大直徑剛頂管國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1、大直徑剛頂管國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1957年，德國(guó)首次采用混凝土管節(jié)進(jìn)行施工。1965年日本研制出首臺(tái)全斷面泥水頂管掘進(jìn)機(jī)2,1972年日本Komastu公司成功研制出帶獨(dú)立千斤頂可以控制頂進(jìn)方向的頂管機(jī)，并在1974年首次投入使用。1975年德國(guó)的漢堡下水道頂管工程創(chuàng)造了世界上混凝土頂管第一次超過(guò)千米的記錄3,1995年后日本著重于頂管的抗震性能、長(zhǎng)距離頂進(jìn)、曲線頂進(jìn)等技術(shù)層面的發(fā)展4。Peck5通過(guò)研究大量機(jī)械掘進(jìn)施工的地面沉降數(shù)據(jù)，擬合后給出一個(gè)廣泛應(yīng)用的數(shù)學(xué)表達(dá)式，隨后很多學(xué)者在研究穿越施工造成的沉降時(shí)，都在其基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。Peck公式假設(shè)土體不排水，不可壓縮，地面沉降完全由地層損失造成。計(jì)

2、算公式：SxSMAXexp2：2(1-1)式中：x控制點(diǎn)和隧道中心線的水平距離；S一沉降值；i一沉降槽的曲線寬度系數(shù)，其計(jì)算公式:(1-2)2tan45一2其中：卜一覆土厚度；R一隧道等效半徑；小一B道內(nèi)摩擦角;Smax是地表沉降最大值，位于隧道中心在地面的投影處SMAX.(1-3)iKzo(1-4)式中：Vi一地層損失率；A一隧道開(kāi)挖面積；K一沉降槽寬度系數(shù)；Zo一隧道埋深。Peck公式較為簡(jiǎn)單，雖然所得曲線形狀與實(shí)測(cè)沉降較為吻合，但由于其未考慮現(xiàn)場(chǎng)糾偏、注漿、動(dòng)載等因素，且所用土體參數(shù)不夠全面，多處變量根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)確定，往往結(jié)果與實(shí)際施工出入較大。ORelliy和New6,Attewell

3、和Farmed,Clough和Schmidt8,劉建航咒房營(yíng)光10,姜忻良11等人都對(duì)參數(shù)i提出了不同的取值方法。Verruijt12在對(duì)隧道研究中發(fā)現(xiàn)，假定土體為線彈性體時(shí)，隧道周圍的土體變形由土層的徑向移動(dòng)和初始應(yīng)力引起的土體運(yùn)動(dòng)兩部分組成。Imamurd13通過(guò)離心模型試驗(yàn)，研究了地表沉降和隧道上方土壓力的分布規(guī)律，提出了地表沉降和埋深比的關(guān)系。Sagaseta4基于土體是彈性體，土體不壓縮變形、不排水，不考慮各種掘進(jìn)參數(shù)的影響等假設(shè)條件下提出地面變形二維解，Loganathan和Poulosf15對(duì)Sagaseta提出的解析解針對(duì)不同施工因素進(jìn)行修正，魏綱16根據(jù)Loganathan和

4、Poulos提出的研究方法，通過(guò)對(duì)Verriujt計(jì)算公式進(jìn)行修正，并用英國(guó)、加拿大、泰國(guó)等地四處案例進(jìn)行反算分析，得出Loganathan公式只適用于流塑狀態(tài)的黏土的結(jié)論，當(dāng)土質(zhì)較硬，計(jì)算所得沉降值比實(shí)際值要小。Yashima17等通過(guò)離心機(jī)模型試驗(yàn)分析了隧道開(kāi)挖對(duì)既有樁基的變形影響。當(dāng)樁基與隧道橫向水平距離小于1/4隧道直徑時(shí)對(duì)樁基影響較大，樁基與隧道水平距離大于2倍隧道直徑時(shí)，對(duì)樁基影響較小。Mroueh和ShahrouF8等采用數(shù)值分析軟件研究隧道施工對(duì)樁基的影響。用整體有限元分析的方法，考慮樁一土相互作用和被動(dòng)群樁之間的影響。HidekiShimada19等運(yùn)用非線性有限元法對(duì)化學(xué)灌

5、漿的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)二維歐拉一拉格朗日滲流分析，探討了化學(xué)灌漿材料注入隧道周圍土體時(shí)的性能表現(xiàn)。K.Shou20等進(jìn)行了彎曲頂管的數(shù)值分析和頂推力的估算。對(duì)頂推力的分析表明，頂推力的減小與摩擦系數(shù)的減小密切相關(guān)，并且在曲線頂進(jìn)中潤(rùn)滑效果好于直線頂進(jìn)中的潤(rùn)滑效果。SeyedSalehBehbahani1等總結(jié)了曲線頂進(jìn)頂力的四種主要計(jì)算方法，分析認(rèn)為泊松模型是計(jì)算穩(wěn)定開(kāi)挖條件下摩阻力的較為準(zhǔn)確地方法，而島田模型能更安全更接近的預(yù)測(cè)摩阻力大小。KevinG.O'Dwy圖2等對(duì)長(zhǎng)550m、管徑為DN1200mm的頂管隧道進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)較長(zhǎng)停工時(shí)間造成的摩擦力的增加是穩(wěn)態(tài)值的倍數(shù)。Rowe和

6、Kack23等人提出一種預(yù)測(cè)隧道沉降的方法，并通過(guò)四個(gè)案例進(jìn)行結(jié)果檢驗(yàn)，最終表明該方法可以為不同土層由于隧道開(kāi)挖引起的沉降進(jìn)行準(zhǔn)確估算。BobeF4提出了預(yù)測(cè)淺埋隧道土體變形的方法，通過(guò)該方法，可以求得與隧道軸線垂直的橫截面內(nèi)任一點(diǎn)的短期和長(zhǎng)期的應(yīng)力和變形。LeeK.M25等人在研究隧道掘動(dòng)引起地面沉降問(wèn)題時(shí)，創(chuàng)建三維彈塑性有限元理論，模擬黏土地層隧道開(kāi)挖造成的土體移動(dòng)，取得了重要進(jìn)展。我國(guó)頂管施工技術(shù)從出現(xiàn)到躍進(jìn)世界先進(jìn)水平只用了六十多年，經(jīng)歷了從人力到機(jī)械化，從土壓平衡頂管機(jī)到泥水平衡頂管機(jī)，管材也從鋼筋混凝土管和鑄鐵管到PVC管等復(fù)合管材，從中管徑到小管徑、大管徑，從短距離直線頂管施工到

7、長(zhǎng)距離曲線頂管施工。沈培良26分析常用地面沉降槽計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式與上海地區(qū)盾構(gòu)隧道的適應(yīng)性，提出了隧道上方沉降預(yù)測(cè)公式參數(shù)的確定方法，并推導(dǎo)出沉降分布的修正計(jì)算式，新公式能較好地預(yù)測(cè)盾構(gòu)隧道引起的地面沉降分布。銀英姿27通過(guò)數(shù)值模擬不同覆土深度下頂管施工對(duì)地表變形的影響，根據(jù)數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)值，對(duì)peck公式參數(shù)進(jìn)行合理確定，當(dāng)?shù)貙訐p失率取0.4%,沉降槽寬度系數(shù)K取0.4時(shí)，實(shí)測(cè)值與peck公式擬合較好。劉寶琛和張家生28首次把隨機(jī)介質(zhì)理論引入地鐵隧道對(duì)地面沉降的影響，并進(jìn)一步完善隨機(jī)介質(zhì)理論，將實(shí)測(cè)結(jié)果和預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，能較好地吻合。趙權(quán)威29運(yùn)用有限元軟件和隨機(jī)介質(zhì)理論預(yù)測(cè)了盾構(gòu)下穿鄭州火車站

8、的地表沉降值，并與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，三者較好的吻合，有效保證了施工安全。但隨機(jī)介質(zhì)理論研究計(jì)算非常復(fù)雜，一般工程實(shí)際中缺乏相應(yīng)的應(yīng)用程序來(lái)計(jì)算，因此工程實(shí)際中應(yīng)用不多。唐興莉30通過(guò)對(duì)敏感性試驗(yàn)成果進(jìn)行二次非線性回歸分析，對(duì)土體的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)研究，分析結(jié)果顯示：凝聚力和內(nèi)摩擦角之間存在高度非線性相關(guān)，波峰處凝聚力最高。且隨著土體壓實(shí)度提高，天然密度和含水量相關(guān)性弱化，凝聚力和內(nèi)摩擦角相關(guān)性增強(qiáng)?？椎律?1分析了三種經(jīng)典Winkler動(dòng)力模型和六種改進(jìn)的Winkler動(dòng)力模型。動(dòng)力Winkler基礎(chǔ)梁模型不能詳細(xì)描述土中應(yīng)力波的傳播、土的屈服的發(fā)展和樁土界面上的破壞等復(fù)雜現(xiàn)象，需對(duì)其加

9、以合理改進(jìn)，使其更符合工程實(shí)際。魏綱32,33等人通過(guò)對(duì)土層的受力模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到由頂管開(kāi)挖引起變形的計(jì)算方法，并通過(guò)和其他理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，認(rèn)為可較好預(yù)估地下管線的變形。蘇潔34研究了隧道一土體一樁基一上部結(jié)構(gòu)的相互作用，并給出樁基承載力的計(jì)算方法，認(rèn)為隧道樁基承載力的變化是研究隧道對(duì)樁基影響的關(guān)鍵問(wèn)題。王世高35根據(jù)北京的土質(zhì)特點(diǎn)和施工環(huán)境，查閱大量文獻(xiàn)，在理論上對(duì)土壓平衡頂管施工掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了歸類，由于目前國(guó)內(nèi)對(duì)土壓平衡頂管沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)范，實(shí)際施工需要對(duì)照多數(shù)公式進(jìn)行選取使用。吳波36結(jié)合北京地鐵施工對(duì)鄰近橋基影響，運(yùn)用ABAQUS軟件，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)模擬，重點(diǎn)研究施工過(guò)程中

10、這類橋基的變形和受力狀態(tài)以及樁土相互作用的機(jī)理，并將部分計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較李東風(fēng)37應(yīng)用MIDAS-GTS軟件分析模擬頂管下穿鄭州中州大道工程，分析計(jì)算引起的道路沉降，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和建模分析的對(duì)比，驗(yàn)證建模的正確性，認(rèn)為選取合適的模型參數(shù)對(duì)頂管隧道引起的地表沉降具有實(shí)際指導(dǎo)意義。陳世超38以武漢地鐵7號(hào)線某區(qū)間為背景，采用MIDAS軟件對(duì)隧道掘進(jìn)進(jìn)行模擬，分析不同盾構(gòu)推力、出土量、土壓力、注漿和掘進(jìn)速度等不同掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地面隆沉的影響，對(duì)類似地質(zhì)條件的工程具有借鑒意義。趙崇39通過(guò)數(shù)值模擬分析，研究掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地表變形的影響規(guī)律，并通過(guò)逐步減小支護(hù)力來(lái)探究開(kāi)挖面的變形過(guò)程，研究不同埋深、不

11、同內(nèi)摩擦角、不同土體粘聚力等對(duì)開(kāi)挖面失穩(wěn)的影響，結(jié)果為各種條件下開(kāi)挖面失穩(wěn)的變形規(guī)律相同，大小不一樣。梁子軒40等應(yīng)用三維有限元分析排水隧道對(duì)近接橋梁樁基的影響，研究結(jié)果表明：樁基受穿越的部位產(chǎn)生的變形較為明顯，基坑側(cè)墻中部和底部會(huì)產(chǎn)生較大的變形，由此提出了一些施工建議，可供類似工程參考。殷加順41以廣州地鐵盾構(gòu)施工為背景，利用ABAQUS有限元軟件建立三維模型，研究不同注漿壓力、埋深、地質(zhì)條件對(duì)地表沉降的影響，并分析了土體和漿液固結(jié)擴(kuò)散對(duì)沉降的長(zhǎng)期工后影響，對(duì)工程施工具有指導(dǎo)意義。王月中42依托常州地鐵下穿京滬高鐵橋，通過(guò)盾構(gòu)試驗(yàn)段的數(shù)值模擬分析，確定合適的本構(gòu)模型和地層損失率，再在下穿段分

12、析有無(wú)隔離樁對(duì)墩頂順橋向、橫橋向、豎向的位移變化，采用隔離樁，各項(xiàng)位移均小于1mm,證明開(kāi)挖對(duì)橋墩安全可控，方案可行。參考文獻(xiàn)1梁文藹.大型機(jī)械頂管頂進(jìn)姿態(tài)控制技術(shù)應(yīng)用J.建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2014,(14).2SuhmW.pipe-jackingcapitaloftheworld.TrenchlessTechnologyInte-rnational,1998,(08):22-24.3孫博.復(fù)雜地質(zhì)條件下大管徑長(zhǎng)距離頂管工程綜合研究D.西安：西安建筑科技大學(xué)，2016.4日本下水道協(xié)會(huì)(社)推進(jìn)工法講座R.1999.5PeckRB.Deepexcavationsandtunnelingins

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