由位移附加在既有管廊轴线上,第二阶段将既有管廊简化成无限长Euler-Bernoulli梁搁置在Pasternak地基模型上,同时考虑管廊轴力对其变形响应的影响,随后根据管廊两端自由的约束条件提出了隧道开挖引起既有管廊受力变形半解析解。研究结果表明：与某工程实测数据验证对比,本文方法计算结果与实测较为符合;与本文方法退化解析比较,本文方法预测结果更具有优越性。进一步参数得到如下结论：地层损失率的增大会使得既有管廊位移及其内力呈现线性增大的趋势;随着管廊直径的增大,既有管廊位移和弯矩会迅速增大,其增速也在不断增大;随着隧道开挖轴线埋深的增加,既有管廊位移和内力均会大幅度减小。     

矩形潮流能水轮机性能研究

为了有效地利用潮流能,设计了一种适合于中低流速、容易实现大型化的新型潮流能发电转换装置——矩形潮流能水轮机.基于矩形水轮机的设计,采用数值模拟的方法,分析了密实度、叶片安装摆角、流速等参数对水轮机性能的影响,并对叶片间流场扰动进行了研究.结果表明:叶片数(密实度)和叶片安装方式对矩形水轮机的获能特性和推力特性产生较大影响,通过调节叶片数和安装摆角可以改善水轮机的能量利用效率;来流是影响矩形水轮机工作性能的外在因素,在叶片数和安装摆角确定的情况下,来流不仅可以改变矩形水轮机的工作速比区间,而且还直接影响着矩形水轮机的功率、推力特性;叶片在迎流面和背流面体现出不同的水动力特性,叶片在背流侧的能量捕获能力明显低于在迎流侧的,迎流侧叶片对流场的扰动是一种负面效应.     

沈阳砂土地层含翼缘钢顶管摩阻力计算方法

基于Staheli的圆形顶管拱顶竖向土压力计算方法,推导出含翼缘异形钢顶管的拱顶竖向土压力计算方法.通过室内改进的直剪试验,得到了钢顶管与沈阳砂土、砂浆混合液与存泥浆之间的摩擦系数.通过现场监测,得到了含翼缘异形钢顶管顶力、摩阻力随顶程的变化规律.综合以上拱顶竖向土压力的理论推导与管土摩擦系数的室内试验,提出了含翼缘异形钢顶管摩阻力理论计算方法,将该方法的计算结果和现场观测数据进行了对比,得到较好的一致性,验证了所提方法的可行性.     

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个阶段发展形式,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。     

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.     

手掘式顶进法进洞施工顶进力计算与后背结构力学特性

顶进法施工中,顶进力的计算尤为重要。对于进洞施工埋深随顶进距离变化（洞口有一定坡度）的情况,尚未有相关理论公式,本文推导了洞口带有坡度情况下的顶进力理论计算公式,并与模拟结果进行对比,结果表明推导的顶进力理论计算公式较为准确,反映了洞口坡度对顶进力的影响。对3种不同的后背结构型式受力变形特征进行了模拟计算,结果显示连续墙+钢筋混凝土墙效果最好,连续墙+钢架次之,摩擦桩+钢架最差,采用连续墙+钢架后背结构时需着重注意钢架与连续墙的连接型式。     

大直径砼顶管的管道受力特性分析

为优化现有的顶管管道受力模式及其设计方法,结合上海市污水治理南线工程,采用数值模拟方法,对内径4 m的大直径钢筋混凝土顶管管道的受力特性进行了分析,研究了施工过程中管土接触压力的变化及顶管覆土厚度对管道外土压力的影响,比较了管道受力分布与《给水排水工程顶管技术规程》的区别,并分析了管道内力的差异.计算结果表明：土拱效应随覆土厚度的增加逐渐增强,管土接触压力分布比较平均,侧向土压力采用主动土压力计算偏于保守,地基反力也可适当均匀化,并且在此基础上的管道弯矩减小,轴力相应增大.因此,管道设计可以进一步优化,使工程更加经济.     

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...     

浅层顶管施工引起地面沉降的预测

在软土地层中顶管施工所引起的地面沉降常常会造成邻近建筑物和地下管线的移动甚至破坏－ 通过对土与顶管的受力及变形的分析,在施工前预测特定顶管工程可能引起的地面沉降的幅度及其形态－ 理论分析和现场实测显示,顶管施工时管节周围土的运动是三维的－ 建立了处理上述三维问题的简便计算方法－ 基于半解析元法将顶管施工中三维土运动问题转换成一维数值计算－ 在轴向离散而在环向和径向取解析函数,建立了半解析单元的位移函数－ 给出了包括位移函数、刚度矩阵和荷载矩阵在内的理论分析过程－ 计算结果表明,半解析元法对于计算顶管施工中的地面沉降是行之有效的方法－ 根据分析与计算结果得到一些有价值的结论,包括结构与土的相互作用而言,顶管管节相当于隧道的衬砌－ 虽然顶管施工引起的地面沉降的沉降槽也近似于误差曲线,由于土的粘塑性变形,地面沉降的幅度在施工过程中是变化的－     

顶管施工在江边泵房引水管道施工中的应用

某电厂（2×600MW）江边水泵房的引水管道线路长、管径大,且周围有车渡码头、住房及地下设施等．为确保施工对湘江大堤、车渡码头及地表土壤植被等自然环境影响降到最低,其引水管道采用顶管施工法．     

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.