Small diameter tunnel excavation method using slurry pipe-jacking

In order to protect the safety of workers construction, as well as for environmental and cost reasons, efficient small-diameter shallow tunneling methods have recently become increasingly important in regards to outside plant engineering such as for water supplies, electricity, telecommunications and gas. The effects of the above projects in overcrowded urban areas are significant and often result in substantial impact and traffic delays associated with a loss of travel time. Clearly the solution to these utility placement problems, if the full impact of trench excavation is to be avoided, is trench less technology. In particular, for construction work near existing facilities, underground tunnels that are excavated by slurry pipe-jacking are being increasingly employed in order to avoid problems. Slurry pipe-jacking was firmly established as a special method for the non-disruptive construction of the underground pipelines of sewage systems. Pipe-jacking, in its traditional form, has occasionally been used for short railways, roads, rivers, and other projects. Basically the system involves the pushing or thrusting of a drivage machine through concrete pipes ahead of jacks. This method utilizes mud slurry that is formed around the pipes in order to stabilize the surrounding soil. Moreover, in recent years, the rectangular shape of the concrete pipe in using slurry pipe-jacking was introduced due to the effective uses of the space. Based on his reason, the rectangular shape of the concrete pipe is often adopted in Japan. From this point of view, this paper discusses the effect shapes have on the stability of surrounding soil by means of the numerical analysis. Secondly, this paper discusses the performance of the mud slurry around the drivage pipes by means of the two-dimensional Eulerian-Lagragian seepage analysis. Moreover, in slurry pipe-jacking, the performance of the mud slurry plays an important role in the pushing process. Finally, the thrusts in slurry pipe-jacking can be predicted accurately by evaluating the resistance between the mud slurry and the concrete pipes and the resistance between the soil and the pipes in the curved jacking area. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

Performance of Mortar and Chemical Grout Injection into Surrounding Soil When Slurry Pipe-jacking Method is Used

Small-diameter shallow tunnels are often being built by using the slurry pipe-jacking method. This system involves the pushing or thrusting of a drivage machine and concrete pipes into the ground. Chemical grout injection into the surrounding soil around the tunnel is carried out after the drivage and pushing processes are finished. The purpose of the chemical grout injection is to maintain permanent stability of the surrounding soil. However, the behavior of the chemical grouting material in the surrounding soil around the tunnel and the amount of optimum injection is not clearly understood. From these points of view, this paper discusses the performance of the chemical grouting material, when it is injected into the surrounding soil around the tunnel, by means of 2-D Eulerian–Lagrangian seepage analysis. Moreover, the effectiveness of the chemical grout injection was evaluated by using the non-linear finite element method. This investigation show when the range of the grouted zone is designed; it is necessary that the relationship between Young’s modulus of the soil/grouted zone and the confining stress be taken into consideration in order to establish effective, economical and safe chemical grout injection system. Understanding the performance of the seepage/dispersion behavior of the chemical grout and the characteristics of soil/ grouted zone is also important.     

顶管施工中注浆减摩作用机理的研究

长距离顶管施工中为减小顶进阻力通常采用注浆减摩措施。研究了注浆材料及其性能，对注浆过程中浆液与管道以及周围土体之间的相互作用机理进行了分析，探讨了浆液在土体中的渗流以及注浆对土层移动的影响，提出了注浆时应注意的几个问题。     

电力隧道超大直径顶管施工扰动特性研究

由于顶管工程在经济方面的优势以及控制周围环境水平的提升,而得到广泛应用,但目前顶管扰动特性方面的研究多数限于中小顶管,未考虑超大直径顶管的特殊性。对上海世博电力电缆隧道顶管施工进行了现场监测,并主要分析了水-土压力变化曲线,测试结果反映了超大直径顶管顶进5阶段的扰动特性。工程经验表明,超大直径长距离顶进成功的主要作用因素有3个：泥浆套作用、开挖面控制和姿态动态调整。最后对泥浆套在顶管中的形成过程以及扰动作用机制进行了研究,泥浆套在注入、泥膜形成以及整体发挥作用的过程中具备填充、支承、隔阻、润滑等作用。     

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;在顶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。     

长距离顶管工程中注浆减摩作用机理及效果分析

长距离顶管施工中除了克服迎面阻力外,尚需克服巨大的侧面摩擦阻力,故直接顶进非常困难。探讨了利用膨润土泥浆注浆以减小顶进阻力的技术。对注浆材料的结构、注浆工艺和减摩机理进行了较为系统的阐述,并结合工程实例对长距离顶管中顶进力的理论值与实际值做了比较。结果表明,注浆减摩效果十分明显。该技术值得在实际工程中推广应用。     

顶管施工对相邻平行地下管线位移影响因素分析

顶管施工引起的管道周围土体移动会对相邻地下管线造成危害。采用三维有限元方法分析了顶管施工引起的相邻平行地下管线的位移,研究了注浆、纠偏、离顶管距离的远近、地下管线埋深、管线与土体弹性模量比及不同管材对地下管线位移的影响。计算结果表明,注浆与纠偏压力越大,地下管线的位移越大;地下管线距离顶管越远,引起的位移越小;地下管线弹性模量越小,产生的位移越大。     

无水砂层中矩形顶管施工用触变泥浆配比优化及减阻性能试验

顶管施工中,触变泥浆起到润滑减阻和支撑地层的作用,是保证顶管施工安全快速进行的重要材料,其减阻性能的优劣是影响顶管施工的重要因素。本文以北京城市副中心通州区潞城镇综合管廊工程为依托,以膨润土、羧甲基纤维素钠(CMC)和纯碱为触变泥浆原材料,进行不同材料配比的正交试验,优选出了触变泥浆的最优配比;开展缩尺的模型试验,探究了触变泥浆的减阻效果。此外,通过扫描电镜显微观察,研究了触变泥浆的微观结构和减阻机理。研究表明:触变泥浆原材料含量对泥浆的性能有很大的影响,10%膨润土、0.2% CMC、0.5%纯碱和89.3%水是泥浆原材料的最优配比,该配比下的泥浆流动性和触变性较好,失水量较小,形成的“滤饼”较为致密,综合性能最优,且该配比下的触变泥浆可以使试块和砂土之间的摩阻系数降低40%,减阻效果显著;触变泥浆呈薄片层状结构,其主要矿物成分蒙脱石具备晶格取代、阳离子交换等微观特性,使得触变泥浆宏观上表现出触变性进而发挥减阻作用,最终以泥浆套的形式充分隔离管道和周围的土体,从而实现减阻功能。     

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。     

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。     

矩形顶管施工周边地质环境变化规律分析

随着城市建设的发展,作为暗挖法之一的矩形顶管施工技术得到了越来越多的应用。矩形顶管施工大多在建筑密集、市政管线复杂区域,对地面沉降变形非常敏感。研究矩形顶管施工过程中周边水土变化规律,对矩形顶管施工技术的进步具有现实意义。本文以上海轨道交通二号线张江高科站一号出入口工程为例,通过施工过程中孔隙水压、土压力、分层变形、地面沉降等的监测,分析了矩形顶管施工过程中周边水土的变化规律,为在环境复杂区域矩形顶管合理施工提供技术依据。     

The investigation of ultra-long-distance concrete pipe stuck in quartz sandstone formation using numerical simulation

During mountainous area construction by long-distance pipe jacking, the pipe stuck encountered. To reveal the cause of the pipe stuck, this paper investigates the pipe surface frictional resistance corresponding to different burial depths and surrounding rock parameters by ADINA finite element analysis. Parameter sensitivity analysis results show that the cohesion effect on the frictional resistance was small, the frictional resistance tended to decrease markedly with the increasing other rock mechanical parameters and the decreasing burial depth and friction coefficient of the pipes. After continuing to consider the prerequisite of simultaneously changing the elastic modulus, internal friction angle and burial depth conditions, a solution of the maximum number of pipes driven by a single intermediate jacking station (IJS) was reduced from 59 to 40 was proposed based on an integration of simulations with the field monitoring results. Finally, the pipe jacking project was successfully completed after adopting the improvement proposals.     

浅层顶管施工引起的土体移动

顶管施工引起包括地面沉降和土的轴向移动在内的土的运动。 土的这些运动可能导致邻近构筑物和管线的损坏。 理论分析和现场实测都显示, 在类似于上海等地的软土地层中顶管施工, 顶管周围土的运动问题是三维的。 基于半解析数值方法的基本原理, 将轴向离散而在径向和环向选取位移函数, 构造了解析解函数。 给出了包括位移函数、刚度矩阵和荷载矩阵在内的理论分析过程, 从而建立了半解析单元法。 利用半解析单元法将顶管施工中三维土运动问题转化成一维数值计算 。 利用所建立的半解析单元法, 就软土地层中顶管工程实例计算了施工所引起的土体位移。 结果表明, 半解析元法用于计算顶管施工中顶管周围土的移动, 可以得到较为满意的结果。 由于计算所需要的单元数减少, 处理该问题所需要的时间也明显减少。 根据分析与计算结果还得到了一些有价值的结论。     

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。     

拱北隧道管幕冻结法温度场数值计算

以港珠澳大桥珠海连接段拱北隧道为工程实例，研究管幕冻结法的温度场发展规律，基于二维多孔介质传热理论，采用有限元软件COMSOL对积极冻结期的实际工况进行数值计算，模拟结果通过现场实测验证，研究了温度场在异形冻结管开启前后的发展与分布规律。结果表明:冻结30 d时，实顶管完全被冻土包裹，并且顶管之间开始形成连续的冻土帷幕；冻结50 d时，空顶管被冻土完全包裹；冻结90 d时，实顶管和空顶管处冻土帷幕厚度达到2.0 m，满足设计要求。在异形冻结管开启前、开启后10 d内和开启后10~20 d内，两顶管间中点处温度测点的平均温度变化速率分别为-0.86℃/d，-0.88℃/d和-0.25℃/d，之后各测点温度趋于稳定，进而形成温度较为均匀的冻土帷幕。研究成果可为类似冻结工程提供技术参考。      

长距离曲线顶管技术在电力管道工程中的应用

非开挖技术在市政管道铺设中的应用越来越广泛,从直径50mm通讯光缆-直径3000mm混凝土管道,采用非开挖安装各种管道都变得很普遍。同时,鉴于非开挖技术综合效益优越性、环境友好型施工特点,也逐渐被工程建设方、社会所接受和认可。泥水平衡顶管技术是非开挖最为成熟的技术之一,在城市市政设施建设中也起着举足轻重的作用。采用泥水平衡顶管技术进行城市雨污分流改造已经在国内大量城市取得应用,但是,采用泥水平衡顶管在岩层中铺设直径达2000mm埋深在5m电力管道,在国内为数不多,在福建厦门地区也是尚属首次。通过在工程施工中对设备、施工工艺的摸索和改进,最后采用泥水平衡顶管施工技术成功铺设建设方所要求的电力管道。本工程将为在福建地区采用预管技术铺设大口径长距离、曲线管道提供了指导和借鉴。     

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。     

考虑注浆压力的顶管施工引起土体变形计算方法

顶管施工引起周围地层变形的计算预测是顶管施工中必须加以重视的问题。地层的沉降变形与顶管施工的几个环节有密切的联系,如：①顶管姿态与开挖面土压;②顶进与换管;③注浆过程等。理论分析应考虑这几个施工中的关键因素。针对上述施工影响因素,提出了考虑注浆压力的顶管施工的地层移动的计算方法。用Mindlin的位移解分析模拟开挖面土压、顶进与换管过程中的侧面摩擦力的变化引起的位移;以Sagaseta的土体损失引起的土体位移模式分析姿态控制、土体损失等引起的变形;将圆孔扩张的Verruijt解拓展到三维,用于计算注浆压力引起的位移与变形。结果表明,考虑注浆压力的变化,可以得到更为合理的预测结果。     

玻璃钢夹砂管在顶管工程中的应用

近年来,玻璃钢夹砂管在（管工程中的到越来越广泛的应用,以广州市某污水工程顶管施工为例,介绍了玻璃钢夹砂管在流砂地层的应用,以及在顶管施工中所要注意的事项和应对措施,以供工程技术人员和同类工程参考。