專利名稱：控制沉井后背土體變形的施工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地下建筑工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種控制大直徑平行頂管施工引起的沉井后背土體變形的施工方法。
背景技術(shù)：
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中將頂管機(jī)和待鋪設(shè)的管節(jié)在地下逐節(jié)頂進(jìn)直到頂管接收井的一種非開挖地下管道敷設(shè)施工工藝。沉井用作工作井在頂管工程中有著廣泛的應(yīng)用。在管道頂進(jìn)過程中，頂管機(jī)循環(huán)往復(fù)的頂力通過后背墻反作用到后背墻后的后背土體上。當(dāng)頂力過大同時(shí)沉井的后背土體不夠穩(wěn)定時(shí)，后背土體可能會出現(xiàn)較大的變形，使頂管機(jī)的一部分工作回程消耗在后背土體的變形上，降低了頂管機(jī)的工作效率。后背土體的嚴(yán)重變形還可能造成后背土被破壞，使頂進(jìn)施工失敗。另一方面，后背土體的較大變形也將導(dǎo)致沉井周圍路面或建筑物的損壞，從而引發(fā)一系列環(huán)境災(zāi)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。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1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1001-1986^006)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(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地降低后背墻體的水平位移值。但是，該文獻(xiàn)僅僅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(jì)算分析，并沒有給出控制后背土體位移的相關(guān)技術(shù)措施。同時(shí)，在這篇文章的結(jié)論中作者也指出了其所用方法的局限性，即沒有考慮頂管的反復(fù)加荷-卸荷的實(shí)際情況。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種控制沉井后背土體變形的施工方法，以解決復(fù)雜加載尤其是循環(huán)或變化重復(fù)載荷作用下沉井后背土體的變形控制問題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種解決復(fù)雜加載尤其是循環(huán)或變化重復(fù)載荷作用下沉井后背土體的變形控制問題的控制沉井后背土體變形的施工方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種控制沉井后背土體變形的施工方法，包括以下步驟步驟一，在沉井周邊實(shí)施井點(diǎn)降水，將地下水位降低至所述沉井的底面以下；步驟二，加強(qiáng)所述沉井的底部在土層中的錨固提高所述沉井的整體剛度；步驟三，交替安排多個(gè)平行頂管的頂進(jìn)順序；步驟四，建立所述沉井及其后背土體的簡化三維有限元模型，并根據(jù)所述后背土體的最大允許變形限值確定頂進(jìn)施工時(shí)的頂力預(yù)控參數(shù)；步驟五，在頂進(jìn)施工中采用注漿工藝使所述頂管的外壁與土層之間形成具有減摩降阻作用的觸變泥漿套；步驟六，根據(jù)步驟三所述平行頂管的頂進(jìn)順序，頂管施工前在所述后背土體中安裝測試儀器進(jìn)行測點(diǎn)布置，頂管施工中根據(jù)所述測點(diǎn)反饋的測試信息調(diào)整施工參數(shù)。進(jìn)一步地，步驟二中，用高壓水槍將刃腳上方井壁內(nèi)側(cè)的預(yù)留凹槽沖洗干凈，將表面混凝土全部鑿毛并露出石子，并將預(yù)留鋼筋與底板鋼筋焊接。進(jìn)一步地，步驟二中，在所述沉井的底部設(shè)置混凝土鉆孔灌注樁以抵抗頂力引起的反作用力；所述灌注樁與所述沉井的底部采用倒梯形樁帽連接；所述灌注樁的樁頂鋼筋錨入所述沉井的底板，所述灌注樁在所述沉井的底部各區(qū)格中沿著垂直于頂管頂進(jìn)方向均勻分布。進(jìn)一步地，步驟三中，兩根所述平行頂管同時(shí)頂進(jìn)所引起的沉井后背墻上的兩個(gè)頂力的差值不超過20%。進(jìn)一步地，步驟四中，采用安定性分析法確定頂進(jìn)施工時(shí)的所述頂力預(yù)控參數(shù)。進(jìn)一步地，步驟五中，在機(jī)頭尾部環(huán)向均勻布置多個(gè)壓漿孔，所述機(jī)頭后面的三節(jié)管節(jié)上都設(shè)置壓漿孔，再往后每三節(jié)里有一節(jié)管節(jié)上設(shè)置壓漿孔，管節(jié)壓漿孔均呈斜向45°正交環(huán)向交叉布置。進(jìn)一步地，步驟五中，采用由膨潤土、粉末化學(xué)漿糊、純堿和水構(gòu)成的泥漿潤滑減摩劑。進(jìn)一步地，步驟六中，根據(jù)頂進(jìn)順序及所述后背土體的場地條件，在所述后背土體貼近所述后背墻處埋設(shè)側(cè)斜管和土壓力傳感器，在地表測試端采用圍砌磚墻的方式與周圍隔1 °進(jìn)一步地，步驟六中，在所述后背土體固結(jié)后進(jìn)行測試以驗(yàn)證測點(diǎn)的可用性；在所述平行頂管頂進(jìn)施工之前進(jìn)行同樣的測試步驟。在所述后背土體需要加固時(shí)，采用在所述后背墻后一定范圍內(nèi)進(jìn)行垂直旋噴樁加固。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的控制沉井后背土體變形的施工方法，通過上述步驟，解決了大直徑平行頂管施工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，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)，保證了頂管工程的順利進(jìn)行以及最大限度地降低了沉井后背土體變形對周邊環(huán)境的負(fù)面影響。本發(fā)明的施工方法彌補(bǔ)了已有施工工藝的不足和缺陷，具有易于實(shí)施、費(fèi)用低等有益效果。以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。


圖1是本發(fā)明的一實(shí)施例中的平面狀態(tài)示意圖。圖2是圖1的剖面狀態(tài)示意圖。圖3是沉井底部混凝土灌注樁的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是三維簡化模型的示意圖。圖5是后背土體中監(jiān)測點(diǎn)平面位置示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1、圖2所示，本發(fā)明的一種控制沉井后背土體變形的施工方法，應(yīng)用于以下工程，主涵管穿越河道，長450米，采用4條頂管1 (每節(jié)鋼筋混凝土預(yù)制頂管規(guī)格為內(nèi)直徑3500毫米，長2. 5米，分別以1#、2#、3#、4#區(qū)別)，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(diǎn)。各條頂管1之間的中心距為9. 5米，管底、管頂高程分別為-17. 65米和-13. 45米。南側(cè)工作井21和北側(cè)接收井22均為沉井結(jié)構(gòu)，平面尺寸37米X 22. 5米，刃腳底高程均為-21.0米。頂管1由南側(cè)工作井21出發(fā)，頂進(jìn)到北側(cè)接受井22結(jié)束。箭頭A所示為頂進(jìn)方向。參見圖3、圖4所示，本發(fā)明的施工方法主要包括以下步驟步驟一，在沉井4(工作井)周邊實(shí)施井點(diǎn)降水，將地下水位降低至沉井4的底面以下。降水方法根據(jù)場地的水文地質(zhì)條件、工程設(shè)計(jì)要求及沉井下沉的施工特點(diǎn)選取，降水井井深H = Hi+H^Hg+^+iro上式中H為降水井井深諷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；A為沉井等效計(jì)
算半徑。降水井距沉井壁的距離按沉井周邊的場地情況在4米 8米之間取值。本實(shí)施例中，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(jì)要求及沉井下沉的施工特點(diǎn)，采用橋式濾水鋼管井降水，H1取25米；H2取1米；H3取2米；H4取2米；i取1/5 ;Γ(Ι取17. 5米，適當(dāng)考慮富余量，H按35米取值。降水井布置在沉井外圍，距離沉井外壁7米。步驟一的作用是增大沉井壁及底面與土層的摩擦，同時(shí)便于步驟二實(shí)施。步驟二，加強(qiáng)沉井4的底部在土層43中的錨固提高沉井4的整體剛度。步驟二中，用高壓水槍將刃腳上方沉井側(cè)壁42內(nèi)側(cè)的預(yù)留凹槽44沖洗干凈，將表面混凝土全部鑿毛并露出石子，并將預(yù)留鋼筋與沉井底板41的鋼筋焊接，焊接接頭連接區(qū)段的長度不小于35d，d為縱向受力鋼筋的較大直徑。在沉井4的底部設(shè)置混凝土鉆孔灌注樁45以抵抗頂力引起的反作用力。灌注樁45與沉井底板41采用倒梯形樁帽連接。灌注樁45的樁頂鋼筋錨入沉井底板41，灌注樁45在沉井4的底部各區(qū)格中沿著垂直于頂管頂進(jìn)方向均勻分布。本實(shí)例中當(dāng)沉井4下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，在對四周預(yù)留凹槽44進(jìn)行沖洗及表面鑿毛處理后，凹槽44中的預(yù)留鋼筋與沉井底板41的新鋪鋼筋采用焊接連接，焊接接頭相互錯開，d =觀毫米，焊接接頭連接區(qū)段的長度取為1000毫米。另外，綜合沉井底部場地條件，選取灌注樁45直徑D = 0. 8米，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I = 8米的混凝土灌注樁，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，樁頂鋼筋錨入沉井底板。步驟二的作用是提高沉井4在頂力作用下的空間變形協(xié)調(diào)性。步驟三，交替安排四個(gè)平行頂管1的頂進(jìn)順序。根據(jù)機(jī)械設(shè)備、場地條件及經(jīng)濟(jì)性要求選擇合理的頂進(jìn)順序，分散后背墻5作用力，同時(shí)充分利用沉井4的整體剛度。本實(shí)例中，有四根相互平行的頂管1(分別編號1#、2#、3#、4#)需頂進(jìn)，考慮到設(shè)備的限制及經(jīng)濟(jì)性，按照二根頂管一組的原則分階段頂進(jìn)。為減小頂管之間的相互影響，不使后背墻5的作用力過于集中，每組頂管同時(shí)頂進(jìn)。頂進(jìn)時(shí)，密切觀察兩邊油缸讀數(shù)，將兩根頂管頂進(jìn)引起的沉井后背墻上的頂力Vi、Vj的差值控制在20%以內(nèi)。步驟四，根據(jù)工程計(jì)算精度要求，建立沉井4及其后背土體3的簡化三維有限元模型，并根據(jù)后背土體3的最大允許變形限值，采用安定性分析法確定頂進(jìn)施工時(shí)的頂力預(yù)控參數(shù)。根據(jù)步驟六中后背土體3的最大允許變形限值，采用安定性分析方法取多組頂力組合值施加在模型上，進(jìn)行循環(huán)加、卸載，最終確定兩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)。本實(shí)施例中獲得的Vi = 10290kN, Vj = 9650kN，具體步驟為1、有限元模型的建模范圍本工程實(shí)例中，垂直于頂管頂進(jìn)方向?qū)挾菳 = 37米，頂管反力作用面的邊長d = 4. 2米，頂管反力作用面與沉井頂部之間的距離s = 12. 2米。因此，沉井4的后背土體3的長度L = 35米，高度h = 18米。2、模型邊界條件在后背墻5的底邊ζ = -1米處和兩側(cè)面ζ = -1米處施加切向均布力，分別模擬沉井底板41與土體摩擦力、沉井側(cè)壁42與土體摩擦力；在ζ向ζ = 0處4個(gè)頂管反力作用面上按照步驟三的頂進(jìn)順序按照每2根頂管一組施加反力，其余部分不約束。兩個(gè)側(cè)面χ = -18. 5米和χ = +18. 5米處，除了 ζ = -1米部分，限制其χ方向位移；底面y = 0處，除了 ζ = -1米部分，限制其y方向的位移；背面ζ = -20米處，限制其ζ方向位移；地表y = +18米處為自由面。3、后背土體3與后背墻5均用三維六面體實(shí)體單元模擬，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5按彈性體考慮，不考慮其塑性變形。在后背墻5與后背土體3之間設(shè)置接觸面單元模剛體-柔體的面面接觸特性，土與混凝土之間的摩擦系數(shù)取0.3。步驟五，在頂進(jìn)施工中采用高效的注漿工藝使頂管1的外壁與土層之間形成具有減摩降阻作用的觸變泥漿套，從而減小頂力對后背土體3的擾動影響，保證觸變泥漿的注漿效果。在進(jìn)出洞口設(shè)置防水效果較好的止水裝置，管接口密封性能保持良好，確保漿液不從進(jìn)出洞口滲漏。從出洞口開始壓漿，避免頂管進(jìn)入土體后被握裹。具體如，在進(jìn)出洞口處制作寬度為25厘米的一圈止水法蘭，另在洞口內(nèi)制作一圈止水鋼套環(huán)與之相連。在打開洞門，機(jī)頭進(jìn)洞時(shí)開始壓漿。在機(jī)頭尾部環(huán)向均勻布置多個(gè)壓漿孔(如四個(gè))，機(jī)頭后面的三節(jié)管節(jié)上都設(shè)置壓漿孔，再往后每三節(jié)里有一節(jié)管節(jié)上設(shè)置壓漿孔，管節(jié)壓漿孔均呈斜向45°正交環(huán)向交叉布置。在整個(gè)頂管中每間隔2個(gè)管子設(shè)1個(gè)補(bǔ)漿斷面，每個(gè)斷面共4個(gè)注漿孔，利用機(jī)頭尾部的壓漿孔進(jìn)行同步注漿，利用管節(jié)上的壓漿孔進(jìn)行補(bǔ)漿，補(bǔ)漿按順序依次進(jìn)行。同時(shí)，還可以采用由膨潤土、粉末化學(xué)漿糊、純堿和水構(gòu)成的泥漿潤滑減摩劑。具體可以為，膨潤土、CMC (粉末化學(xué)漿糊)、純堿和水的重量比為16 %、0. 2 %、0. 6 %、84 %，拌和好的觸變泥漿靜置M小時(shí)后再進(jìn)行灌注。
步驟六，根據(jù)后背土體3的場地條件，及步驟三平行頂管1的頂進(jìn)順序，在頂管施工前進(jìn)行測點(diǎn)布置和監(jiān)測，在后背土體3貼近后背墻5處埋設(shè)側(cè)斜管和土壓力傳感器，以反饋測試信息從而調(diào)整施工參數(shù)，在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。具體地，參見圖5所示，在沉井4的結(jié)構(gòu)封底結(jié)束后，即進(jìn)行測試儀器的埋設(shè)，測斜管和土壓力傳感器均采用鉆孔回填的方法埋設(shè)。在距離后背墻5的1米處的1#、3#頂進(jìn)反力之間各設(shè)置一個(gè)土壓測點(diǎn)Sl和位移測點(diǎn)Cl。在距離后背墻5的1米處的2#、4#頂進(jìn)反力之間各設(shè)置一個(gè)土壓測點(diǎn)S2和位移測點(diǎn)C-2，測點(diǎn)S1、C1、S2、C2埋深均為距后背土體3的地表10米。裸露在地表的測試端用空心磚圍砌0. 5米X0. 5米的圍護(hù)保護(hù)測點(diǎn)。待測點(diǎn)處土體固結(jié)7天后，對其進(jìn)行試測，測點(diǎn)S1、C1、S2、C2的讀數(shù)均較為穩(wěn)定，連續(xù)3次的數(shù)值差均不超過均值的10%。約40天后，頂管開始頂進(jìn)施工，在此之前進(jìn)行同樣的步驟測試初始值，把此時(shí)測得的3次數(shù)據(jù)的平均值作為整個(gè)頂進(jìn)過程的初始值。正常頂進(jìn)時(shí)，各階段的測試頻率一天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)提高測試頻率。土體位移值均在-30毫米 +30毫米范圍內(nèi)，且土壓實(shí)測值無異常，最大值未超出120kPa，不需要采取額外的土體加固措施。在后背土體3需要加固時(shí)，采用在后背墻5后B/2范圍內(nèi)進(jìn)行垂直旋噴樁加固。本發(fā)明緊密結(jié)合施工過程采取相應(yīng)控制措施，需額外增加的工序少，可節(jié)省工期、降低費(fèi)用，是頂管工程中合理控制沉井后背土體變形的一種簡單實(shí)用的方法。以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種控制沉井后背土體變形的施工方法，包括以下步驟步驟一，在沉井周邊實(shí)施井點(diǎn)降水，將地下水位降低至所述沉井的底面以下；步驟二，加強(qiáng)所述沉井的底部在土層中的錨固提高所述沉井的整體剛度；步驟三，交替安排多個(gè)平行頂管的頂進(jìn)順序；步驟四，建立所述沉井及其后背土體的簡化三維有限元模型，并根據(jù)所述后背土體的最大允許變形限值確定頂進(jìn)施工時(shí)的頂力預(yù)控參數(shù)；步驟五，在頂進(jìn)施工中采用注漿工藝使所述頂管的外壁與土層之間形成具有減摩降阻作用的觸變泥漿套；步驟六，根據(jù)步驟三所述平行頂管的頂進(jìn)順序，頂管施工前在所述后背土體中安裝測試儀器進(jìn)行測點(diǎn)布置，頂管施工中根據(jù)所述測點(diǎn)反饋的測試信息調(diào)整施工參數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的施工方法，其中，步驟二中，用高壓水槍將刃腳上方井壁內(nèi)側(cè)的預(yù)留凹槽沖洗干凈，將表面混凝土全部鑿毛并露出石子，并將預(yù)留鋼筋與底板鋼筋焊接。
3.如權(quán)利要求1所述的施工方法，其中，步驟二中，在所述沉井的底部設(shè)置混凝土鉆孔灌注樁以抵抗頂力引起的反作用力；所述灌注樁與所述沉井的底部采用倒梯形樁帽連接；所述灌注樁的樁頂鋼筋錨入所述沉井的底板，所述灌注樁在所述沉井的底部各區(qū)格中沿著垂直于頂管頂進(jìn)方向均勻分布。
4.如權(quán)利要求1所述的施工方法，其中，步驟三中，兩根所述平行頂管同時(shí)頂進(jìn)所引起的沉井后背墻上的兩個(gè)頂力的差值不超過20%。
5.如權(quán)利要求1所述的施工方法，其中，步驟四中，采用安定性分析法確定頂進(jìn)施工時(shí)的所述頂力預(yù)控參數(shù)。
6.如權(quán)利要求1所述的施工方法，其中，步驟五中，在機(jī)頭尾部環(huán)向均勻布置多個(gè)壓漿孔，所述機(jī)頭后面的三節(jié)管節(jié)上都設(shè)置壓漿孔，再往后每三節(jié)里有一節(jié)管節(jié)上設(shè)置壓漿孔，管節(jié)壓漿孔均呈斜向45°正交環(huán)向交叉布置。
7.如權(quán)利要求1所述的施工方法，其中，步驟五中，采用由膨潤土、粉末化學(xué)漿糊、純堿和水構(gòu)成的泥漿潤滑減摩劑。
8.如權(quán)利要求1所述的施工方法，其中，步驟六中，根據(jù)頂進(jìn)順序及所述后背土體的場地條件，在所述后背土體貼近所述后背墻處埋設(shè)側(cè)斜管和土壓力傳感器，在地表測試端采用圍砌磚墻的方式與周圍隔離。
9.如權(quán)利要求8所述的施工方法，其中，步驟六中，在所述后背土體固結(jié)后進(jìn)行測試以驗(yàn)證測點(diǎn)的可用性；在所述平行頂管頂進(jìn)施工之前進(jìn)行同樣的測試步驟。
10.如權(quán)利要求9所述的施工方法，其中，步驟六中，在所述后背土體需要加固時(shí)，采用在所述后背墻后一定范圍內(nèi)進(jìn)行垂直旋噴樁加固。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種控制沉井后背土體變形的施工方法，包括步驟一，將地下水位降低至沉井的底面以下；步驟二，提高沉井的整體剛度；步驟三，交替安排多個(gè)平行頂管的頂進(jìn)順序；步驟四，建立沉井及其后背土體的簡化三維有限元模型并根據(jù)后背土體的最大允許變形限值，確定頂進(jìn)施工時(shí)的頂力預(yù)控參數(shù)；步驟五，在頂進(jìn)施工中采用注漿工藝使頂管的外壁與土層之間形成具有減摩降阻作用的觸變泥漿套；步驟六，根據(jù)平行頂管的頂進(jìn)順序，頂管施工前在后背土體中安裝測試儀器進(jìn)行測點(diǎn)布置，施工中根據(jù)測點(diǎn)反饋的測試信息調(diào)整施工參數(shù)。本發(fā)明解決了大直徑平行頂管施工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，具有易于實(shí)施、費(fèi)用低的有益效果。
文檔編號E02D31/00GK102561406SQ20111042207
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者孫陽, 徐正良, 沈水龍 申請人:上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院