土压平衡矩形顶管施工顶力计算方法研究

摘要

随着城市地下隧道的大量建设，矩形顶管技术广泛运用于行人过街地下通道、地铁车站出入口地下通道、地下综合管廊、城市中短隧道等工程中。采用该种地下非开挖技术修建隧道时，最大顶力以及施工过程中顶力配置至关重要，直接影响着顶管工程的成败。然而土压平衡矩形顶管的顶力计算方法以及顶力的影响因素分析等关键理论问题研究尚不足，导致理论计算顶力与实际顶力相差较大，严重影响矩形顶管工程的施工安全。
　　论文依托广西南宁市轨道交通1号线南湖站出入口工程，采用理论分析、现场监控量测等多种研究手段，研究了顶力变化与顶进速度、土舱压力、刀盘扭矩及工作面前方地表沉降变形等施工参数的关系。在此基础上，推导了矩形顶管顶进过程中的顶力计算新方法，分析了顶力影响因素与顶力之间的关系，最后采用该计算方法与其他计算方法进行计算，并将结果与实测结果进行了对比分析。主要得到了以下结论：
　　（1）顶力增大较快的阶段地表为隆起变形，顶力增大较缓的阶段地表为沉降变形，顶力变化波动的阶段地表同时出现了沉降、隆起变形。其中隆起变形符合顶进过程中的挤土效应，因此可以判断地表隆起的阶段为顶力配置的合理阶段。
　　（2）随着顶进距离的增加，顶力线性增加，正面阻力和顶管机周围摩阻力始终保持不变，而管节周围摩阻力线性增加。这种现象说明随着顶进距离增加，顶力的线性增加是由管节周围摩阻力的线性增加引起的，管节周围摩阻力成为影响顶力变化的最主要因素。
　　（3）随着埋深的增加，顶力及组成顶力的三项阻力值均随着顶管埋置深度的增加而增大，增大幅度一致。其中，正面阻力值随着埋置深度增大比较显著，管节周围摩阻力次之，顶管机周围摩阻力随着埋置深度的增加变化相对较小。因此，顶管正面阻力影响顶力的作用最明显，管节周围摩阻力次之，顶管机周围摩阻力较小。
　　（4）随着截面面积增大，顶力、正面阻力和顶管周围总摩阻力也随之增大。其中，顶力与正面阻力的增大程度随着截面面积的增加而增大，顶管周围总摩阻力随截面面积的增大呈线性增长趋势，截面面积的增加对正面阻力的影响效果比对顶管周围摩阻力的影响效果大。
　　（5）基于修正太沙基公式计算竖向土压力，考虑被动土压力条件计算正面阻力，推导了矩形顶管顶进过程中的顶力计算新方法，将采用该计算方法、国家规范公式、日本下水道协会经验公式、薛振兴公式等公式的计算结果与实测结果进行了对比分析，本文公式的计算结果与实际工程中的顶力值更为接近。

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1 绪论

1.1 选题背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 土压平衡矩形顶管顶力研究中存在的问题

1.4 论文研究主要内容

2 土压平衡矩形顶管系统划分与顶力系统作用分析

2.1 土压平衡矩形顶管技术概述

2.2 土压平衡矩形顶管施工系统划分

2.3 顶力系统的作用

2.4 本章小结

3 土压平衡矩形顶管工程背景及其顶力参数研究

3.1 工程概述

3.2 矩形顶管系统选型及配置

3.3 顶进中顶力变化及顶力与其他参数的关系

3.4 本章小结

4 土压平衡矩形顶管工程顶力计算研究

4.1 土压平衡矩形顶管工程顶力的构成要素

4.2 顶管机壳与周围地层的摩阻力F1分析计算

4.3 管节与周围地层的摩阻力F2分析计算

4.4 顶管正面阻力PA分析计算

4.5 矩形顶管顶力计算公式分析

4.6 顶力计算影响因素分析

4.7 本章小结

5 不同顶力计算方法的结果对比分析

5.1 顶力计算对比分析

5.2 各顶力计算结果对比及分析

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

在学研究成果

致谢