复杂环境下矩型顶管设计全过程关键技术总结

太原地铁2号线长风街站矩型顶管过街通道工程具有以下特点,顶进距离较长、地层敏感且富水、下穿城市高架桥同时近距离并行上跨既有盾构区间隧道。依托该工程,该文对复杂环境下矩型顶管通道全过程设计要点、关键技术措施、工程影响评价进行分析和总结。工程实践证明在做好这些设计要点、关键技术措施的前提下,该种复杂环境条件下设计采用顶管工法是安全可靠的,具有很大的社会经济效益。

矩形顶管隧道邻近刚性管线施工安全距离研究

针对顶管隧道邻近刚性管线施工安全距离问题,借助有限差分程序和梁—弹簧模型,采用两阶段法,对净空2.6 m×2.4 m矩形顶管电缆隧道在软黏土地层施工时土体变位特征进行研究,分析顶管平行下穿地下刚性管线时管—隧净距、管材和管径对刚性管线最大拉应力的影响,并根据服务年限对管线强度控制标准进行了修正,确定顶管下穿管线的安全施工距离。结果表明:管线最大变形曲率与最大拉应力随着顶管与管线间距的增大呈指数性衰减;同种材质下,管线管径越大,施工扰动导致的最大拉应力越大;管—隧净距及管线管径一定时,钢管的最大拉应力最大,球磨铸铁管其次,灰口铸铁管最小。

平行顶管施工在城区综合管廊中的应用研究

文章基于南京某新城综合管廊工程,介绍了平行顶管法施工管廊设计要点,采用有限元数值模拟方法分析平行顶管法施工对周边环境的影响。结果表明,不同顶管顺序会影响土层变形量,应合理选择多线顶管的顶进顺序,并结合分析结果提出平行顶管施工全过程的控制措施,以达到因地制宜、降低对构筑物及周边环境影响的目的,可为类似工程提供参考。

双线平行顶管上跨地铁盾构隧道施工环境影响实测分析

基于现场实测数据,详尽分析了某粉砂性地层中近距离双线顶管从上方穿越既有运营地铁隧道过程中的环境影响,包括横向地表沉降分布、沉降随时间发展、地铁隧道上浮等规律.研究发现:单线顶管横向地表沉降曲线呈现为“V”形,双线顶管横向地表沉降曲线为不对称“W”形,且后行顶管轴线上方的地面沉降大于先行顶管;后行顶管施工期间,先行顶管轴线上方地面也产生明显沉降.Peck公式在顶管施工引起的地表沉降曲线预测中适用性较好:案例中对于单线顶管,沉降槽宽度参数为0.79,土体损失率为1.6%;对于双线顶管,先行、后行顶管的沉降槽宽度参数分别为0.74和0.58,前者是后者的1.28倍;先行、后行顶管土体损失率分别为2.41%和3.11%,后者是前者的1.29倍.顶管顶进使下卧地铁隧道的纵向产生“W”形竖向位移分布曲线,顶管穿越完成后隧道的上浮存在滞后性;平行顶管上跨施工对下方地铁盾构隧道的纵向影响范围约为4~6倍顶管管径.后行顶管穿越监测断面时产生的瞬时沉降大于先行顶管;采用全方位高压喷射(MJS)工法预加固隧道上方粉砂土时降低了原状土的渗透性,顶管穿越后地面沉降仍将持续一段时间,可采用指数函数描述瞬时沉降发生后沉降随时间的发展规律.

复杂环境下长距离并列顶管通道的研究与实践

结合上海市轨道交通L15上海南站换乘站建设工程实例,阐述软土地区复杂环境下长距离并列顶管通道的研究与实践。利用复合管节侧向开洞实现长距离顶管安全疏散口设置与实施,利用SMW工法桩进行首排劲性加固解决顶管出洞加固的场地受限问题。采取分阶段专项措施有效控制并列顶管顶进对紧邻既有桥桩变形的叠加影响,利用分段吊离技术克服接收井的尺寸限制难题。经实践,长距离并列顶管通道在软土地区具备可实施性。

超大管径平行顶管工艺在综合管廊中的应用研究

为解决综合管廊建设中面临的穿越现状水系的难题,文中以厦门市新机场蔡厝片区某工程为实例,结合综合管廊的技术要求和顶管工法的特点,介绍了大断面长距离浅覆土平行顶管的设计要点,包括掘进方案、管节防水、沉井设置等内容,实现了指导作业施工、确保工程安全质量的目的,以期为类似非常规项目提供技术借鉴。

平行顶管施工引起的地面变形实测分析

对海相沉积的欠固结土中水平平行顶管施工引起的地面变形规律进行分析,提出地面横向和纵向扰动区范围及工后沉降的计算方法。研究结果表明,水平平行顶管施工时中间区域受到双重扰动,产生的地面沉降较大。由于先建顶管施工对周围土体产生的扰动会使后建顶管施工时产生的扰动加剧,在同样条件下,后建顶管引起的最大地面沉降值与沉降槽宽度都要大于先建顶管。平行顶管施工产生的地面沉降主要由土体损失、受扰动土体再固结和次固结引起,土体受扰动后产生的超孔隙水压力是导致工后沉降的原因,在欠固结土中工后沉降与时间基本成对数关系。

水平平行顶管引起的地面沉降计算方法研究

对水平平行双线顶管之间的相互作用进行了分析,提出了横向扰动区范围的计算公式。考虑先施工顶管对后施工顶管的影响,提出了一种新的后施工顶管地面沉降计算方法,并给出算例分析。分析表明,水平平行顶管施工时由于中间区域受到双重扰动,会产生较大的地面沉降。当两顶管轴线距离较近时,由于先施工顶管对周围土体产生的扰动会使后施工顶管产生的扰动加剧,后施工顶管引起的最大地面沉降值和沉降槽宽度都要变大,且地面沉降曲线是不对称的,其最大沉降点要偏向先施工顶管侧,但仍然可以采用Peck公式进行计算。

水平平行顶管相互影响试验研究

通过建立平行顶管试验模型,模拟了单管顶进和水平平行顶管的施工过程,研究并分析了水平平行顶管相互影响。研究表明:后顶管作用于先顶管上的附加应力是一个随后顶管移动而动态变化的过程,且最大值由后顶管机头所在位置决定;后顶管对先顶管所产生的附加应力随环向的分布并不是完全关于0°位置对称,表现出管道水平以下部分要大于管道水平以上部分;平行顶管顶进时引起的地表沉降要大于单顶管引起的地表沉降,且最大沉降点会由先顶管一侧逐渐转向后顶管一侧,表现出了累计效应。

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。

浅覆土大断面小间距矩形顶管施工的环境效应

深圳华强北至华新地铁站区间通道工程采用矩形顶管机施工,具有大断面、小间距、浅覆土、上穿地铁隧道、下穿多条地下管线、多条顶管平行施工等特点。文章通过建立数值模型,对注浆压力和机头作用的模拟方法进行了讨论和改进,分析了顶管施工对周边环境的影响。计算结果表明,矩形顶管施工引起的地表沉降槽同样符合Peck公式,土体损失在地层位移的形成中起主导作用;随着多条顶管先后施工,地表沉降槽从V型分布向W型分布转变,地铁隧道竖向位移不断叠加;管棚的支护作用有效减小了地表变形和地下管线变形。

并行顶管不同纵向间距下施工数值模拟分析

顶管工程作为非明挖施工手段,如今不断向着直径大型化,顶进距离超长化和多顶管同时施工的方向发展。首次考虑并行顶管同时施工时,由纵向间距的不同而引起的土体沉降。通过ABAQUS软件建立三维有限元模型,分别对一孔顶管单独施工下地面沉降变化和两孔并行顶管在不同纵向间距下施工引起的地面沉降进行数值模拟,并通过Peck公式和双圆叠加模型对结果进行验证。分析结果表明:得到的地面沉降曲线符合Peck沉降曲线;当并行顶管同时施工时,纵向间距对地面的沉降值有重要影响;随纵向间距的增加,并行顶管施工引起的地面沉降也逐渐增加;后行顶管开始施工时会引起地面的急剧下沉;两顶管无纵向间距施工时引起的地面沉降值最小。

超小净距矩形顶管隧道群施工力学研究

在繁华城区超小净距平行矩形顶管隧道群施工过程中,管节结构及其与地层土体间的受力状态对施工安全和结构优化至关重要。为此,文中依托某城市下穿主干道顶管隧道群工程,通过现场实测顶进施工过程中管节结构及其与土体之间的受力大小,研究了管节结构与土体之间的受力规律、管节结构的纵向受力状态,同时分析了先、后施工情况下,相邻管节结构之间的受力影响。研究结果可应用于繁华城区超小净距矩形顶管隧道群的结构设计和施工控制,具有很大的实用价值。

顶管施工模型试验系统研发与应用

针对顶管施工产生的施工扰动问题和现有模型试验设备的不足,研发对管壁注浆压力、土仓压力和土体损失率能进行精确控制的室内顶管模型试验系统,并以海口给排水管网改扩建工程为背景,通过管线预埋的方式研究近间距顶管顶进对既有管道和地表竖向变形的影响。研究结果表明:研发的室内模型试验系统可以精确控制管壁注浆压力、土仓压力和土体损失率,试验系统得到的数据正确可靠;顶管顶进时会对既有管道产生附加应力,但附加应力远小于围岩应力,实际现场中无需考虑附加应力对管片承载的影响;现场顶进施工需对机头的切削速率和顶进速率进行协同调控,且严格控制出土速率,从而实现对地表竖向变形的有效控制。可为今后现场平行顶管施工提供有效指导。

大断面矩形顶管上跨施工对既有地铁隧道变形影响研究

大断面矩形顶管上跨既有地铁隧道施工过程中,由于近距离开挖出土卸荷,导致既有地铁隧道产生上浮变形,危及地铁运营安全。本文以北京市通州区畅和西路(兆善大街—潞阳大街)综合管廊矩形顶管工程为背景,采用FLAC^(3D)有限差分软件建立了大断面矩形顶管上跨既有地铁隧道的三维数值模型,研究了双线矩形顶管上跨施工引起地铁隧道上浮的变形规律以及采用不同抗浮配重对既有地铁隧道的变形影响,并将模拟结果与现场监测数据进行对比,验证了数值模型的准确性。研究结果表明:双线顶管上跨施工引起地铁隧道的上浮变形大于单线顶管引起的上浮变形,且最大上浮变形均位于顶管隧道轴线处;施加与开挖损失土体近似重量的配重,可改变地铁隧道原有水平变形规律,导致先穿越的地铁隧道整体向始发井方向移动,后穿越的地铁隧道整体向接收井方向移动。随抗浮配重的增加,地铁隧道上浮位移减小,所受拉应力减小,且施加开挖损失土体重量50%的抗浮配重,可以将地铁上浮变形控制在1.4 mm以内;研究成果为该工程地铁隧道抗浮设计提供了参考依据。

大直径水平平行顶管穿堤施工及控制

以某穿越海堤水平平行顶管工程为例,在施工方案优化分析的基础上,详细地介绍复杂地质条件下长距离大直径水平平行顶管施工技术,并对顶管施工引起的地层变形进行现场监测与分析,提出顶管顶进施工过程中土体扰动特性的变化规律。保证了施工安全与顺利进行,并提出相应的变形控制措施。

双线平行顶管在不同间距下施工的模型试验与数值模拟分析

在双线平行顶管的施工过程中,间距的改变对地表沉降曲线有着重要的影响。通过室内模型试验与有限元模拟相结合的方法研究了不同间距条件下双线平行顶管施工所造成的地表沉降规律。通过对地表沉降数据的再处理,获得了不同间距下先施工顶管对后施工顶管所造成的附加沉降曲线的一般规律。研究结果表明:当两平行顶管间距较近时,由于先施工顶管对后施工顶管所施加的扰动作用,导致两顶管中间区域沉降值非常大,此时总沉降曲线符合正态分布,附加沉降曲线也符合正态分布;随着两平行顶管间距增大,顶管间的影响逐渐减小,中间区域的地表沉降明显减小,地面沉降曲线形状也由"V"形向"W"形过渡,峰值出现在两个顶管轴线处。

平行顶管施工相互影响数值模拟

基于某地面水厂管线工程,为研究平行顶管施工对地表变形的影响,通过建立Midas三维数值模型模拟平行顶管先后顶进过程,分析其地表横向面和纵向面的变形规律及顶管先后施工引起的相互变形影响.结果表明:顶管施工对地表产生的影响总体表现为沉降变形;随着顶管顶进不同距离,地表横向断面上的变形曲线呈“凹”形变化规律,最大变形都发生在中轴线上,最大沉降点由左顶管一侧逐渐向右顶管一侧转移,整个顶进过程最大变形为右顶管通过其监测断面时,沉降值为14.6 mm;在纵向变形方面,右管顶进时,左管土体上方的最大沉降值由9.69 mm变成16.39 mm,说明平行顶管顶进时引起的地表沉降要大于单顶管引起的地表沉降.

大直径四排平行顶管地表沉降数值模拟研究

海口市美兰机场二期扩建场外排水顶管工程具有大直径、近间距、多排平行等特点,针对多排平行顶管中先施工顶管对后施工地表沉降的扰动问题,使用数值模拟软件建立三维模型,模拟先后施工顶管引起地表沉降的差异,得到了多排平行顶管施工引起的地表沉降规律。研究结果表明:在多排平行顶管施工的过程中,位于中间的后施工顶管的沉降要小于两侧的先施工顶管地表沉降;数值模拟结果与工程实测数据相吻合。

超大直径平行双线顶管施工引起的地表变形分析

近年来随着南干线、青草沙等工程的建设,顶管技术在上海市管道施工领域有了突破性发展。但是,顶管施工过程中掘进机刀盘切削土体势必会引起管道前方土体的受力变形,影响周围环境的安全,也成为了该类工程质量安全监督工作的重点及难点。结合多年监督工作,以上海市某污水干管工程DN4000超大直径、平行双线钢筋混凝土顶管为例,分析了顶管施工造成地表扰动的规律,为今后类似工程提供参考。