A Model of Shield Jack Thrust to Shield Attitude

The attitude of the shield tunneling machine (or "shield" for short) during tunneling is important to tunnel excavation and construction quality, which results from a combination of jack thrust, ground displacement around the shield, and ground mechanics parameters, etc. A shield attitude model involving elements above was proposed. In this model, ground displacement was taken to calculate the load around the shield. Ground mechanics parameters were involved. Based on the shield load model, the needed jack thrust for shield desired attitude was derived. The proposed method is validated using engineering data, and lays reliable foundation for shield attitude control.

小半径曲线段盾构隧道掘进过程中地表变形规律

依托西安地铁2号线正阳大道—北客站区间小半径曲线段盾构隧道工程,通过现场监测和数值模拟,分析了考虑千斤顶不对称推力和曲线内侧土体超挖情况下,小半径曲线段盾构隧道掘进过程中地表变形规律及曲线半径对地表竖向位移的影响。研究结果表明:在盾构掘进过程中开挖面前方22.1 m附近地表轻微隆起;隧道纵向地表沉降最大值出现在开挖面后方12 m处;隧道横向地表沉降槽呈非对称分布,曲线内侧地表沉降大于曲线外侧,沉降槽中心线向曲线内侧偏离隧道轴线,偏移距离为5.5 m;曲线半径主要影响开挖面后方地表沉降,隧道纵向、横向地表沉降最大值均随曲线半径减小而增大,曲线半径超过350 m后,半径变化对开挖面后方地表沉降影响较小。

小曲率半径盾构隧道施工中辅助油缸千斤顶推力计算模型研究

在小曲率半径隧道盾构掘进施工时,千斤顶推力的作用会导致管片发生偏移和错台,从而引发安全事故的产生。为有效解决小曲率半径盾构隧道施工过程中由于千斤顶推力而对管片造成的不利影响,通过分析双模盾构机的掘进模式,建立了盾构隧道在掘进开挖过程中的辅推油缸千斤顶推力的计算模型,并将其应用于工程实践,对千斤顶推力进行计算分析,提出了减少或避免千斤顶推力对管片造成的不利影响的相关措施。研究结果表明:(1)双模盾构施工过程中,不同施工区间的辅推油缸千斤顶推力的取值有所不同,应根据工程实际情况确定该推力值。(2)单模盾构施工过程中,辅推油缸千斤顶推力随着贯入度的增大而增大,且增大速率呈逐渐减小的趋势。(3)提出依次从施工纠偏、管片拼装控制、掘进参数合理选取、盾构机姿态控制、盾构机推力控制、隧道纵向刚度的设置和管片质量等来控制和减小千斤顶推力对管片造成的不利影响,保证盾构施工的安全性,为类似工程的建设提供理论指导和参考。

复杂环境下矩形顶管顶进合理参数确定

顶管顶力作为顶管工程中施工的重要参数,顶推力的大小直接影响管片强度、后背墙的设计强度、千斤顶的选择,间接控制了工程成本、施工安全。顶力预测过大,管片、后背墙设计强度过高,工程不经济;顶力预测过小,后背墙强度无法满足要求,无法进行施工。本文以上海市轨道交通18号线沈梅路站为工程背景,采用有限差分软件FLAC3D对复杂环境条件下矩形顶管顶进过程进行数值模拟分析,确定矩形顶管顶力大小与顶管顶进过程中受到的摩阻力和顶进距离的关系。

盾尾千斤顶推力与盾构机转角匹配关系研究

盾构机相对管片轴线发生偏转会导致撑靴与管片的接触状态劣化,出现应力集中;为保障管片结构安全,盾构机发生偏转后千斤顶的推力上限应有所减小。基于混凝土局部受压承载力特性,分析了盾构机发生偏转时盾尾千斤顶撑靴与管片接触作用模式的演化,建立了基于局部受压条件下管片结构安全的盾尾千斤顶推力与盾构机转角的匹配关系,给出了盾构机转角与千斤顶推力上限的理论关系式。应用该理论计算模型,给出了福州一地铁隧道工程中千斤顶推力和盾构机偏转的匹配控制值,实际推进效果表明该控制方法有效。

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。

浅埋超大直径盾构隧道千斤顶推力对衬砌管片受力变形的影响研究

为研究浅埋超大直径盾构隧道在不同千斤顶推力及偏移作用下的衬砌结构受力及变形规律,运用有限元软件ABAQUS建立考虑水土压力、盾尾刷反力、千斤顶推力的盾构隧道衬砌管片三维模型,并分析衬砌管片在盾构直行、上行、下行以及左行条件下发生偏角时的衬砌内力及变形情况。结果表明:1)千斤顶推力对衬砌管片的影响范围主要为前8环,明显反应在前3环,且环内最大错台位置主要集中在封顶块位置附近;2)盾构掘进方向主要影响该方向的管环位移,对垂直方向的管环位移基本无影响;3)拱顶/拱底主要受俯仰偏角影响,不受横摆偏角作用,拱腰则对横摆偏角更为敏感,受俯仰偏角影响较小;4)当千斤顶发生俯仰偏角时,向下偏角极易引起前几环管片的应力激增;5)当千斤顶发生横摆偏角时,同侧偏角更易引起该侧管片的位移及应力激增。

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。

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。

顶管矩形工作井复合式后背墙反力分布研究

顶管工作井在顶进施工过程中受力复杂,主要表现在:确定千斤顶推力在内部结构、围护结构和后背墙外侧土体之间的作用力是如何传递,土体变形对墙背土体抗力发挥的影响以及其对结构内力计算分析的影响。对现有顶管工作井计算方法进行归纳基础上,通过对工程算例建立数值计算模型,求证了后背墙各部分反力在宽度和深度方向上的分布规律,为探求一种合理简化更加接近实际的顶管复合式后背墙结构计算方法提供参照。

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。

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。

多跨矮塔斜拉桥合拢顺序对主梁内力及线形的影响

以江肇高速公路西江特大桥为背景,研究合拢顺序对主梁内力及线形的影响。通过设计两种不同的主梁合拢方案,分别计算其所需的顶推力和相应结构的变形,从顶推的可操作性及线形的可控制性等角度进行比选,得到了该桥较为合理的合拢方案,并在此基础上制定相应的合拢措施。

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。

浅埋矩形顶管群密贴施工的顶推力分析研究

为明确矩形顶管群密贴施工中顶管顶推力的发展规律与影响因素,以圆形顶管顶推力计算理论为基础,依托实际的试验工程背景,分7个工况分别进行顶推力的统计分析。通过多工况理论估算与实测数据对比,验证管顶推力的实测值与理论值在规律上的一致性,同时得出该理论值较实测值偏小的结论。针对试验工程中出现的减摩失效、顶管背土、姿态异常等问题展开研究,通过对比分析不同工况实测顶推力发展规律,最终得出:就本工程而言,减摩泥浆的减摩效果明显,顶推力减小约38.2%;顶管背土与顶管姿态对顶推力具有较大的负面影响,其中,顶管背土导致每节顶推力增加约16.7%,顶管姿态异常引起顶推力额外增加17.8节的理论推力。

非对称推力作用下盾构隧道附加响应的解析解

在盾构曲线掘进或纠偏时,盾尾非对称推力会在隧道端部产生一附加弯矩,该附加弯矩会引起隧道纵向变形、环间错台等施工病害。基于弹性地基梁理论,将盾构隧道简化为Winkler地基中的Timoshenko梁,建立了非对称推力作用下盾构隧道附加响应的解析计算模型,推导了隧道纵向变形和内力的解析解。采用有限元方法对解析解的正确性和适用性进行了验证,探明了解析模型关键参数的敏感性,进一步讨论了附加弯矩的影响范围和盾构推力的二阶效应。研究结果表明:所建立的解析模型是可靠的,对非对称推力作用下盾构隧道的附加响应分析具有良好的适用性;地基刚度和隧道刚度对隧道纵向变形的影响较对内力的影响更为显著;附加弯矩影响范围对地基刚度的变化更为敏感,两者之间呈指数型衰减关系;盾构推力提升了隧道的纵向抗弯刚度,而其产生的二阶效应的影响较低,在较低的隧道抗弯刚度和地基刚度条件下,轴力的二阶效应有所增强。

拱桥顶升的方案选择与顶升过程的受力分析

结合湖南某拱桥整体顶升工程,通过4种顶升方案的对比提出了全过程接触限位拱桥顶升方法。在顶升全过程中,与桥体两端全过程接触的竖向限位柱不仅能够提供纵横向的有效限位,同时能抵抗拱脚产生的纵向水平推力。详细分析了桥体与限位柱的协同受力原理,并采用MIDAS/Civil有限元软件模拟顶升过程,分析了桥体水平推力、应力、变形随顶升高度的变化规律,得出顶升最不利位置为顶升最高点,但托换平台最不利工况为初始顶升位置。分析表明,限位柱刚度对桥体内力影响较小,对变形影响略大;限位柱接触面摩擦系数对桥体、限位柱内力影响不大,但对托换平板影响显著。工程中宜采用较大限位柱刚度,尽量减小界面摩擦力。

古建筑顶升托换钢梁力学行为分析

对古建筑整体顶升工程托换结构施工中钢箱梁的顶推过程进行研究,重点分析了千斤顶的顶推力,托换钢箱梁的受力和变形特征。结果表明:千斤顶顶推力的理论计算结果与现场实测结果基本一致,有限元分析可以模拟工程实际;千斤顶最大顶推力随着顶推深度的增加而上升;托换钢箱梁在千斤顶顶推工作过程中不会破坏,能够满足强度要求;掏土后钢箱梁上下钢板的变形较小,能够满足刚度要求。

泥水平衡顶管技术在商周高速穿越工程中的应用

泥水平衡顶管技术被广泛用于穿越铁路、公路、河流等地下管线工程中,并在我国南水北调工程中发挥重要作用,但在施工中也出现了长距离施工减阻和轨迹精度控制等难题。结合商周高速顶管穿越工程,探讨了顶管机选型、注浆参数、顶进力估算和轨迹纠偏等关键技术。通过对顶力计算值与实测值的对比表明工程采用的润滑泥浆的减阻效果明显,有泥浆润滑时(15m后)的摩阻力约为无润滑时(15m前)的11%,实际的总顶进力约为计算值的9%。利用激光全站仪对掘进机头的轨迹偏差的分析结果表明:机头的水平轨迹偏差很小,且无明显规律;机头的下沉可能会导致轨迹容易向下偏斜。

超大断面矩形顶管减阻技术在郑州市下穿中州大道隧道工程中的应用

郑州市下穿中州大道隧道工程采用矩形顶管法进行施工,顶管段具有断面超大、覆土浅、间距小、推进距离长、未采用中继间等特点,顶管推进推力大。为有效控制顶管推力,研究了注浆孔布置、触变泥浆配制、注浆管路优化设计和管节表面涂蜡等顶管减阻技术。结果表明,本工程采用的减阻技术效果良好。