CN102561406A - 控制沉井后背土体变形的施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制沉井后背土体变形的施工方法，包括步骤一，将地下水位降低至沉井的底面以下；步骤二，提高沉井的整体刚度；步骤三，交替安排多个平行顶管的顶进顺序；步骤四，建立沉井及其后背土体的简化三维有限元模型并根据后背土体的最大允许变形限值，确定顶进施工时的顶力预控参数；步骤五，在顶进施工中采用注浆工艺使顶管的外壁与土层之间形成具有减摩降阻作用的触变泥浆套；步骤六，根据平行顶管的顶进顺序，顶管施工前在后背土体中安装测试仪器进行测点布置，施工中根据测点反馈的测试信息调整施工参数。本发明解决了大直径平行顶管施工工程中考虑顶力反复作用引起的沉井后背土体的变形控制问题，具有易于实施、费用低的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及地下建筑工程技术领域，尤其涉及一种控制大直径平行顶管施工引起的沉井后背土体变形的施工方法。
背景技术
顶管技术是在不开挖地表的情况下，利用液压油缸从顶管工作井中将顶管机和待铺设的管节在地下逐节顶进直到顶管接收井的一种非开挖地下管道敷设施工工艺。沉井用作工作井在顶管工程中有着广泛的应用。
在管道顶进过程中，顶管机循环往复的顶力通过后背墙反作用到后背墙后的后背土体上。当顶力过大同时沉井的后背土体不够稳定时，后背土体可能会出现较大的变形，使顶管机的一部分工作回程消耗在后背土体的变形上，降低了顶管机的工作效率。后背土体的严重变形还可能造成后背土被破坏，使顶进施工失败。另一方面，后背土体的较大变形也将导致沉井周围路面或建筑物的损坏，从而引发一系列环境灾害。因此，严格控制顶管施工引起的沉井后背土体变形对确保顶管工程安全与顺利进行十分重要。
经过对现有的技术文献检索，严绍军和张爱华在《煤田地质与勘探》(2006年2月，第34卷第1期，第37至第40页)上发表的“顶管工程后背受力与变形三维分析”(文章编号：1001-1986(2006)01-0037-04)中以某顶管工程为背景，采用朗肯被动土压力理论对后背土体的承载能力进行了分析。通过改变后背土体的弹性模量参数，分别取不同模量采用德鲁克-普拉格模型进行计算，得到相应的墙体最大水平位移值，并得出结论：提高土体的弹性模量能有效地降低后背墙体的水平位移值。但是，该文献仅仅对沉井后背土体的承载力以及位移依据理论进行了定量的计算分析，并没有给出控制后背土体位移的相关技术措施。同时，在这篇文章的结论中作者也指出了其所用方法的局限性，即没有考虑顶管的反复加荷-卸荷的实际情况。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种控制沉井后背土体变形的施工方法，以解决复杂加载尤其是循环或变化重复载荷作用下沉井后背土体的变形控制问题。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种解决复杂加载尤其是循环或变化重复载荷作用下沉井后背土体的变形控制问题的控制沉井后背土体变形的施工方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种控制沉井后背土体变形的施工方法，包括以下步骤：步骤一，在沉井周边实施井点降水，将地下水位降低至所述沉井的底面以下；步骤二，加强所述沉井的底部在土层中的锚固提高所述沉井的整体刚度；步骤三，交替安排多个平行顶管的顶进顺序；步骤四，建立所述沉井及其后背土体的简化三维有限元模型，并根据所述后背土体的最大允许变形限值确定顶进施工时的顶力预控参数；步骤五，在顶进施工中采用注浆工艺使所述顶管的外壁与土层之间形成具有减摩降阻作用的触变泥浆套；步骤六，根据步骤三所述平行顶管的顶进顺序，顶管施工前在所述后背土体中安装测试仪器进行测点布置，顶管施工中根据所述测点反馈的测试信息调整施工参数。
进一步地，步骤二中，用高压水枪将刃脚上方井壁内侧的预留凹槽冲洗干净，将表面混凝土全部凿毛并露出石子，并将预留钢筋与底板钢筋焊接。
进一步地，步骤二中，在所述沉井的底部设置混凝土钻孔灌注桩以抵抗顶力引起的反作用力；所述灌注桩与所述沉井的底部采用倒梯形桩帽连接；所述灌注桩的桩顶钢筋锚入所述沉井的底板，所述灌注桩在所述沉井的底部各区格中沿着垂直于顶管顶进方向均匀分布。
进一步地，步骤三中，两根所述平行顶管同时顶进所引起的沉井后背墙上的两个顶力的差值不超过20％。
进一步地，步骤四中，采用安定性分析法确定顶进施工时的所述顶力预控参数。
进一步地，步骤五中，在机头尾部环向均匀布置多个压浆孔，所述机头后面的三节管节上都设置压浆孔，再往后每三节里有一节管节上设置压浆孔，管节压浆孔均呈斜向45°正交环向交叉布置。
进一步地，步骤五中，采用由膨润土、粉末化学浆糊、纯碱和水构成的泥浆润滑减摩剂。
进一步地，步骤六中，根据顶进顺序及所述后背土体的场地条件，在所述后背土体贴近所述后背墙处埋设侧斜管和土压力传感器，在地表测试端采用围砌砖墙的方式与周围隔离。
进一步地，步骤六中，在所述后背土体固结后进行测试以验证测点的可用性；在所述平行顶管顶进施工之前进行同样的测试步骤。在所述后背土体需要加固时，采用在所述后背墙后一定范围内进行垂直旋喷桩加固。
本发明的有益效果是：
本发明的控制沉井后背土体变形的施工方法，通过上述步骤，解决了大直径平行顶管施工工程中考虑顶力反复作用引起的沉井后背土体的变形控制问题，使得沉井后背土体的变形可以有效地控制在设计要求范围内，保证了顶管工程的顺利进行以及最大限度地降低了沉井后背土体变形对周边环境的负面影响。本发明的施工方法弥补了已有施工工艺的不足和缺陷，具有易于实施、费用低等有益效果。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一实施例中的平面状态示意图。
图2是图1的剖面状态示意图。
图3是沉井底部混凝土灌注桩的结构示意图。
图4是三维简化模型的示意图。
图5是后背土体中监测点平面位置示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明的一种控制沉井后背土体变形的施工方法，应用于以下工程，主涵管穿越河道，长450米，采用4条顶管1(每节钢筋混凝土预制顶管规格为：内直径3500毫米，长2.5米，分别以1#、2#、3#、4#区别)，每条顶管由180节预制管组成，具有大截面、长距离的特点。
各条顶管1之间的中心距为9.5米，管底、管顶高程分别为-17.65米和-13.45米。南侧工作井21和北侧接收井22均为沉井结构，平面尺寸37米×22.5米，刃脚底高程均为-21.0米。顶管1由南侧工作井21出发，顶进到北侧接受井22结束。箭头A所示为顶进方向。
参见图3、图4所示，本发明的施工方法主要包括以下步骤：
步骤一，在沉井4(工作井)周边实施井点降水，将地下水位降低至沉井4的底面以下。
降水方法根据场地的水文地质条件、工程设计要求及沉井下沉的施工特点选取，降水井井深：
H＝H1+H2+H3+H4+ir0
上式中：H为降水井井深；H1为沉井刃脚至地表距离；H2为降水水位距离沉井底的要求深度；H3为降水过滤器的工作长度；H4为沉淀管长度；i为水力坡度；r0为沉井等效计算半径。
降水井距沉井壁的距离按沉井周边的场地情况在4米～8米之间取值。
本实施例中，依据施工场地的详细地质勘探数据，结合工程设计要求及沉井下沉的施工特点，采用桥式滤水钢管井降水，H1取25米；H2取1米；H3取2米；H4取2米；i取1/5；r0取17.5米，适当考虑富余量，H按35米取值。降水井布置在沉井外围，距离沉井外壁7米。
步骤一的作用是增大沉井壁及底面与土层的摩擦，同时便于步骤二实施。
步骤二，加强沉井4的底部在土层43中的锚固提高沉井4的整体刚度。
步骤二中，用高压水枪将刃脚上方沉井侧壁42内侧的预留凹槽44冲洗干净，将表面混凝土全部凿毛并露出石子，并将预留钢筋与沉井底板41的钢筋焊接，焊接接头连接区段的长度不小于35d，d为纵向受力钢筋的较大直径。
在沉井4的底部设置混凝土钻孔灌注桩45以抵抗顶力引起的反作用力。灌注桩45与沉井底板41采用倒梯形桩帽连接。灌注桩45的桩顶钢筋锚入沉井底板41，灌注桩45在沉井4的底部各区格中沿着垂直于顶管顶进方向均匀分布。
本实例中当沉井4下沉到设计标高后，在对四周预留凹槽44进行冲洗及表面凿毛处理后，凹槽44中的预留钢筋与沉井底板41的新铺钢筋采用焊接连接，焊接接头相互错开，d＝28毫米，焊接接头连接区段的长度取为1000毫米。
另外，综合沉井底部场地条件，选取灌注桩45直径D＝0.8米，由《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)中5.7.2条确定，共需16根桩长I＝8米的混凝土灌注桩，在每个区格中沿着垂直于顶管顶进方向各设置2根，灌注桩与沉井底部采用倒梯形桩帽连接，桩顶钢筋锚入沉井底板。
步骤二的作用是提高沉井4在顶力作用下的空间变形协调性。
步骤三，交替安排四个平行顶管1的顶进顺序。根据机械设备、场地条件及经济性要求选择合理的顶进顺序，分散后背墙5作用力，同时充分利用沉井4的整体刚度。
本实例中，有四根相互平行的顶管1(分别编号1#、2#、3#、4#)需顶进，考虑到设备的限制及经济性，按照二根顶管一组的原则分阶段顶进。为减小顶管之间的相互影响，不使后背墙5的作用力过于集中，每组顶管同时顶进。顶进时，密切观察两边油缸读数，将两根顶管顶进引起的沉井后背墙上的顶力Vi、Vj的差值控制在20％以内。
步骤四，根据工程计算精度要求，建立沉井4及其后背土体3的简化三维有限元模型，并根据后背土体3的最大允许变形限值，采用安定性分析法确定顶进施工时的顶力预控参数。
根据步骤六中后背土体3的最大允许变形限值，采用安定性分析方法取多组顶力组合值施加在模型上，进行循环加、卸载，最终确定两平行顶管顶力的最不利组合值[Vi，Vj]，以此作为顶进施工时的顶力预控参数。
本实施例中获得的Vi＝10290kN，Vj＝9650kN，具体步骤为：
1、有限元模型的建模范围：本工程实例中，垂直于顶管顶进方向宽度B＝37米，顶管反力作用面的边长d＝4.2米，顶管反力作用面与沉井顶部之间的距离s＝12.2米。因此，沉井4的后背土体3的长度L＝35米，高度h＝18米。
2、模型边界条件：在后背墙5的底边z＝-1米处和两侧面z＝-1米处施加切向均布力，分别模拟沉井底板41与土体摩擦力、沉井侧壁42与土体摩擦力；在z向z＝0处4个顶管反力作用面上按照步骤三的顶进顺序按照每2根顶管一组施加反力，其余部分不约束。两个侧面x＝-18.5米和x＝+18.5米处，除了z＝-1米部分，限制其x方向位移；底面y＝0处，除了z＝-1米部分，限制其y方向的位移；背面z＝-20米处，限制其z方向位移；地表y＝+18米处为自由面。
3、后背土体3与后背墙5均用三维六面体实体单元模拟，土体本构关系采用考虑弹塑性应变的莫尔库伦等面积圆模型，后背墙5按弹性体考虑，不考虑其塑性变形。在后背墙5与后背土体3之间设置接触面单元模刚体-柔体的面面接触特性，土与混凝土之间的摩擦系数取0.3。
步骤五，在顶进施工中采用高效的注浆工艺使顶管1的外壁与土层之间形成具有减摩降阻作用的触变泥浆套，从而减小顶力对后背土体3的扰动影响，保证触变泥浆的注浆效果。
在进出洞口设置防水效果较好的止水装置，管接口密封性能保持良好，确保浆液不从进出洞口渗漏。从出洞口开始压浆，避免顶管进入土体后被握裹。
具体如，在进出洞口处制作宽度为25厘米的一圈止水法兰，另在洞口内制作一圈止水钢套环与之相连。在打开洞门，机头进洞时开始压浆。在机头尾部环向均匀布置多个压浆孔(如四个)，机头后面的三节管节上都设置压浆孔，再往后每三节里有一节管节上设置压浆孔，管节压浆孔均呈斜向45°正交环向交叉布置。在整个顶管中每间隔2个管子设1个补浆断面，每个断面共4个注浆孔，利用机头尾部的压浆孔进行同步注浆，利用管节上的压浆孔进行补浆，补浆按顺序依次进行。
同时，还可以采用由膨润土、粉末化学浆糊、纯碱和水构成的泥浆润滑减摩剂。具体可以为，膨润土、CMC(粉末化学浆糊)、纯碱和水的重量比为：16％、0.2％、0.6％、84％，拌和好的触变泥浆静置24小时后再进行灌注。
步骤六，根据后背土体3的场地条件，及步骤三平行顶管1的顶进顺序，在顶管施工前进行测点布置和监测，在后背土体3贴近后背墙5处埋设侧斜管和土压力传感器，以反馈测试信息从而调整施工参数，在地表测试端采用围砌砖墙的方式与周围隔离，避免遭到其它施工工序的破坏和干扰。
具体地，参见图5所示，在沉井4的结构封底结束后，即进行测试仪器的埋设，测斜管和土压力传感器均采用钻孔回填的方法埋设。在距离后背墙5的1米处的1#、3#顶进反力之间各设置一个土压测点S1和位移测点C1。在距离后背墙5的1米处的2#、4#顶进反力之间各设置一个土压测点S2和位移测点C-2，测点S1、C1、S2、C2埋深均为距后背土体3的地表10米。裸露在地表的测试端用空心砖围砌0.5米×0.5米的围护保护测点。
待测点处土体固结7天后，对其进行试测，测点S1、C1、S2、C2的读数均较为稳定，连续3次的数值差均不超过均值的10％。约40天后，顶管开始顶进施工，在此之前进行同样的步骤测试初始值，把此时测得的3次数据的平均值作为整个顶进过程的初始值。
正常顶进时，各阶段的测试频率一天2次，当顶力读数偏大或地表出现异常情况时，根据需要适当提高测试频率。土体位移值均在-30毫米～+30毫米范围内，且土压实测值无异常，最大值未超出120kPa，不需要采取额外的土体加固措施。
在后背土体3需要加固时，采用在后背墙5后B/2范围内进行垂直旋喷桩加固。
本发明紧密结合施工过程采取相应控制措施，需额外增加的工序少，可节省工期、降低费用，是顶管工程中合理控制沉井后背土体变形的一种简单实用的方法。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种控制沉井后背土体变形的施工方法，包括以下步骤：
步骤一，在沉井周边实施井点降水，将地下水位降低至所述沉井的底面以下；
步骤二，加强所述沉井的底部在土层中的锚固提高所述沉井的整体刚度；
步骤三，交替安排多个平行顶管的顶进顺序；
步骤四，建立所述沉井及其后背土体的简化三维有限元模型，并根据所述后背土体的最大允许变形限值确定顶进施工时的顶力预控参数；
步骤五，在顶进施工中采用注浆工艺使所述顶管的外壁与土层之间形成具有减摩降阻作用的触变泥浆套；
步骤六，根据步骤三所述平行顶管的顶进顺序，顶管施工前在所述后背土体中安装测试仪器进行测点布置，顶管施工中根据所述测点反馈的测试信息调整施工参数。
2.如权利要求1所述的施工方法，其中，步骤二中，用高压水枪将刃脚上方井壁内侧的预留凹槽冲洗干净，将表面混凝土全部凿毛并露出石子，并将预留钢筋与底板钢筋焊接。
3.如权利要求1所述的施工方法，其中，步骤二中，在所述沉井的底部设置混凝土钻孔灌注桩以抵抗顶力引起的反作用力；所述灌注桩与所述沉井的底部采用倒梯形桩帽连接；所述灌注桩的桩顶钢筋锚入所述沉井的底板，所述灌注桩在所述沉井的底部各区格中沿着垂直于顶管顶进方向均匀分布。
4.如权利要求1所述的施工方法，其中，步骤三中，两根所述平行顶管同时顶进所引起的沉井后背墙上的两个顶力的差值不超过20％。
5.如权利要求1所述的施工方法，其中，步骤四中，采用安定性分析法确定顶进施工时的所述顶力预控参数。
6.如权利要求1所述的施工方法，其中，步骤五中，在机头尾部环向均匀布置多个压浆孔，所述机头后面的三节管节上都设置压浆孔，再往后每三节里有一节管节上设置压浆孔，管节压浆孔均呈斜向45°正交环向交叉布置。
7.如权利要求1所述的施工方法，其中，步骤五中，采用由膨润土、粉末化学浆糊、纯碱和水构成的泥浆润滑减摩剂。
8.如权利要求1所述的施工方法，其中，步骤六中，根据顶进顺序及所述后背土体的场地条件，在所述后背土体贴近所述后背墙处埋设侧斜管和土压力传感器，在地表测试端采用围砌砖墙的方式与周围隔离。
9.如权利要求8所述的施工方法，其中，步骤六中，在所述后背土体固结后进行测试以验证测点的可用性；在所述平行顶管顶进施工之前进行同样的测试步骤。
10.如权利要求9所述的施工方法，其中，步骤六中，在所述后背土体需要加固时，采用在所述后背墙后一定范围内进行垂直旋喷桩加固。
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