大断面矩形顶管减阻技术应用研究:以苏州综合管廊矩形顶管为例

以苏州城北路人民路段综合管廊矩形顶管工程为例，分析了影响矩形顶管顶进力的关键因素，提出了管节配重、管节涂蜡和管节注浆等综合减阻方法以降低管壁摩阻力。在管节内放置重物平衡管节所受周围泥浆的浮力；通过涂蜡和喷蜡使管壁光滑，降低管壁与周围介质的摩擦系数；选择合适的材料和配比配制适合地层的泥浆，调整注浆量和注浆压力，使管节周围形成完好的泥浆套。基于实测顶进力与理论计算值的对比分析表明，管壁单位面积摩阻力降低了40%左右，证实该综合减阻方法解决了人民路段矩形顶管顶进力过大的问题。      

顶管施工润滑泥浆压力引起的土体附加应力计算

顶管润滑泥浆在施工中与周围地层发生相互作用,起到支撑和填充超挖量造成的环状间隙作用以及润滑减阻的效果,然而过大的泥浆压力会对周围土体及地下结构产生附加应力。为了建立顶管施工润滑泥浆压力引起的土体附加应力计算模型,假设润滑泥浆与周围土体的相互作用形成泥膜,在考虑土拱效应的基础上,采用弹性带圆孔平板受内压平面应变模型求解土体在注浆压力作用下的应力解析公式。分析得出注浆压力引起的竖向和水平附加应力都关于管道中心对称,附加剪应力关于管道中心反对称,附加应力最大值位于隧洞内壁。      

大口径长距离钢顶管注浆减阻技术:以黄浦江上游水源地连通管工程为例

黄浦江上游水源地通管工程C3标段采用DN4000钢顶管施工,单次顶进长度达到969.94m,如何降低顶力是整个工程成功的关键。为减少摩阻力从而降低顶力,对泥浆配制、注浆控制等方面进行了研究,并结合JB06~JB05及JB07~JB06顶进段的地层、顶进力变化状况,分析顶管摩阻力的变化规律。结果表明:①该工程注浆孔的合理布置、触变泥浆的配制与使用得到的减阻效果明显,可作为类似工程减阻技术的参考;②顶力与顶进距离近似呈线性关系,但地层本身的性质会造成顶力的突变,类似工程可先对地层性质进行研究以得到更准确的顶力预测,指导顶管施工;③已注入环空一定时间后的泥浆与刚注入的泥浆相比减阻效果更好,顶力增速过快时可降低顶进速度,待泥浆充分与地层反应后再以原速顶进;④适当增加注浆量可以有效地减小管周摩阻力;⑤高聚物膨润土泥浆比膨润土泥浆单价更高,但高聚物膨润土泥浆注浆量少,综合环境效益等多方面因素考虑,高聚物膨润土泥浆更有优势。      

大直径长距离顶管润滑泥浆方案研究

顶管技术作为一种经济快速的管道铺设技术已广泛应用于地下水道、石油天然气管道、电力和通讯电缆的施工中。在大直径长距离顶管施工过程中,顶进力过大是困扰顶管施工多年的技术难题。顶进力过大对顶管施工机械及相应的设施提出了更高的要求,顶进力已成为限制顶管技术发展的因素。针对这一问题,结合港珠澳大桥拱北隧道曲线顶管管幕实际工程,对顶管润滑减阻泥浆展开了研究。对泥浆中各组分对泥浆性能影响的试验研究表明,随着膨润土质量、PAC质量的增加,泥浆黏度呈现增长的趋势。通过正交试验确定了最优泥浆方案。将泥浆方案应用到实际工程中使单位摩阻力大幅降低,解决了顶进中顶推力过大的问题。      

盾构施工对既有建(构)筑地基承载力影响及加固土体稳定性分析

针对目前盾构施工既有建（构）筑地基加固依靠经验,缺乏完善理论作为支撑的现象,有必要研究盾构掘进中、离开后既有建（构）筑地基承载力影响机理及加固后土体稳定性。为了解水泥土加固体的受剪工作状态,开展水泥土三轴试验,结果表明,当偏应力达到屈服之前,（σ₁-σ₃）-ε₁关系近似直线,应变很小,且加固体与未加固土抗剪强度相差甚远,稳定性分析时,不考虑加固体位移及其外侧未加固土对剪力的分担。盾构掘进中,其周围土体受到挤压产生的剪应力,扩散至桩侧形成附加正摩阻力,基桩承载力提高;盾构离开后土体卸荷,桩侧产生负摩阻力,基桩承载力降低。盾构施工中加固体上段内侧受被动或主动土压力,外侧及下段受静止土压力,土压力差产生剪应力,潜在滑动界面产生拉、压应力,并导出加固后土体复合滑动面安全系数公式,通过工程实例验算加固体强度及加固后土体的稳定性。      

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(15 m后)的摩阻力约为无润滑时(15 m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。      

考虑注浆作用的矩形顶管竖向土压力计算模型

针对矩形顶管上竖向土压力计算模型研究较少的现状，借助Terzaghi土压力计算理论，结合矩形顶管工程特点建立了考虑注浆作用的矩形顶管竖向土压力计算模型，提出了改进的竖向土压力计算公式；依托苏州某矩形顶管工程中竖向土压力实时监测数据，探究了其变化规律并验证了该计算公式的准确性。研究结果表明:土体中的剪切带从管道外壁两侧产生并沿竖直方向发展，且可贯穿至地表；临界状态下剪切带上的膨胀角完全发挥，以临界内摩擦角及其正弦值计算剪切带上的摩擦系数；不同的注浆压力下，管道上方可能出现“主动土拱”和“被动土拱”。计算值与实测值的对比分析表明，改进后的计算方法能够较好地包络矩形顶管竖向土压力范围。      

基于滚刀破岩特性的岩石顶管迎面阻力计算模型

顶进力是顶管工程设计和施工中最重要的参数之一, 顶进力计算的精确性将直接影响顶管的工程的成败。随着顶管施工工艺越来越多的应用于岩石地层, 但鲜有关于岩石地层中顶管顶进力的计算模型。为了更加准确地计算岩石地层中的迎面阻力, 假设掌子面稳定, 通过分析岩石顶管机刀盘滚刀破岩机理、受力模型和影响规律, 在此基础上推导出岩石地层顶管迎面阻力计算公式。结果表明: 岩石顶管中, 岩石抗压强度和抗剪强度以及顶管机滚刀切入深度直接决定了迎面阻力的大小, 实测迎面阻力除个别点在计算值上下限以外, 其余与公式预测值相一致, 证明其具有适用性。      

并行差异断面顶管施工对地表变形的影响

城市地下空间开发和交通的发展促使大断面顶管技术在城市隧道建设中得到了广泛推广应用,其中并行顶管隧道的功能要求不同,因此其断面形状和尺寸也各有差异。基于城市下穿主干道的双线并行差异大断面顶管隧道工程,建立有限元三维计算模型进行系统分析,同时结合现场顶管项目的实测成果,研究并行顶管差异断面及不同工序情况下地表变形的特性及其影响因素。研究结果表明并行差异断面顶管施工引起的地表变形曲线呈"Ⅴ"形,地表变形曲线的峰值点由大断面矩形顶管轴线逐渐转移至两管中心;小断面矩形顶管轴线左侧的地表沉降值较轴线右侧大;先施工大断面矩形顶管更有利于地表变形的控制;断面尺寸的变化对地表变形的影响幅度为30%,工序差异对地表变形的影响幅度为8%,断面尺寸差异对地表变形的影响比工序差异的影响大。并行差异断面顶管施工对地表变形影响研究可为今后相关并行大断面顶管工程提供理论基础和经验借鉴。      

大直径深埋顶管施工对地表沉降的影响

顶管施工因非开挖或少开挖而在城市建设中应用广泛, 但顶管施工引起的地表沉降不容忽视。依托佛山市某电力隧道顶管工程, 通过现场实测、数值模拟及Peck经验公式的方法研究了顶管施工引起的地表沉降规律, 探讨了管-土摩擦、注浆压力及支护压力对地表沉降的影响。结果表明: 顶管施工引起的横向地表沉降在距轴线约4倍管径范围内变化较大, 管-土摩擦的改变对横向地表距轴线约3倍管径范围内的地表沉降影响较大, 对纵向地表距开挖面约1倍管径范围内的地表沉降影响较小; 注浆压力的增大能够抑制地表沉降; 支护压力的改变对横向地表距轴线约2倍管径范围内的地表沉降影响较大。研究结果可为控制顶管施工引起地表沉降措施的制定提供参考; 同时, 实测值、模拟值及Peck经验公式所得到的地表沉降变化趋势和大小相近, 验证了数值模拟及Peck经验公式在实际工程中预测地表沉降的可行性。      

砂土与混凝土顶管界面摩擦特性试验研究

为了揭示不同工况下混凝土顶管-砂土接触面剪切摩擦特性,确定管土、管浆摩擦系数,为顶管施工参数的选取及顶进力的计算提供指导与参考。采用直剪试验研究了5种砂土在不同法向压力、不同剪切速率及不同润滑状态下与混凝土管接触面的摩擦特性。试验结果表明:随着砂土颗粒粒径的增加,砂土与混凝土接触面剪切应力稳定值降低。随着法向应力的增加,砂土界面剪切应力达到峰值或稳定值时的剪切位移增加,同时界面剪切应力-剪切位移曲线的应变软化特性逐渐减弱,应变硬化趋势逐渐增强。无润滑条件下,随着法向应力的增加,剪切应力稳定值增量基本保持稳定或略有降低,泥浆润滑条件下,剪切应力稳定值增量增大;在较低法向压力下剪切速率对砂土剪切应力的影响较小;泥浆润滑条件下,砂土与混凝土接触面剪切应力可降低70%~80%,随着法向应力的增加,润滑效果降低。      

拼装式顶管接头抗弯刚度及管节内力计算

随着顶管断面尺寸不断增大，管节的运输问题逐渐突显，拼装式顶管技术可以有效解决该问题。在现有拼装式结构接头基础上，提出了拼装式顶管管节横向接头的连接方式，并以螺栓拼装式管节为研究对象，建立了横向接头抗弯刚度计算模型，结合盾构管片梁-弹簧模型，提出了拼装式管节结构计算方法。其内力计算结果表明:拼装式和整体式管节内力分布规律基本一致；拼装式管节的侧壁弯矩小于整体式管节，顶部和底部弯矩大于整体式管节，二者内力无急剧变化；从内力分布与大小看，拼装式管节是可用的。      

单桩负摩阻力的双折线模型理论解

基于荷载传递函数的概念,提出了一种用双折线模型来计算桩负摩阻力的方法。根据单桩承载受力时桩侧土与桩尖土所处于不同的弹性和塑性状态,运用该双折线模型,建立桩身轴向力和桩土相对位移的微分方程,得出桩相对位移解式,再以此推导出桩轴向力、中性点位置和负摩阻力。