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顶管施工地下管线破坏控制

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《广州建筑杂志》2014年第二期

1数值模拟

1.1基本假定文献表明,在管径不大时,地下管线的运动轨迹与周围土体的运动轨迹十分接近。当然,对于处在滑坡中的地下管线,由于土体位移较大,且地下管线的刚度相对土体大得多,有可能产生土体与管线分离现象。然而,在顶管工程中不允许产生像滑坡中土体那么大的位移,而且施工引起的土体变形有其控制标准,土体位移相对较小,因此可以认为假定管线与周围土体始终紧密接触不会对研究结果造成太大的影响。基于以上分析,对于地下管线的假定如下:(1)地下管线为均质,沿长度方向等直径、等壁厚,且不考虑管线接头的影响。(2)管线与周围土体始终紧密接触,即在变形过程中,管与土不发生相对滑动或发生脱离。

1.2计算模型计算模型顶管机盾壳长4.5m,管道断面尺寸6m×4.3m,混凝土管壁厚度0.5m,每节长度1.5m,通道长43.5m,地下管线与顶管隧道中心距5.7m。根据有限差分试算结果,实际计算模型尺寸为25m×60m×32m,模型网格如图2所示:

3.3计算参数的选取计算时,采用的计算参数和原则如下:(1)根据工程地质勘察报告,模拟计算采用的土层参数见表1。(2)该矩形顶管机为曲轴双矩型刀面,为方便计算,取顶管机刀盘切削形成的管道外壁空隙等厚;不考虑注浆层浆液硬化的影响,注浆层弹性模量1.5×103kPa,泊松比0.49,密度1300kN/m3。(3)在顶管工作面上施加正面压力以模拟开挖面推进力,近似采用矩形均布荷载;同时,假定土体与管壁间的摩擦阻力沿管道纵向均匀分布,采用liner结构单元来模拟矩形管节。(4)地下管线考虑混凝土排水管,管径0.4m,管壁厚度分别为45mm;对应的密度、弹性模量和泊松比分别为2.5×103kg/m-3、2.5×l04MPa、0.17。考虑到管壁厚度与管径相比很小,可将管道视为薄壁管,采用shell单元进行模拟。

2结果分析

2.1土体位移随顶进的变化情况如图3~4所示,随着顶管的开挖,远离开挖面的土体位移逐渐增加,且管道上部土体发生沉降,下部土体由于卸载有隆起现象。顶管开挖引起土体扰动,带动邻近管线产生移动。另外,由于管线刚度的存在,当顶管通过管线之后,在附加压力作用下管线产生的沉降量要小于底部土体沉降量,同时,地下管线对土体还有锚固作用,限制其变形。

2.2管线周围土体应力场与位移场图5表明,顶管施工引起管线周围土体应力发生变化,靠近开挖面土体应力明显小于远离端土体的应力,从而引起土体位移重新分布,如图6所示,开挖面上方土体的位移较大。顶管施工时地层运动带动邻近管线产生不均匀沉降,容易引起管段的应力增加或接头转角增大,故应采取适当的措施,减小对土体的扰动。

2.3地下管线的应力分布如图7~10所示,地下管线的受力情况为三维应力状态,顶管通过后管线轴向应力远大于其侧向水平应力和竖向应力,且管段主应力、轴向应力最大值均出现在管道中心正上方处,其中最大拉压应力分别出现在管底和管顶的位置,过大的拉伸或挤压作用会造成管线接头松动导致渗漏甚至脱开。

2.4管底轴向应力随顶进的分布情况如图11所示,顶管通过管线前后时,管底压应力区逐渐增大,而且管底拉压应力区分布越来越明显。在顶管开挖前,管线受到上部土压力和下部土体反力的作用,保持平衡;开挖后,由于产生土体损失,顶管周围土体要向管道移动,此时管线底部土体开始产生沉降,提供的土体反力减小,导致管线受到上部附加压力作用产生附加应力。由前分析可知,随着开挖面位置的变化,管线的位移呈增大趋势,而管线的变形越大,产生的附加应力也越大,图中表明L从-4.5m到4.5m变化时,管底轴向最大拉应力分别为1.3MPa、7.38MPa、25.1MPa,而轴向最大压应力的分布如下:当L=-4.5m时位于管端x=23.16m处,其取值为0.427MPa;L=0、4.5m时,位于x=6.02m处,其取值分别为2.3MPa、8.84MPa,以上数据表明,随着顶管开挖的进行,离顶管轴线越近管段的应力变化越快,而且管底轴向最大拉应力的增加量远大于轴向最大压应力。

2.5地下管线的位移分布地下管线的位移具有“空间”性,呈三维态分布,如图12~13所示,地下管线的最大位移出现在顶管轴心上方,因管线的水平位移和纵向位移相对较小,管线的总位移量与竖向位移量非常接近。地下管线变形的大小与土体和管线的相对刚度以及顶管开挖在管线平面处产生的土体变形有关。

2.6顶管施工地下管线的破坏模式分析顶管开挖导致周围土体应力释放,打破了原有的力学平衡,致使地层产生沉降与变形,从而对邻近地下管线产生影响。当其应力和变形达到一定值时,管线就可能产生泄漏,甚至结构上的破坏。地下管线破坏一般有两种情况:(1)管段在附加拉应力作用下出现裂缝,甚至发生破裂而丧失工作能力。(2)管段完好,但管段接头转角过大,接头不能保持封闭状态而发生渗漏。管线的破坏可能主要由其中一种模式控制也可能两种破坏同时发生。以上分析表明,顶管开挖的卸载过程中,施加在管线上的荷载变化最大的是纵向弯曲荷载,地下管线的纵向应力较其它应力大,故纵向应力屈服是首先要考虑的破坏模式;另外,由于地下管线的变形直接影响管线接头的构造,当变形过大时,管线就会发生破坏,因此构造破坏也是必须考虑的。

3关键技术措施

以上分析表明顶管施工引起的地下管线的位移和应力变化是三维动态变化的,而且受周围土层的影响较大。因此,在开挖过程中如何有效地控制施工引起的土层扰动,保护工程沿线地下管线的安全,是保证工程顺利进行的关键,结合本工程实际情况,主要采取了如下关键技术措施。

3.1全自动纠偏控制技术矩形管节在顶进时,可能会出现因左右侧顶进速度不均匀造成的左右偏差,以及因开挖面不平衡顶推力作用和不均匀地层影响下产生的扭转,引起地层扰动。为了克服左右偏差,掘进机配备了左右对称的纠偏千斤顶,并在机头前方位置安装了两组横向伸出的侧翼,发现扭转时伸出侧翼可以克服掘进机扭转。另外本工程通过采用高性能PLC处理系统,实现了顶管机掘进过程中信息采集、反馈、指令、设定、显示等快速传递和网状连锁控制,使顶管机及其掘进过程保持在可控状态。

3.2注浆系统顶进施工中,运用触变泥浆是为了减少掘进机、管节与土层的摩阻力,使机体外壳及管节外壳形成完整的减摩浆液薄膜,有效地减少顶进阻力,确保施工正常进行。(1)注浆孔布置在每节管的前端布置触变泥浆注浆孔,如图14所示,数量为10个,上下布置6个,左右布置4个。图14标准管节注浆孔布置图(2)注浆工艺在矩形顶管机前后段周边设有触变泥浆孔,顶进时能及时填充顶管机外壳与土体间的环形空隙,防止土体坍塌而裹住顶管机,边顶边压,停顶补浆;在机尾后的3个管节设置触变泥浆孔,顶进时不间断压浆;以后每隔2~4节管设置一道,顶进时间断补浆。压浆原则:“先注后顶、随顶随注、及时补浆”。通过采取以上措施,使得地表沉降得到有效控制。

3.3管缝密封控制措施对管密封是非常重要的施工环节,矩型管节对管时若没有较好的定位措施,对接不好会损坏密封圈,造成管缝漏水、漏浆,严重时会造成泥砂喷涌,触变泥浆流失,使地面坍塌,顶力增大,所以在对管时需有专人监控,等周边密封圈进入钢环时才能缓慢推进,同时要观察密封圈的完整性,不能有损坏,如图15,否则更换管节。

4结论

顶管施工引起的地下管线的位移和应力变化是三维动态变化的,地下管线的最大位移、轴向最大应力值都出现在管道中心正上方处,其变形的大小与管线和土体相对刚度以及土体变形有关。过大的拉伸或挤压作用会造成管线接头松动导致渗漏甚至脱开,首要考虑的情况是纵向应力屈服,其次是构造破坏。因受周围土层的影响较大,本工程在开挖过程中通过有效地控制施工引起的土层扰动,进而保护了工程沿线地下管线的安全,为类似工程提供借鉴。

作者:林晓庆单位:广州城建职业学院

广州建筑杂志责任编辑:田老师    阅读:人次