Effect of Application of Pipe Roof Method by Using Pipe Jacking on Behavior of Surrounding Soil

Tunnels in an urban area, in many cases, are constructed in soft ground which contains underground water, near existing facilities and structures. Structural stability for the tunnel and also the nearby structures and facilities is vital in this kind of work. Slurry pipe jacking was firmly established as a special method for the non-disruptive construction of underground pipelines of sewage systems. This method utilizes mud slurry that is formed around the pipes in order to stabilize the surrounding soil. In the pipe roof method the tubing elements that are constructed by slurry pipe jacking are near each other longitudinally, and create a rigid and stable lining before the excavation of the main tunnel. This paper discusses ＇the application of a slurry pipe jacking system on ＇the pipe roof method by means of numerical analysis. Because of the rigid behavior of the lining, the results show little subsidence, making this method a reliable method of constructing large tunnels with small cover in an urban area.

World’s first implementation of close-fit pipe jacking of twin tunnels for construction of subway station--Innovation in equipment and construction technology

1 Project overview The Shasan station of Phase II of Shenzhen’s urban rail transit Line 12 is situated in Bao’an District,Shenzhen.It comprises a two-level underground island platform station,measuring 212 m in length,and 22.6 m in width,with an overburden thickness of about 7.0 m.Fig.1 illustrates the presence of a large underground reinforced concrete stormwater culvert,measuring 11.5 m by 3.6 m,traversing the station’s center.

下穿通道施工全过程对既有地铁隧道变形的影响

为研究下穿通道施工全过程对邻近既有地铁隧道的变形影响,以郑州市金水路(西三环至东四环)项目东明路行人非机动车下穿通道工程为背景,采用有限元软件Midas GTS建立三维数值模型,分析顶管及基坑施工过程对既有地铁隧道的变形影响;总结了新建下穿通道施工全过程对邻近既有地铁隧道的水平位移和沉降变化特征,并将模拟值与工程监测数据进行对比分析,验证数值模型的可靠性。结果表明:下穿通道工程施工全过程中诱发地铁1号线隧道的最大水平位移为0.52 mm,最大竖向位移为2.12 mm,既有地铁隧道的水平位移及竖向位移最大值均满足控制标准。本文研究成果可为类似工程的设计、施工和监测提供一定的参考和借鉴。

基于非连续介质力学的多刀盘矩形顶管掘进性能分析

为探明多刀盘矩形顶管的掘进性能,基于非连续介质力学,运用离散元数值建模的手段,建立全尺寸的多刀盘矩形顶管掘进三维离散元模型。模型中考虑刀盘群切削、螺旋输送机排土等多种动态过程,分析刀盘组转动速度对顶管机掘进性能的影响。通过对比分析现场实测与数值计算的刀盘扭矩值,验证了数值模型的有效性与可靠性。研究结果表明,在刀盘群的旋转切削作用下,刀盘附近渣土颗粒的流动性优于土仓内渣土颗粒的流动性,除了靠近刀盘中心区域的渣土颗粒外,其他位置渣土颗粒流动性较好。后置刀盘组的切削作用有利于渣土从土仓向螺旋输送机流动,因此后置刀盘应尽可能靠近螺旋机入口位置布置。刀盘组中两侧刀盘承受的土压力略高于中心的刀盘,且作用在中心鱼尾刀具和辐条周围区域上的压力相对较高。在砂质粉土地层中,考虑到经济与环保效益,刀盘组转速建议控制在2 rpm左右。研究成果可为类似矩形顶管掘进工程的刀盘布置与掘进参数设置提供合理的参考与借鉴。

反拉式顶管法施工联络通道对地铁盾构隧道力学性能影响

为探究采用反拉式顶管法施工盾构隧道联络通道过程中主隧道的力学响应机制,依托北京地铁某盾构区间,建立模拟联络通道施工过程的有限元模型,通过与现场监测数据对比验证模型的准确性。继而研究联络通道施工对主隧道管片间错台位移、特殊管片应力及变形、螺栓受力的影响,并分析反力模式对主隧道管片力学特性的影响。结果表明:1)始发管片破除对主隧道力学性能影响较大,随着联络通道进一步开挖,主隧道受力和变形缓慢增大。2)管片间最大错台位移为1.17 mm,发生在特殊管片与普通管片接缝底部。特殊管片最大拉应力为18.6 MPa,出现在开口的顶、底部;最大压应力为27.0 MPa,出现在开口的腰部;最大横向扩张位移和竖向收敛位移分别为2.13 mm和4.56 mm。主隧道管片环间螺栓最大拉应力为213 MPa。3)背推式反力模式更利于控制开口处的横、竖向位移,反拉式反力模式更利于控制开口对面管片应力变形及其接缝处错动位移。

矩形顶管临近地铁施工地表变形特性

伴随城市地下空间的利用与开发,对于矩形顶管工程的应用愈加广泛,为探究临近地铁隧道情况下,矩形顶管近距离施工时地表的变形规律,依托顶管工程,利用MIDAS-GTS-NX软件进行顶管施工全过程模拟,分析了各施工参数数值的改变对地表变形的影响。结果表明:(1)顶管顶进过程中,顶管机刀盘前方土体受挤压产生隆起变形,后方因地层损失以及出土卸荷而出现地表沉降,开挖面处地表隆起变形较大,地层扰动明显;(2)在一定范围内,增加掘进压力可以有效维持掌子面稳定,减小地表沉降,降低对周围建筑及临近地铁造成损害的风险;(3)增大注浆压力可以控制土体扰动,减小地表沉降,但本工程条件下,超过140 kPa会出现过度补偿作用,反而增加地表沉降;(4)摩阻力相对于掘进压力与注浆压力对地表变形的影响较小,但地表整体沉降反映出随摩阻力增大而增大的趋势。

双线矩形顶管上穿施工对地铁盾构隧道影响分析

针对新建矩形顶管上穿作用下盾构隧道结构受力和变形特点认识不足的问题,以双线矩形顶管综合管廊上穿地铁盾构隧道工程为背景,通过建立三维有限元模型,研究既有盾构隧道在双线矩形管廊上穿施工诱发下的管片及其接头变形机制.首先,构建接头受力-位移的关系模拟管片间接头的受力变形过程,并以管环承载性能足尺试验验证其有效性.然后,依托工程实例,进一步建立盾构隧道结构-地层三维有限元模型.最后,对比现场监测和数值模拟的结果,全面分析盾构隧道纵向变形、环间错台和接头剪力等规律.研究结果表明:首次穿越的综合管廊诱发的盾构隧道隆起占据主导,而二次穿越的低位箱涵对最大隆起量贡献仅为9%;主要穿越区内管环呈现竖椭圆化收敛变形,拱顶隆起位移最大,分别为拱腰和拱底的1.15倍和1.35倍;盾构隧道沿纵向的隆起曲线呈现“阶梯状”,隆起位移主要以管片环间受剪切产生的错台为主,其中拱顶错台量最大,为拱腰和拱底的1.1倍和2倍;穿越影响区内管片环间接头剪切力呈现非均匀分布,拱顶和拱腰遭受较大剪力,而拱底所受剪力最小;穿越区边缘位置管片环间接头剪切力最大,约为穿越中心区管片环间接头剪切力的2.6~2.8倍.相关研究成果可为新建隧道上穿盾构隧道保护与监测提供支持.

浅埋矩形顶管施工对临近管线与地表的影响研究

矩形顶管施工引起的地表变形特征与圆形顶管或盾构隧道存在显著差异。为了明确浅埋矩形顶管施工过程中的地表沉降特征以及顶管施工对下方既有盾构隧道的影响,根据现场矩形顶管施工监测结果,分析矩形顶管施工过程中地表的变形规律,以及顶管下方既有盾构隧道的变形情况。传统的Peck公式适用于圆形顶管或圆形盾构隧道,因此采用改进的Peck公式来描述矩形顶管引起的地表变形特征;根据现场监测分析顶管施工引起的地表变形、管线变形和下卧隧道沉降规律。研究表明:改进的Peck公式相比于传统的Peck公式可以准确描述矩形顶管施工引起的地表变形规律;顶管施工引起地表和上方管线的沉降规律是一致的,但与下卧隧道的变形规律存在显著差别。

同一始发井内顶管双向顶进后背体系设计与施工技术

针对地下管廊工程中进行两段及以上顶管作业的情况,基于南昌市丹霞路道路及综合管廊工程EPC项目顶管工程实例,对在同一始发井内同时进行双向顶管作业技术进行分析研究。建立数值计算模型,对相关结构体系受力进行分析,并结合有限元数值模拟的方法,对不同施工顺序下的受力特性进行对比。结果表明:在相同荷载下,顶推一侧两舱时后背墙受到的最大弯矩较对称顶进时大,后背体系结构在各工序下均满足受力与稳定性要求。揭示了在较大顶管始发井内采用肋板式后背墙作为背部支撑、通过钢套箱后靠背分配主顶油缸反力、同时设置双排双向后背体系方式的可行性。进一步提出后背墙结构的施工与拆除技术,并通过实际工程中后背墙变形监测验证了实施效果。

地铁车站矩形顶管壳-接头理论模型及纵向变形

针对矩形顶管隧道易受影响产生纵向变形、进而引发接头破坏的问题,提出一种矩形顶管隧道壳-接头理论模型,并以此研究隧道在不均匀沉降作用下的纵向变形。首先,通过室内模型试验,探究矩形顶管隧道接头力学特性;其次,建立壳-接头理论模型,给出接头力学元件的刚度矩阵及其计算方法;然后,建立数值模型,并与室内模型试验结果进行对比;最后,依托20环管节的矩形顶管隧道工程实例,研究不均匀沉降作用下的隧道纵向变形。结果表明:接头破坏表现为闭合间隙、钢套环受力和变形破坏3个阶段,接头的抗剪和抗弯均由钢套环承担;壳-接头理论模型的模拟计算结果与模型试验结果较吻合,验证了模型的实用性和准确性;矩形顶管隧道的纵向变形受地基刚度影响显著,砾砂、粉砂和黏土3种地层对应的隧道最大附加沉降分别为3.72,7.66和12.14 mm,随着地基刚度的减小,隧道接头受不均匀沉降的影响将会增大。

矩形顶管隧道F型承插接头剪切刚度分析

矩形顶管F型承插接头属于柔性接头,地表超载、地基不均匀沉降等极易导致管节间出现剪切错台变形,进而引发隧道工程灾害。基于目前研究中对该种接头剪切力学特性尚不清楚的现状,考虑矩形顶管隧道F型承插接头构造特征,结合室内接头试验和ABAQUS三维精细化数值模拟,针对接头在剪切荷载下的破坏过程、刚度特性及影响因素等问题开展研究。结果表明:矩形顶管接头发生剪切破坏时,受载管节呈中心对称破坏;不同地层中接头的剪力-剪切位移曲线均分为建立接触阶段、钢套环翘曲阶段和焊缝开裂3个阶段,地基刚度越大时,其相对剪切刚度越大;钢套环厚度和宽度增加时,刚度系数值随之提高;随着钢套环宽度、厚度增大,接头抗剪能力随之提高,但提高的幅度有限,不同厚度、宽度钢套环的屈服阶段刚度系数约为弹性阶段的60%~70%。

浅埋大直径钢管幕施工方案及其影响分析

[目的]浅埋管幕施工会对地层产生扰动,引起地面变形,因此,需研究管幕结构顶进顺序对地面沉降的作用规律,以减小管幕群管顶进对软土地层的扰动。[方法]以合肥市庐州大道浅埋隧道段工程为例,对钢管幕顶进施工地面沉降情况进行监测;结合有限差分模型,分析钢管幕顶进顺序对地面沉降的影响。根据监测数据、顶进实际工况和有限差分模型,分析不同钢管幕顶进施工方案对地面变形的差异化影响,优化钢管顶进顺序。[结果及结论]相较于上排钢管,下排钢管的顶进施工对地面沉降的影响更大;整体钢管幕的顶进施工方案宜先顶进上排钢管,然后顶进两侧竖向钢管,最后顶进下排钢管;横向钢管的顶进施工应从中间开始,然后依次交替顶进,两侧竖向钢管从上至下顶进,同一水平高度的钢管同时顶进。

钢管幕埋深及顶进顺序对地表变形的影响

依托合肥市滨湖科学城庐州大道浅埋隧道段工程,利用有限差分软件FLAC 3D对不同埋深及顶进顺序下钢管幕顶进施工过程进行模拟。结合模型计算结果和监测数据分析,总结钢管幕埋深与顶进顺序对地表变形的影响。结果表明,先上后下的顶进方案优于先下后上的方案,上部钢管的存在会减小下部钢管顶进对地表变形的影响;钢管的埋深越大,对于地表变形的影响也越大,下部钢管的顶进会扩大沉降范围和沉降值,上部钢管的顶进会使地表产生小幅隆起;从上至下依次顶进的方案为确定的最优方案,随着钢管顶进数量的不断增加,地表沉降量不断扩大,地表变形曲线从V形向W形转变,表明浅部钢管对地表变形有一定的控制作用。

考虑上浮效应的顶管施工引起下方盾构隧道响应简化分析方法

新建顶管上穿施工会引起下方既有盾构隧道纵向隆起位移,影响地铁的正常运行。大直径顶管在注浆充足或在地下水位以下顶进时上浮效应不可忽略,而目前的简化分析方法尚未考虑此效应。采用两阶段法,将既有隧道视为Pasternak地基上的Euler-Bernoulli梁,提出考虑上浮影响的土体非均匀收敛模式下,新建顶管上穿施工引起下方既有隧道响应的简化计算方法。研究表明,均匀土体收敛模式、下沉的非均匀土体收敛模式会低估顶管下方的土体自由位移、既有隧道的纵向位移响应,与工程实测数据的对比验证了所提方法的合理性。进一步参数分析表明,降低土体损失率能有效减少既有隧道竖向位移与弯矩,且土体损失率与既有隧道最大竖向位移和最大弯矩呈线性关系;既有隧道与土体的管土刚度比的增大可减小既有隧道竖向位移,但也会增大隧道管片弯矩;增大顶管与既有隧道竖向净距有利于既有隧道竖向位移与弯矩的控制,实际工程应根据既有隧道的保护要求和顶管的上覆土厚度要求选择合理的净距。

新建市政隧道下穿多线运营铁路施工地表沉降研究——以郑州火车站操场街隧道工程为例

新建隧道近距离下穿运营铁路施工安全风险高,易导致上方运营铁路路基、轨道变形,影响列车行车安全。为降低施工风险,减少对运营铁路的影响,以郑州火车站操场街隧道工程为研究背景,基于有限元数值模拟,分析矩形顶管法和管幕暗挖法施工引起的运营铁路路基沉降变化。并对矩形顶管法和管幕暗挖法进行施工工艺、施工进度、沉降控制等多方面的综合比选,给出新建隧道下穿既有运营铁路安全施工方案。研究表明,运营铁路与新建隧道正交时,隧道正上方铁轨沉降最大,隧道中心点两侧铁轨沉降呈对称分布;矩形顶管法施工铁轨累计沉降值最大为5.6 mm,管幕暗挖法施工铁轨累计沉降值最大为4.04 mm,管幕暗挖法对运营铁路铁轨沉降的影响小于矩形顶管法。

受限空间下盾构隧道及顶管同步施工技术研究

城市地下市政基础设施建设时常会受到地面及地下的各种限制,这也是地下工程施工研究的重点方向。结合工程实例,针对城市空间受限、地下空间内管线复杂、地上空间涉及众多权属单位和既有建筑物的情况,本文对施工方案进行了优化研究,创新性地开创“盾构电力隧道+顶管法预制大直径混凝土管道后导洞双向同步施工”技术,创造性使用盾构顶管双向双重受力反力架,减少了盾构机停机时间,缩短了21天的施工工期;高效地利用城市地下空间,减少对周边环境的影响,使电缆路径选择和敷设更加便捷和经济,节省了至少100万元的施工成本。该技术在广州市南大干线500千伏电力隧道某项目中得到成功应用,取得了良好的社会和经济效益,可为类似工程实践提供参考,具有较好的推广与应用价值。

顶管施工对既有地铁结构变形和内力的影响分析

为预测天津地区某雨污水管道顶管施工对既有地铁结构的影响,基于MIDAS GTS/NX平台建立了三维地层-结构-顶管施工数值模型,模拟分析了新建管道顶管施工全过程中既有地铁区间盾构隧道、轨道的力学响应。结果表明:顶管工作坑围护结构施工与开挖、雨水管道顶进对既有结构的影响较明显,污水管顶进施工造成的影响较弱,故需重点控制顶管工作坑开挖及大直径管道的顶进施工。顶管施工全过程中,既有结构变形均在控制值范围内。

顶管法施工对邻近地铁盾构隧道的安全影响研究

无锡某泵站工程采用顶管法施工,顶管近距离跨越运营地铁隧道。为保证运营地铁隧道结构安全,施工前采用有限元分析软件PLAXIS 2D和PLAXIS 3D模拟施工过程,预测了顶管法施工对隧道变形的影响,同时在施工期开展了全过程的安全监测。基于模拟结果和实测数据对比分析,得出以下结论:隧道变形均满足规范中对隧道结构变形的控制要求;数值分析结果与实测结果变形规律基本一致,顶管施工引起下方地铁盾构隧道的竖向变形表现为隧道隆起,水平变形相对较小,隧道收敛表现为横向压缩、竖向拉伸;顶管穿越施工引起下方盾构隧道上浮和轮廓收敛变形,隧道最大变形均发生在顶部,施工过程中应加强对隧道顶部上浮和轮廓收敛的监测工作。顶管法施工上跨地铁运营隧道的影响结果可为类似工程安全控制提供一定参考。

电力隧道顶管施工上跨既有城际铁路隧道的安全影响评估

随着顶管技术在地下工程建设中的广泛应用,不可避免会穿越临近既有建(构)筑物。文章以广州某电力隧道顶管施工上跨既有城际铁路隧道为背景,采用岩土专业分析软件MIDAS GTS NX,建立三维有限元计算模型,采用位移法控制实现了工作井开挖及顶管施工过程模拟,分析了电力隧道顶管施工对既有城际铁路隧道管片、无砟轨道受力变形的影响,以期对类似工程提供参考。

超大断面矩形顶管姿态控制关键技术研究

针对深圳某地铁站矩形顶管隧道工程的超大断面、浅覆土、密贴顶进等特点,对顶管姿态控制难点进行分析,并对该工程采用的姿态测量、铰接纠偏、多螺旋机出土、多刀盘模式控制、注浆纠偏等多种技术结合的纠偏控制方案进行介绍。根据该工程实践表明:①顶管姿态偏移主要源于顶管开挖面及隧道两侧水土压力不平衡;②矩形顶管姿态控制重点是水平姿态以及垂直姿态控制;③通过采用铰接油缸控制、注浆纠偏、多螺旋机出土、多刀盘转动模式控制等技术,可有效控制顶管姿态。