深厚软土地层顶管施工引起的地面变形机理及数值模拟研究

发布时间：2020-10-27 20:30

　　 我国经济的发展和科技的进步,带动了城镇化进程不断推进,也推动了顶管施工技术的快速发展。然而要想完全避免顶管施工对周围土体产生影响是很困难的。如果顶管施工控制不当,将会危害周围环境,尤其是在土体结构较差的深厚软土地层中的顶管施工必须给予高度重视。因此,本文依托温州市上田220kv变电站异地改造工程的三垟湿地段电力管廊顶管工程,借助FLAC 3D软件对穿越深厚软土地层的顶管施工进行数值模拟研究,可以为此工程项目施工及类似工程施工提供指导与参考。本文的主要研究工作及得出结论包括:(1)通过查阅相关文献并结合现场实践经验,对顶管施工引起土体扰动与地面变形机理进行了分析,认为导致土体扰动与地面变形的主要原因是地层损失。(2)结合地勘报告,分析了顶管施工现场的工程地质与水文地质的特性,通过UU三轴试验获得软土的抗剪强度指标,依据制定的监测方案对深厚软土地层中顶管施工引起的地面沉降进行监测,得出地面沉降规律。(3)借助FLAC 3D软件建立数值模型对顶管施工进行模拟,研究了地面沉降规律,并将结果与顶管施工现场监测的沉降规律进行对比,结果表明:模拟的沉降曲线与监测的地面沉降曲线基本吻合,验证了模型的准确性。(4)基于原有的数值分析模型,分析了土体水平位移变化规律,土体水平位移的最大值位于顶管轴线埋深处;位于管道顶部与底部埋深处的土体水平位移为2.96mm和3.16mm。开挖面距测点前2D时,土体水平位移出现显著增加;开挖面距测点后2D时,土体水平位移增加速率逐渐减小,最终位移值趋于稳定。(5)基于原有的数值分析模型,改变顶管的管径、埋深和土层的弹性模量,顶管施工引起的土体沉降规律均未改变,最大沉降值出现在顶管拱顶,最大隆起值出现在顶管拱底。减小顶管管径或者增大管节埋深都可以减少土体扰动,降低地面变形值。土体弹性模量越大,土体刚度越大,土体的承载能力与抵抗变形的能力也就越大,更有助于减少土体扰动,降低地面变形值。
【学位单位】：河北工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TM75;TU433
【部分图文】：

第2章顶管施工引起土体扰动与地面变形理论分析15接收井是顶管机头接收井，必须保证定位准确，在顶管施工阶段避免出现较大变形。连续多段顶管施工时，为施工方便快捷，接收井即可作为始发井也可作为接收井，但在设计时必须加固、空间加大满足始发井施工的要求。沉井施工与工作井设备安装如图2-2、图2-3所示。图2-2沉井施工图2-3工作井安放设备Fig.2-2OpencaissonconstructionFig.2-3Installationofequipmentintheworkingwell（2）止水圈止水圈设置在预留洞口和管节接口处，防止在顶管施工时出现地下水、泥浆、流沙等渗入始发井、接收井和管节的现象。止水圈应根据地质条件和水文特点设置，在地质条件差、地下水位高、水压大、埋深10m以上等不利地下施工的条件下，应采用两道止水圈，工程中多采用橡胶法兰式止水圈。（3）顶管机顶管机是顶管施工的掘进装置，安放在最前端主要负责挖土。顶管机的形式多种多样，应根据现场工程地质条件、施工方法和施工工艺选择合适的顶管机。目前，主流的顶管机主要有泥水平衡式顶管机、土压平衡式顶管机、气压平衡式顶管机。泥水平衡式顶管机是利用泥水仓的压力和顶推力来平衡地下水压力和土体压力，利用泥水将土输送出去的大断面切削土体的施工机械。土压平衡式顶管机是使用土仓内的土压力和顶推力来平衡地下水压力和土体压力，以及严格控制输土量维持平衡的一种大断面切削土体的施工机械。气压平衡式顶管机利用气体压力维持掌子面平衡的大断面切削土体的施工机械。（4）主顶装置顶管法施工的主顶装置由液压千斤顶、输送油管、操作室和液压油泵组成。液压千斤顶一般成双数左右对称分布在管道周边，从而保证管道均匀受力防止偏移，如图2-4所示。机组人员通过控制液压千斤顶的伸长和收缩，控制顶管机的

第2章顶管施工引起土体扰动与地面变形理论分析15接收井是顶管机头接收井，必须保证定位准确，在顶管施工阶段避免出现较大变形。连续多段顶管施工时，为施工方便快捷，接收井即可作为始发井也可作为接收井，但在设计时必须加固、空间加大满足始发井施工的要求。沉井施工与工作井设备安装如图2-2、图2-3所示。图2-2沉井施工图2-3工作井安放设备Fig.2-2OpencaissonconstructionFig.2-3Installationofequipmentintheworkingwell（2）止水圈止水圈设置在预留洞口和管节接口处，防止在顶管施工时出现地下水、泥浆、流沙等渗入始发井、接收井和管节的现象。止水圈应根据地质条件和水文特点设置，在地质条件差、地下水位高、水压大、埋深10m以上等不利地下施工的条件下，应采用两道止水圈，工程中多采用橡胶法兰式止水圈。（3）顶管机顶管机是顶管施工的掘进装置，安放在最前端主要负责挖土。顶管机的形式多种多样，应根据现场工程地质条件、施工方法和施工工艺选择合适的顶管机。目前，主流的顶管机主要有泥水平衡式顶管机、土压平衡式顶管机、气压平衡式顶管机。泥水平衡式顶管机是利用泥水仓的压力和顶推力来平衡地下水压力和土体压力，利用泥水将土输送出去的大断面切削土体的施工机械。土压平衡式顶管机是使用土仓内的土压力和顶推力来平衡地下水压力和土体压力，以及严格控制输土量维持平衡的一种大断面切削土体的施工机械。气压平衡式顶管机利用气体压力维持掌子面平衡的大断面切削土体的施工机械。（4）主顶装置顶管法施工的主顶装置由液压千斤顶、输送油管、操作室和液压油泵组成。液压千斤顶一般成双数左右对称分布在管道周边，从而保证管道均匀受力防止偏移，如图2-4所示。机组人员通过控制液压千斤顶的伸长和收缩，控制顶管机的

河北工程大学硕士学位论文16（5）顶铁顶管施工采用的顶铁通常有环形、弧形和马蹄形三种形式，环形顶铁的主要作用是把液压千斤顶提供的顶力均匀的作用在管道，防止管道周边不均受力导致破损。弧形和马蹄形顶铁的主要作用是增加主顶设备的行程和管道长度。根据顶管机的种类选择合适的顶铁，环形顶铁一般用于泥水平衡式顶管机，如图2-5所示。图2-4对称放置的千斤顶图2-5吊放环形顶铁Fig.2-4SymmetricaljackFig.2-5Liftringtopiron（6）井内导轨井内导轨安放在井底钢结构之上，采用两根对称的工字钢和枕木焊接而成，并用钢筋与井壁相连，使之固定。井内导轨的主要作用为管道和顶管机提供导向，减少轴线偏差；为顶管机、管节、顶铁的安放提供支撑，如图2-6所示。图2-6井内导轨图2-7井内后靠背Fig.2-6BoreholeguideFig.2-7Backrestinwell（7）后背墙后背墙主要承受顶管过程中液压千斤顶的反作用力，并把反力扩散到井周围土体中的部件，如图2-7所示。后背墙的结构因始发井的形状、建造方式不同而有所差异，由钢筋混凝土桩、钢板桩建造的始发井内，在井壁与液压千斤顶之间浇筑
【参考文献】

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本文编号：2859021