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(kāi)挖地表的情況下，利用液壓油缸從頂管工作井將頂管機(jī)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(kāi)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(lái)越普及，應(yīng)用的領(lǐng)域也越來(lái)越寬。近年來(lái)已應(yīng)用到自來(lái)水管、煤氣管、動(dòng)力電纜、通信電纜和發(fā)電廠(chǎng)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(guò)程中，通過(guò)后背墻將循環(huán)往復(fù)的頂力傳給墻后土體。若頂力過(guò)大，而沉井后背土體穩(wěn)定性不夠時(shí)，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(shí)會(huì)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?chē)访婧徒ㄖ锏膿p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(duì)確保頂管工程安全與順利進(jìn)行十分重要。
[0003]經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)文獻(xiàn)檢索，嚴(yán)紹軍和張愛(ài)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(yè))上發(fā)表的“頂管工程后背受力與變形三維分析”(文章編號(hào):1001-1986 (2006)01-0037-04)中以某頂管工程為背景，采用朗肯被動(dòng)土壓力理論對(duì)后背土體的承載能力進(jìn)行了分析。通過(guò)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(jì)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(duì)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(jì)算分析，并沒(méi)有給出限制后背土體位移的相關(guān)技術(shù)措施，即沒(méi)有考慮頂管的反復(fù)加荷-卸荷的實(shí)際情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)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(wèn)題，保證了頂管工程的順利進(jìn)行以及最大限度降低對(duì)周邊環(huán)境的影響。
[0005]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括:
[0006]I)在沉井周邊實(shí)施井點(diǎn)降水，通過(guò)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(diǎn)降水，根據(jù)場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件、工程設(shè)計(jì)要求及沉井下沉的施工特點(diǎn)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(guò)濾器的工作長(zhǎng)度，H4為沉淀管長(zhǎng)度，i為水力坡度，r0為沉井等效計(jì)算半徑。
[0009]所述的降水井距沉井壁的距離按沉井周邊的場(chǎng)地情況選取，優(yōu)選為4m?Sm。
[0010]2)加強(qiáng)沉井底部在土層中的錨固，通過(guò)發(fā)揮沉井整體剛度，實(shí)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(zhǎng)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(chǎng)地條件選取，數(shù)量及樁長(zhǎng)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(shí)頂進(jìn)。
[0016]所述的頂進(jìn)順序根據(jù)機(jī)械設(shè)備、場(chǎng)地條件及經(jīng)濟(jì)性要求合理選擇。
[0017]所述的同時(shí)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(guò)20%。
[0018]4)建立沉井及其后背土體的簡(jiǎn)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(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)，s為頂管反力作用面至沉井頂部之間的距離。
[0020]4.2)計(jì)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(gè)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(gè)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(kù)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(duì)后背土體的擾動(dòng)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(kāi)始?jí)簼{；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(shí)避免管子進(jìn)入土體后被握裹。
[0024]5.2)在機(jī)頭尾部環(huán)向均勻布置4個(gè)壓漿孔，在機(jī)頭后面的三節(jié)管節(jié)上均布?jí)簼{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(rùn)土、CMC(Carboxymethyl Cellulose,羧甲基纖維素)、碳酸鈉和水的泥漿潤(rùn)滑減摩劑通過(guò)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(duì)性地制定監(jiān)測(cè)方案，在頂管施工前進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置和監(jiān)測(cè)，在后背土體中安裝測(cè)試儀器，及時(shí)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(chǎng)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(diǎn)埋設(shè)側(cè)斜管和土壓力傳感器，地表測(cè)試端采用圍砌磚墻的方式與周?chē)綦x，避免遭到其它施工工序的破壞和干擾。
[0029]6.2)測(cè)試儀器在沉井沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，封底結(jié)束后進(jìn)行，且至少距頂管開(kāi)始頂進(jìn)施工7天。待安裝過(guò)程全部結(jié)束土體固結(jié)至少7天后，進(jìn)行試測(cè)以驗(yàn)證測(cè)點(diǎn)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(guò)均值的10%。在頂管將要頂進(jìn)前，進(jìn)行同樣的步驟測(cè)試初始值，把此時(shí)測(cè)得的3次數(shù)據(jù)的平均值作為整個(gè)頂進(jìn)過(guò)程的初始值。
[0030]6.3)監(jiān)測(cè)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(shí)，根據(jù)需要適當(dāng)提高測(cè)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(xiàng)針對(duì)性較強(qiáng)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(wèn)題，使得沉井后背土體的變形可以有效地控制在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，為頂管工程中頂力的有效發(fā)揮供了一項(xiàng)重要的技術(shù)保證，彌補(bǔ)了已有工藝的不足和缺陷。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)施、費(fèi)用低，適用于同類(lèi)工況，在類(lèi)似工程領(lǐng)域具有相當(dāng)?shù)慕梃b價(jià)值。
【附圖說(shuō)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(cè)點(diǎn)平面布置示意圖。
[0038]圖7為本發(fā)明后背土體位移實(shí)測(cè)最大值示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)2.5m)，每條頂管由180節(jié)預(yù)制管組成，具有大截面、長(zhǎng)距離的特點(diǎn)。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(chǎng)地的詳細(xì)地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，結(jié)合工程設(shè)計(jì)要求及沉井下沉的施工特點(diǎn)，本方案設(shè)計(jì)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(qiáng)沉井底部在土層中的錨固:
[0043]①當(dāng)沉井下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，在對(duì)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(cuò)開(kāi)，d=28mm，焊接接頭連接區(qū)段的長(zhǎng)度取為1000mm。
[0044]②綜合沉井底部場(chǎng)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(zhǎng)l=8m的混凝土灌注樁，在每個(gè)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)