頂管施工引起的沉井后背土體變形控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種地下建筑工程技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種頂管施工引起的沉井后背土體變形控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]頂管技術(shù)是在不開挖地表的情況下，利用液壓油缸從頂管工作井將頂管機和待鋪設(shè)的管節(jié)在地下逐節(jié)頂進(jìn)，直到頂管接收井的非開挖地下管道敷設(shè)施工工藝。頂管技術(shù)由于其優(yōu)越性已經(jīng)越來越普及，應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越寬。近年來已應(yīng)用到自來水管、煤氣管、動力電纜、通信電纜和發(fā)電廠循環(huán)水冷卻系統(tǒng)等許多管道的施工中。在頂管工程中，沉井作為工作井有著廣泛的應(yīng)用。其在管道頂進(jìn)過程中，通過后背墻將循環(huán)往復(fù)的頂力傳給墻后土體。若頂力過大，而沉井后背土體穩(wěn)定性不夠時，土體可能出現(xiàn)較大的變形，使千斤頂部分回程消耗在土體變形之上，降低效率；嚴(yán)重時會造成后背土破壞，使頂進(jìn)失敗。另外，較大的土體變形也將導(dǎo)致沉井周圍路面和建筑物的損壞，引發(fā)一系列環(huán)境病害。因此，嚴(yán)格控制頂管施工引起的沉井后背土體變形對確保頂管工程安全與順利進(jìn)行十分重要。
[0003]經(jīng)過對現(xiàn)有的技術(shù)文獻(xiàn)檢索，嚴(yán)紹軍和張愛華在《煤田地質(zhì)與勘探》(2006年2月，第34卷第I期，第37至第40頁)上發(fā)表的“頂管工程后背受力與變形三維分析”(文章編號:1001-1986 (2006)01-0037-04)中以某頂管工程為背景，采用朗肯被動土壓力理論對后背土體的承載能力進(jìn)行了分析。通過改變后背土體的彈性模量參數(shù)，分別取不同模量采用德魯克-普拉格模型進(jìn)行計算，得到相應(yīng)的墻體最大水平位移值，并得出結(jié)論:提高土體的彈性模量，能有效的降低后背墻體的水平位移值。該文獻(xiàn)僅僅是對沉井后背土體的承載力以及位移依據(jù)理論進(jìn)行了定量的計算分析，并沒有給出限制后背土體位移的相關(guān)技術(shù)措施，即沒有考慮頂管的反復(fù)加荷-卸荷的實際情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種頂管施工引起的沉井后背土體變形控制方法，解決了頂管工程中考慮頂力反復(fù)作用引起的沉井后背土體的變形控制問題，保證了頂管工程的順利進(jìn)行以及最大限度降低對周邊環(huán)境的影響。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括:
[0006]I)在沉井周邊實施井點降水，通過將地下水位降低至沉井底面以下，以增大沉井壁及底面與土層的摩擦。
[0007]所述的井點降水，根據(jù)場地的水文地質(zhì)條件、工程設(shè)計要求及沉井下沉的施工特點選取降水方式。
[0008]所述的降水井的井深為H=HfHdWirtl,其中:H為降水井井深，H1為沉井刃腳至地表距離，H2為降水水位距離沉井底的要求深度，H3為降水過濾器的工作長度，H4為沉淀管長度，i為水力坡度，r0為沉井等效計算半徑。
[0009]所述的降水井距沉井壁的距離按沉井周邊的場地情況選取，優(yōu)選為4m?Sm。
[0010]2)加強沉井底部在土層中的錨固，通過發(fā)揮沉井整體剛度，實現(xiàn)沉井在頂力作用下的空間變形協(xié)調(diào)性的提高，具體包括以下步驟:
[0011]2.1)用高壓水槍將刃腳上方井壁內(nèi)側(cè)預(yù)留凹槽沖洗干凈，將表面混凝土全部鑿毛并露出石子，便于新老混凝土的結(jié)合，預(yù)留鋼筋與底板鋼筋采用焊接連接，焊接接頭連接區(qū)段的長度大于等于35d，d為縱向受力鋼筋的較大直徑。
[0012]2.2)在沉井底部設(shè)置混凝土鉆孔的灌注樁，以抵抗頂力可能引起的滑移。
[0013]所述的灌注樁，其直徑D由沉井底部的場地條件選取，數(shù)量及樁長I根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94-2008)中5.7.2條確定。
[0014]所述的灌注樁與沉井底部采用倒梯形樁帽連接，樁頂鋼筋錨入沉井底板，灌注樁在沉井底部各區(qū)格中沿著垂直于頂管頂進(jìn)方向均勻分布。
[0015]3)確定頂進(jìn)順序，采用兩根平行頂管同時頂進(jìn)。
[0016]所述的頂進(jìn)順序根據(jù)機械設(shè)備、場地條件及經(jīng)濟(jì)性要求合理選擇。
[0017]所述的同時頂進(jìn)所引起的沉井后背墻上的頂力Vi與Vj的差值不超過20%。
[0018]4)建立沉井及其后背土體的簡化三維有限元模型，采用安定性分析方法確定步驟3)中兩根平行頂管頂力的最不利組合值[Vi, Vj],以此作為頂進(jìn)施工時的頂力預(yù)控參數(shù)，具體包括以下步驟:
[0019]4.1)有限元模型的建模范圍:垂直于頂管頂進(jìn)方向?qū)挾热，沉井后背土體的長度L大于2d+2s，高度h取沉井底面至后背土體地表的距離，其中:B為沉井的寬度，d為頂管反力作用面的邊長，s為頂管反力作用面至沉井頂部之間的距離。
[0020]4.2)計算模型邊界條件如下:在后背墻底邊z=_t處和兩側(cè)面z=_t處施加切向均布力，分別模擬沉井底面與土體摩擦力、沉井側(cè)壁與土體摩擦力；在z向z=0處4個頂管反力作用面上按照步驟3)的頂進(jìn)順序分別施加反力，其余部分不約束；兩個側(cè)面x=_L/2和x=+L/2處,除了 z=-t部分，限制其X方向位移；底面y=0處,除了 z=-t部分，限制其y方向的位移；背面Z=-L處，限制其z方向位移；地表y=h處為自由面。
[0021]4.3) 土體本構(gòu)關(guān)系采用考慮彈塑性應(yīng)變的莫爾庫倫等面積圓模型，后背墻按彈性體考慮，在后背墻與土體之間設(shè)置接觸面單元模剛體-柔體的面面接觸特性。
[0022]5)頂進(jìn)施工中，采用小導(dǎo)管超前注漿工藝，使頂管外壁與土層之間形成良好性能的觸變泥漿套，起到減摩降阻的作用，從而減小頂力對后背土體的擾動影響，具體步驟包括:
[0023]5.1)在進(jìn)出洞口設(shè)置具有防水效果的止水裝置，并且從出洞口開始壓漿；使得管接口密封性能保持良好，且在確保漿液不從進(jìn)出洞口滲漏的同時避免管子進(jìn)入土體后被握裹。
[0024]5.2)在機頭尾部環(huán)向均勻布置4個壓漿孔，在機頭后面的三節(jié)管節(jié)上均布壓漿孔，并以每三節(jié)為單位選擇其中一節(jié)管節(jié)上布置壓漿孔。
[0025]所述的壓漿孔之間呈斜向45°正交環(huán)向交叉布置。
[0026]5.3)米用含有膨潤土、CMC(Carboxymethyl Cellulose,羧甲基纖維素)、碳酸鈉和水的泥漿潤滑減摩劑通過注漿孔施加于管段側(cè)壁與土體接觸部位。
[0027]6)由步驟3)確定的平行頂管的頂進(jìn)順序，有針對性地制定監(jiān)測方案，在頂管施工前進(jìn)行測點布置和監(jiān)測，在后背土體中安裝測試儀器，及時反饋信息以調(diào)整施工參數(shù)，具體包括:
[0028]6.1)根據(jù)后背土體的場地條件及步驟3)確定的頂進(jìn)順序，在后背土體貼近后背墻處適當(dāng)?shù)攸c埋設(shè)側(cè)斜管和土壓力傳感器，地表測試端采用圍砌磚墻的方式與周圍隔離，避免遭到其它施工工序的破壞和干擾。
[0029]6.2)測試儀器在沉井沉到設(shè)計標(biāo)高，封底結(jié)束后進(jìn)行，且至少距頂管開始頂進(jìn)施工7天。待安裝過程全部結(jié)束土體固結(jié)至少7天后，進(jìn)行試測以驗證測點的可用性，要求讀數(shù)穩(wěn)定，連續(xù)3次的數(shù)值差不超過均值的10%。在頂管將要頂進(jìn)前，進(jìn)行同樣的步驟測試初始值，把此時測得的3次數(shù)據(jù)的平均值作為整個頂進(jìn)過程的初始值。
[0030]6.3)監(jiān)測頻率一天2次，當(dāng)頂力讀數(shù)偏大或地表出現(xiàn)異常情況時，根據(jù)需要適當(dāng)提高測試頻率。土體位移應(yīng)控制在_30_?+30_范圍內(nèi)，以此數(shù)據(jù)作為判斷后背土體是否需要進(jìn)行加固的依據(jù)；若需要，則在后背墻后B/2范圍內(nèi)進(jìn)行垂直旋噴樁加固。
技術(shù)效果
[0031]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明給出了多項針對性較強技術(shù)措施，解決了大直徑平行頂管施工引起的沉井后背土體變形控制問題，使得沉井后背土體的變形可以有效地控制在設(shè)計要求范圍內(nèi)，為頂管工程中頂力的有效發(fā)揮供了一項重要的技術(shù)保證，彌補了已有工藝的不足和缺陷。本發(fā)明方法簡單、易于實施、費用低，適用于同類工況，在類似工程領(lǐng)域具有相當(dāng)?shù)慕梃b價值。
【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明工程平面圖。
[0033]圖2為本發(fā)明工程剖面圖。
[0034]圖3為本發(fā)明沉井底部混凝土灌注樁示意圖。
[0035]圖4為本發(fā)明三維有限元模型尺寸示意圖。
[0036]圖5為本發(fā)明三維有限元模型網(wǎng)格劃分示意圖。
[0037]圖6為本發(fā)明后背土體監(jiān)測點平面布置示意圖。
[0038]圖7為本發(fā)明后背土體位移實測最大值示意圖。
【具體實施方式】
[0039]下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。
實施例1
[0040]某北延送水工程需新建穿越某河地涵，圖1為工程平面圖，圖2為工程剖面圖。主涵管長450m，采用4條頂管每節(jié)鋼筋混凝土預(yù)制頂管規(guī)格為:內(nèi)直徑3500mm，長2.5m)，每條頂管由180節(jié)預(yù)制管組成，具有大截面、長距離的特點。各條頂管間的中心距9.5m，管底、管頂高程分別為-17.65m和-13.45m。南側(cè)工作井和北側(cè)接收井均為沉井結(jié)構(gòu)，平面尺寸37mX22.5m，刃腳底高程均為-21.0m。頂管由南側(cè)工作井出發(fā)，頂進(jìn)到北側(cè)接受井結(jié)束。
[0041]I)依據(jù)施工場地的詳細(xì)地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，結(jié)合工程設(shè)計要求及沉井下沉的施工特點，本方案設(shè)計采用橋式濾水鋼管井降水，H1取25m ；H2取Im ；H3取2m ;H4取2m ;i取1/5 ;r。取17.5m，適當(dāng)考慮富余量，H按35m取值。降水井布置在沉井外圍，距離沉井外壁7m。
[0042]2)采用以下措施加強沉井底部在土層中的錨固:
[0043]①當(dāng)沉井下沉到設(shè)計標(biāo)高，在對四周預(yù)留凹槽進(jìn)行沖洗及表面鑿毛處理后，凹槽中的預(yù)留鋼筋與沉井底板的新鋪鋼筋采用焊接連接，焊接接頭相互錯開，d=28mm，焊接接頭連接區(qū)段的長度取為1000mm。
[0044]②綜合沉井底部場地條件選取灌注樁直徑D=0.8m，由《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94-2008)中5.7.2條確定共需16根樁長l=8m的混凝土灌注樁，在每個區(qū)格中沿著垂直于頂管頂進(jìn)方向各設(shè)置2根，灌注樁與沉井底部采用倒梯形樁帽連接，倒梯形樁帽尺寸符合圖3要求，樁頂鋼筋錨入沉井底板。
[0045]3)