土压平衡矩形顶管正面附加推力对地表隆起变形影响研究

以全国最长的大截面矩形顶管综合管廊工程为背景,基于弹性力学Mindlin解和随机介质理论,分析顶管施工对地表隆起变形的影响.研究发现:地表隆起过程可分为四个阶段,分别为缓慢隆起阶段、快速隆起阶段、沉降阶段和稳定阶段,并得到地表隆起超限主要集中在快速隆起阶段,该阶段地表快速隆起变形的主要诱因是正面附加推力,其次为顶管机摩擦力和后续管节摩擦力;刀盘挤土压力对正面附加推力影响很大,基于弹性力学Kelvin解,并引入刀盘转速比,得到大、小刀盘转速比在0~0.2范围内时对刀盘挤土压力影响很大;基于进出土平衡理论,并引入螺旋机转速比,得到它对刀盘开口处土压力影响很小,但顶进速度对刀盘开口处土压力影响很大;综合各因素得知,在矩形顶管施工参数中,刀盘转速比和顶进速度对正面附加推力影响很大,是造成地表隆起变形的主要原因.

双圆盾构施工引起邻近桩基附加荷载的分析

应用"源汇法"理论,推导了双圆盾构隧道土体损失产生的三维附加应力计算公式。研究了双圆盾构机正面附加推力、盾壳与土体之间的摩擦力以及土体损失在邻近桩基上引起的总的附加荷载的分布规律。研究结果表明:在双圆盾构开挖面前方地下桩基受到挤压力作用,在开挖面后方负值附加荷载逐渐增大产生拉力,同时双圆盾构机轴线深度附近的桩基部位处产生较大的拉应力和压应力;双圆盾构机与土体之间的摩擦力在附加荷载中特别是y方向的附加荷载起主导作用;垂直于管片方向的附加荷载值较推进方向大,但影响范围小;竖直方向的附加荷载较小,靠近隧道轴线附近的桩基部位受到的附加荷载方向与两端相反,曲线呈"弓"形分布。经与数值模拟、离心试验、现场实测结果对比分析,验证了应用解析解研究双圆盾构隧道开挖对邻近桩基影响是可靠的。

双线平行盾构法隧道施工附加荷载的计算分析

对隧道周围土体采用椭圆形非等量径向位移模式,在镜像法基本原理基础是推导了土体损失引起的附加应力计算公式;结合弹性力学Mindlin解得到的正面附加推力和摩擦力引起的附加应力,得到三者共同作用下总的附加应力公式,并通过算例分析了各影响因素下水平平行隧道上附加荷载的分布规律,重点探讨了土体损失引起的附加荷载在相邻隧道上的分布,分析结果对平行隧道施工具有一定的参考价值。

相邻水平平行顶管推进引起的附加荷载分析

利用弹性力学的Mindlin解,推导得到顶管正面附加推力、掘进机和后续管道与土体之间的摩擦力在相邻水平平行管道上引起的附加荷载计算公式。探讨了管道净间距、直径、埋深以及土体泊松比对附加荷载分布的影响。分析结果表明,采取注浆措施时后续管道摩擦力在相邻管道上产生较小的压力,其峰值出现在开挖面后方。在正常施工时,正面附加推力引起的附加荷载非常小,使相邻管道开挖面前方产生压力、后方产生拉力,以开挖面呈反对称分布。掘进机摩擦力引起的附加荷载分布规律与正面附加推力相似,但零点位于掘进机中间部位相对应处,其引起的附加荷载较大,在三者共同作用中占主要地位,应予以重视。

盾构施工过程中的土体变形研究

基于盾构施工过程,利用弹性力学Mindlin解,通过坐标变换经积分推导刀盘与土体之间摩擦力所引起的地面变形计算公式,并得到盾构施工引起的总地面变形计算公式。结合杭州地铁一号线工程中具有代表性的粉砂土层,分析盾构与土体的复杂相互作用,并对盾构与土体相互作用引起的土体变形特征进行计算。通过计算发现,盾构施工中盾壳摩擦和正面推力是盾构推力设置的主要因素,而刀盘与土体摩擦是刀盘扭矩设置的主要因素,盾构前方土体隆起主要由盾壳摩擦引起,刀盘摩擦作用主要引起地表沉降的非对称分布,地表沉降主要由盾尾空隙产生。通过实例计算并与实测结果对比发现,使用盾构变形计算公式适用范围在盾构机头前后±2L距离处,对指导实际盾构施工具有重要意义。

盾构隧道施工引起的地面变形计算方法研究

假定土体不排水,利用弹性力学的Mindlin解,推导正面附加推力、盾壳与土体之间的摩擦力引起的地面变形计算公式;提出土体损失引起的三维地面变形计算公式。将正面附加推力、摩擦力和土体损失引起的地面变形计算公式叠加,得到盾构施工引起的地面变形计算公式,该方法适用于施工阶段。算例分析表明,该方法的计算结果与实测值相当吻合。盾构施工引起的纵向地面变形曲线呈“S”形;隧道开挖面上方处轴线两侧的地面产生隆起现象;在正常施工时,盾壳与土体之间的摩擦力对地面变形的影响远大于正面附加推力。

顶管施工引起地面变形的计算方法研究

假定土体不排水固结,利用弹性力学的Mindlin解,推导了顶管正面附加推力、掘进机和后续管道与土体之间的摩擦力引起的地面变形计算公式,结合土体损失引起的地面变形计算公式,得到顶管施工引起的总的地面变形计算公式,该方法适用于施工阶段。算例分析表明,顶管施工引起地面产生三维变形,随着掘进机的顶进而不断产生变化。正面附加推力引起开挖面前方地面隆起,后方地面沉降,以开挖面正上方为轴线呈反对称分布,在正常施工时产生的地面变形较小;掘进机与土体之间的摩擦力引起的地面变形较大,分布规律与正面附加推力相似,轴线位于掘进机中间部位正上方。后续管道与土体之间的摩擦力引起的地面变形分布规律与正面附加推力相似,轴线位于后续管道中间部位正上方,注浆时引起的地面变形较小。

顶管施工引起的土体垂直变形计算方法研究

对前人工作进行总结,将3个已有的经验公式合并成一个通用经验公式,该公式可以计算由土体损失引起的土体中任一点沉降。假定土体不排水,利用弹性力学的Mindlin解推导了顶管正面附加推力、掘进机和后续管道与土体之间的摩擦力引起的土体垂直变形计算公式。结合土体损失引起的土体变形计算公式,得到顶管施工引起的总的土体垂直变形计算公式,该方法适用于施工阶段。算例分析表明,正面附加推力引起开挖面前方地面隆起,后方地面沉降,以开挖面正上方为轴线呈反对称分布,在正常施工时产生的地面变形较小;掘进机和后续管道与土体之间的摩擦力引起的地面变形分布规律与正面附加推力相似,轴线分别位于掘进机中间部位和后续管道中间部位的正上方。

双圆盾构施工扰动引起的地表位移特性分析

双圆、异形盾构工法是近年来软土地下工程兴起的一种新工法,对于双圆盾构施工扰动引起的土体位移计算方法及特征,人们还缺乏足够的认识和工程实践的积累。基于弹性力学Mindlin解、Sagaseta公式,建立考虑盾构掘进正面附加推力、侧摩阻力、地层损失的双圆盾构施工扰动土体位移计算方法。以上海轨道交通M6线双圆盾构区间隧道工程为背景,应用该方法分析双圆盾构施工扰动引起的土体纵向、横向沉降特征。结果表明,计算值与实测值吻合较好,该方法可用于分析双圆、异形盾构施工引起的地表位移特征,双圆盾构施工引起的地表沉降基本符合正态分布,盾构对土体有明显的背土、挤土效应。所得结论对于异形盾构工法在我国的进一步开发应用提供有益借鉴。

顶管推进对邻近桩基的影响分析

研究了顶管正面附加推力、掘进机和后续管道与土体之间的摩擦力在邻近桩基上引起的总的附加荷载的分布规律。研究结果表明,附加荷载的变化规律与桩基和掘进机的相对位置密切相关,是一个三维问题;在项进方向和垂直于管壁方向,随着掘进机开挖面通过前后,附加荷载由压力变为拉力,顶进方向的附加荷载值和影响范围较垂直于管壁方向大;竖直方向的附加荷载较小,靠近管道轴线附近的桩基部位受到的附加荷载方向与两端相反,曲线呈"弓"型分布:随着桩基与管道距离的减小,附加荷载急剧增大。

软土隧道盾构法施工引起的纵向地面变形预测

假定土体不排水,利用弹性力学的Mindlin解,推导了正面附加推力和盾壳与土体之间的摩擦力引起的纵向地面变形计算公式,结合土体损失引起的地面变形计算公式,得到盾构施工引起的总的纵向地面变形计算公式,该方法适用于施工阶段。与两个工程实例进行了对比,本文方法计算得到的结果与实测数据较吻合。算例分析表明,正面附加推力引起开挖面前方地面隆起,后方地面沉降,以开挖面为轴线呈反对称分布,在正常施工时产生的地面变形较小;盾壳与土体之间的摩擦力引起的地面变形较大,分布规律与正面附加推力相似,但轴线位于盾构中间部位;土质参数对地面变形影响较大。

类矩形土压平衡盾构施工引起的地表变形

针对类矩形盾构施工的扰动控制问题,基于弹性力学Mindlin解,考虑刀盘正面附加推力、壳体与土体之间摩阻力、同步注浆压力以及土体损失4种因素的共同作用,采用数值积分法和叠加原理对地表变形进行计算分析.结果表明:4种因素共同作用下类矩形盾构掘进地表相当范围内表现为沉降,最大收敛沉降约为33mm,开挖面前方的沉降影响主要集中在前方10m范围;同步注浆压力产生的地表隆起可以部分抵消土体损失引发的沉降,因而合理的同步注浆有利于沉降控制;4类因素中,正面附加推力和盾壳摩阻力产生的地表变形很小.理论结果与实测数据基本吻合,可为后期类矩形盾构隧道施工的扰动控制提供理论参考.

顶管施工引起地表竖向变形分析

顶管法在各个城市的地下管线施工中广泛运用,尤其在已建道路下的管线施工中具有优势。顶管穿越路基施工引起管道周围土体变形易对路面造成变形破坏。结合实际工程,分析计算顶管施工正面附加推力、设备与周围土体的摩擦力对地表垂直变形的影响,结合土体损失引起的竖向变形,计算顶管施工引起总的周边地表竖向变形。计算结果与实际监测结果吻合,顶管施工引起周边地表竖向变形呈现前方隆起后方沉降的变化规律。

顶管施工引起土体变形的计算方法及应用

顶管施工技术已经广泛用于给排水管道和小直径隧道工程中,同时其施工扰动引起的土体变形问题也越来越受到重视。顶管施工引起周围土体变形的主要因素有:刀盘正面附加推力、顶管机及后续管道与土体之间的摩阻力、注浆压力和土体损失。针对上述影响因素,分析各影响因素单独作用产生的土体变形,然后叠加得出土体总变形计算公式,最后结合港珠澳大桥珠海连接线工程中0#试验管的工程实例分析了其适用性。工程实例分析结果表明:土体损失、注浆压力和顶管机与土体间摩阻力产生的最大土体变形分别为-8.000、2.500和±2.020 mm,这三者是引起土体变形的主要因素;而正面附加推力和后续管道与土体摩阻力产生的最大变形量分别为±0.075和±0.230 mm,影响程度不显著。与Peck公式对比,本文公式除了在最大沉降值处偏差较大以外,其他位置土体变形比Peck公式更接近实测值。

考虑多因素的双线水平平行盾构施工引起地表隆陷研究

对双线水平平行盾构施工引起的三维地表隆陷计算方法进行研究。考虑正面附加推力、盾壳与土体的摩擦力、注浆压力和土体损失的共同作用,基于先、后行隧道地表隆陷的叠加原理和相互影响,求解得到双线盾构施工引起的总的三维地表隆陷,该方法适用于施工阶段。考虑两条隧道轴线间距J和先行、后行隧道开挖面前后距离K改变的影响。结果表明:本文方法预测值与实测值比较吻合;减小K值,地表纵向沉降曲线形状逐渐由阶梯型转变成S型,最大地表沉降量和隆起量均有所增加;增大J值,地表横向沉降曲线形状由V型缓慢转变成W型,最大地表沉降量逐渐减小。

类矩形土压平衡盾构施工附加应力分析

采用弹性力学Mindlin解,考虑刀盘正面附加推力和不均匀壳体摩阻力,分析类矩形盾构施工引起的土体附加应力。结果表明,类矩形盾构掘进引起的附加应力具有区域特征,刀盘前方土体受压,后部土体受拉。与双圆盾构、大直径圆形盾构相比,类矩形盾构掘进引起的附加应力较小,接近大直径圆形盾构,有利于土体扰动控制。研究结果可为类矩形盾构施工地下管线保护、地层扰动控制及"单洞双线"地铁隧道盾构选型等提供参考。