隧道围岩管幕冻结组合预加固中的管幕施工技术研究

摘要

随着我国道路交通的不断发展，为隧道施工技术的提升提供了一个良好的平台，发展至今隧道施工方法已经多样化，管幕预加固技术作为软岩大断面隧道开挖重要的辅助工法之一，在越来越多的隧道施工中采用，该方法的最大特点在于施工安全、地层适应性好以及对周围环境影响小等。港珠澳大桥拱北暗挖隧道所在位置地质条件复杂、地理位置重要，采用该工法能很好的解决此类问题。由于管幕预加固施工是顶进多根顶管，对地层会多次扰动，从而使得管幕周围土体、建筑物和地下管线发生变形，过大的变形对周围建筑物和管线将是破坏性的，因此能有效预测管幕施工对地表沉降的影响，不仅可以了解管幕施工对地表变形产生的变化规律，而且可以做到提前采取预防措施，有效的预防灾害的发生。在顶管顶进过程中，为使长距离顶管顺利完工，须要在施工过程中注入润滑浆液，润滑浆液在顶管施工过程中主要有两种作用:一是润滑浆液可以起到润滑作用，改变管道与土体之间摩擦特性，使其由干摩擦变为湿摩擦，减小掘进阻力;二是润滑浆液还有支撑土体和填补施工间隙的作用。因此，在施工前准确确定摩擦阻力对顶管掘进机的选型和管道材料的选择有很大的帮助。顶管施工时管节之间的相互作用也非常复杂，通过有效的方式了解到管节之间的相互作用，对管幕设计和施工也是有很大的帮助。鉴于上述相关问题，本文依托港珠澳大桥拱北暗挖隧道，在前人的理论分析和经验总结的基础上，采用模型试验、理论分析以及数值模拟相结合的研究方法对隧道围岩管幕冻结组合预加固中的管幕施工技术进行研究，主要针对润滑浆液的减阻效应、管节之间力学行为以及管幕施工对地表沉降的影响等进行研究。
　　本研究主要内容包括：⑴利用简易试验装置对顶管施工常见的两种接触状态的摩擦特性进行试验研究:管-润滑浆液-土接触状态和管-土接触状态，通过对试验结果进行极差分析法分析，试验反应出膨润土对减阻效果最明显，且根据试验反应的基本规律提出在实际工程中的改进方法。⑵采用多体力学法并借助有限元软件ABAQUS进行多体模型分析，通过该方法探讨顶管顶进时管节之间的力学行为。研究发现管节之间的顶推力呈现出一定的变化规律，进而推算出不同顶进距离下的油缸总顶力，其顶力值与工程监测数据相比基本吻合。通过对管节之间绕管轴方向的相对转动角和水平作用力研究发现，在曲线顶管中相对转动角一般比较小，但水平作用力的影响不可忽约，同时也伴随着一定的变化规律。研究表明单位面积摩擦阻力和管端正面阻力都对顶力有影响，但摩擦阻力是顶进阻力形成的主要因素。⑶结合港珠澳大桥拱北隧道的工程数据，利用ABAQUS有限元软件对单根顶管和小间距平行顶管三维有限元模拟，考虑顶进时管土相互作用的接触面。研究结果表明：单管顶进时，开挖面的前方土体基本不发生变形;开挖面的后方，土体发生沉降，同时随着顶程增加，最大沉降值也在变大，且最大沉降值与现场监测值相差较小；地表变形以沉降为主，随着顶程继续增加，地表变形继续下沉，沉降的最大值在顶管轴线上方并向两边扩散；多根管道顶进，对地表沉降会产生叠加的影响，且第二根管在第一管下方时对沉降槽的变化趋势产生影响，使沉降槽曲线呈现出左边“宽大”，右边“度小”的现象，而第三根管道在第一根管道上方时，对地表沉降的影响要小很多，且不改变沉降槽的变化趋势。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 管幕预加固法的研究现状

1．2．2 顶管的研究现状

1．2．3 润滑浆液研究现状

1．3 工程概况

1．3．1 地质条件与水文条件

1．3．2 不良地质

1．3．3 周边建筑及地下管线

1．3．4 管幕顶进顺序及施工进度

1．3．5 泥水平衡式顶管掘进机施工技术

1．4 主要研究工作

第二章 不同配合比润滑浆液与钢管摩擦特性简易试验研究

2．1 引言

2．2 试验理论依据

2．3 试验设计

2．3．1 试验方法

2．3．2 数据统计

2．4 试验步骤

2．4．1 准备阶段

2．4．2 实施阶段

2．4．3 泥浆拌制

2．4．4 分析方法

2．5 试验结果分析

2．5．1 管-润滑浆液-土相互作用摩擦特性试验结果分析

2．5．2 管-土相互作用摩擦特性试验结果分析

2．6 小结

第三章 顶管顶进过程的多体动力学分析

3．1 引言

3．2 顶管承受的各种荷载计算

3．2．1 管端正面阻力

3．2．2 管道上的土压力

3．2．3 顶进过程中单位面积摩擦阻力

3．2．4 顶进时的顶力

3．2．5 29#管顶进承受的各种荷载确定

3．3 多体动力学基本理论

3．4 多体模型分析方法

3．4．1 基本分析步骤

3．5 模型参数

3．5．1 基本假设

3．5．2 钢材本构模型

3．5．3 管节材料特性

3．6 直线顶管多体模型分析

3．6．1 网格划分与连接属性

3．6．2 直线顶管多体模型结果模拟计算分析

3．7 直线顶管转变为曲线顶管多体模型分析

3．7．1 曲线顶管转角确定

3．7．2 连接属性的确定

3．7．2 管节之间的夹角分析

3．8 曲线顶管多体模型分析

3．8．1 网格划分与连接属性

3．8．2 曲线顶管多体模型分析结果

3．9 小节

第四章 顶管管幕施工三维有限元模拟

4．1 引言

4．2 本构模型

4．3 ABAQUS有限元模拟基本假设

4．4 模型的建立

4．4．1 计算参数的确定

4．4．2 润滑浆液层的模拟

4．4．3 边界条件

4．4．4 单元类型选择及网格划分

4．4．5 地应力平衡

4．5 29#管顶进模拟

4．5．1 模拟流程

4．5．2 29#管顶进模拟结果分析

4．6 小间距平行顶管顶进模拟

4．6．1 28#顶进模拟结果

4．6．2 30#顶进模拟结果

4．7 小结

第五章 顶管管幕施工关键技术分析

5．1 引言

5．2 管幕施工关键技术

5．2．1 顶管掘进机选型

5．2．2 顶管始发与接收

5．2．3 管幕润滑减阻

5．2．4 管幕曲线顶进轨迹控制

5．2．5 管幕纠偏

5．2．6 地面监测

5．3 小节

结论与展望

本文主要研究成果

展望及下一步研究思路

参考文献

声明

致谢