大直径空间C型曲线隧道顶管受力特性研究

以电力隧道为研究背景,采用现场实测的方法对大直径、长距离、空间C形曲线段隧道顶管顶进时管道受力特性进行研究分析。结果表明：管节在形成管-浆全接触的状态下,总推力与累计顶进距离关系不大,覆土深度对管壁接触压力有影响,但注浆压力占主导因素;环向钢筋应力以受压为主,管节内侧为压应力、外侧为拉应力,管节两端口直径缩小,呈现出“椭球状”;顶管横剖面上纵向钢筋正应力呈现出左部和上部受压、右部和底部受拉的应力状态,管节发生挠曲变形,管节中端向右凸出。因此,应合理布设钢筋并增大钢筋中的预应力,优化管道设计,提高管道性能,提高经济效益。     

新型预应力钢筒混凝土顶管受力特征试验研究

城市供水能力不足与供水安全保障脆弱等问题一直制约着城市的发展,为实现特大山地城市供水组团与水库资源间互联互通需修建大量引水隧洞,而在岩质地层引水隧洞顶管法施工中预应力混凝土管节(JPCCP)抗裂问题一直是施工及运营管理极切关注的重点。本文采用现场顶进原型试验方法开展了预应力混凝土管节在轴向顶力作用下内外层混凝土应变、内外表面混凝土应变及混凝土管节裂缝开展研究。研究结果表明:(1)JPCCP管节在轴向加载过程中,内外层应力分布形式一致,但外层应力远大于内层,受偏心加载影响,管节应力在纵向传递中均出现偏心方向变化;(2)管节端口内侧混凝土是最薄弱区域,加载到顶力设计荷载的2/3左右时,在端口附近开始出现裂缝,且随着荷载增加沿环向发展,最终接近贯通;(3)推导了轴向荷载作用时JPCCP管承载特性计算公式,并与试验进行了对比验证,为类似结构的计算提供了理论基础。     

大口径新型顶管力学行为现场试验研究

通过对新型预应力钢筒混凝土顶管(JPCCP)开展现场试验,得到了在施工荷载、水土压力等三维荷载作用下顶管各部位的应变时程响应;同时也获得了顶进过程中管–土接触应力时程变化。根据对数据的分析,得出预应力钢筒混凝土顶管具有较大的纵向抗压刚度,而纵向抗拉刚度不足。由于预应力的效应,内层混凝土与中间层混凝土能够承受较大的环向拉应力。通过对管节的纵向受力分析,计算出管–土平均摩阻力随顶进距离的变化规律,结合施工记录得出平均摩阻力随顶进距离先增大后减小,最小值为1.27 k Pa;同时,施工顶进间隔越短,平均摩阻力越小。此外,实测结果表明,管–土接触应力对管节运动较为敏感,最大瞬时值可达500 k Pa;施工结束后,接触应力沿管周分布并不对称或均匀,但与实测管节环向应变分布对应。     

急曲率曲线钢顶管管节结构形式研究

对急曲率曲线钢顶管的结构形式和管节接口应力进行了研究。将目前常见的顶管接口和曲线钢顶管工程结合,提出了适用于急曲率小口径曲线顶进的新型钢顶管铰接管接头形式,通过铰接管的启曲能实现钢顶管的曲线顶进。通过对管节接口应力进行研究,解释了管节接口会出现应力过大的现象。若不采取减阻措施,管节接口必然出现应力过大现象,并提出改善接口应力的措施,首次将新型铰接管结构形式成功应用于罗泾支线原水工程曲线钢顶管工程中,证实了新型钢顶管管节间的结构形式的稳定性和适用性,证实了改善接口应力的有效性,对今后的类似工程有重要的借鉴意义。     

大口径钢管长距离曲线顶管原理与设计

钢管不宜曲线顶管,主要受其特性制约。通过改变其特性,减少其在曲线顶管中的变形,可实现钢管曲线顶管。其基本原理为增加钢管管节的环刚度,并使钢管在顶进时为柔性连接,进行曲线顶管;顶进完成后,通过少量切割和焊接,转变为刚性连接。结合工程实例,介绍了钢管曲线顶管管道接头的型式及设计参数的取值。     

软土地层小口径钢顶管结构施工过程监测研究

基于上海市梅陇基地雨、污水排水管网改造工程,监测DN800钢顶管施工过程。研究顶进力作用下,钢顶管管道结构环向与轴向应变趋势。分析发现:钢顶管管道在卸载后产生一定的弹性势能导致钢管产生轴向回弹;同时在相同轴向顶进力作用下,钢管管道各截面轴向和纵向应力变化趋势不随轴向位置变化而改变。研究结果可为类似工程提供借鉴。     

超长距离岩石顶管卡管脱困技术研究

为了解决在长距离顶管施工中容易发生卡管、卡管脱困处理困难这一工程难题,本文提出了一种适用于岩石地层中超长距离岩石顶管卡管脱困技术。通过在管节表面安装混凝土表面应变计,分析在施加顶力作用下顶进距离与混凝土表面应变曲线,从而确定卡管受困点,然后拆除受困点一节管节并安装临时中继间,减小了中继间的距离,从而实现顶管卡管脱困。本技术成功应用到重庆市观景口水利枢纽工程输水线路2#无压洞施工中,缩短了工期并取得了良好的经济效益。相关成果可为长距离岩石顶管施工中解决卡管问题提供一定的借鉴与参考。     

顶管管路整体变形模式的原型试验研究

受曲率半径、地层条件等影响,顶管顶进时管道受力变形并不均匀,现有成果主要针对单节管道及接头的力学特性,对顶进过程中管路整体的力学行为研究尚显不足。采用两节1∶1比例的钢筋混凝土管进行原型试验,试验选取直线及曲线顶进两种典型工况,逐级加载到最大顶力后再逐级卸载,监测加卸载过程中两节顶管内外壁的应变值及管道接头间距。试验结果表明直线顶进时,管道轴向应变呈左右对称分布,相比曲线顶进时应变集中的趋势有所缓和。两种工况下管间接头处的钢套筒都起到了分担轴力的作用。传力衬垫受力变形特性影响顶力沿管路的传递,并最终影响管路整体的变形模式。     

顶管工程土与结构性状的理论研究

随着社会城市化进程的推进，地下空间的开发和利用越来越受到人们的重视。顶管法作为一种暗挖施工技术，可以在不开挖地表土的情况下将管道铺设完毕，具有无可比拟的优点，因而得到越来越广泛的应用。但是顶管法施工不可避免地会引起地面和地下土体的移动，在土中产生附加应力。当土体位移过大时，将对周围建（构）筑物和邻近地下管线构成危害。对顶管施工中管土相互作用、土体变形及工作井土体反力计算方法进行研究。主要工作和研究成果如下：（1）假定开挖面失稳时滑动块的形状为一个梯形楔体，滑动块上部为一梯形棱柱。采用太沙基松动土压力理论，根据滑动块的整体受力平衡，推导出砂性土中考虑成层土的开挖面最小支护压力计算公式。算例分析表明，该方法的计算结果小于楔形体模型的计算结果，更接近离心模型试验结果。（2）对顶进过程中管道纵向与环向钢筋应力及管土接触压力进行现场测试。结果表明，轴力和管土接触压力都随顶进距离增大而增大，顶进到一定距离后基本稳定。管道顶部和底部的内侧钢筋受拉，外侧钢筋受压；管道左右两侧的内侧钢筋受压，外侧钢筋受拉；环向钢筋受力很小，但变动较大。注浆对管顶接触压力影响较大，注浆后压力明显减小，对左右两侧接触压力影响较小。（3）对长距离直线顶管施工中管土相互作用进行分析后认为，管道在承受对角荷载时产生转动力矩，当管道端部的最大土体反力超过土体承载力时土体产生破坏，造成管道失稳。分析传统曲线顶管施工中管土之间的相互作用；采用考虑位移的土压力计算方法计算环向土压力，得出首节管道和后续管道的最大土体反力计算公式；提出长距离直线和曲线顶管施工中防止管道失稳的控制措施。     

大口径预应力钢筒混凝土管顶管轴向顶进的力学性能试验研究

为验证大口径预应力钢筒混凝土管顶管结构设计的合理性和探究其施工过程中的力学行为特性,对顶管轴向顶进的力学性能进行了试验研究分析。通过直线顶进、偏角顶进等数个工况的顶进模拟试验,得到了管材各结构层的应力、应变及相互作用等力学特性。试验结果显示,在直线顶进和偏角顶进的情况下,预应力钢筒混凝土管都具有较好的结构性能。     

偏压荷载作用下顶管力学响应及其影响因素

为明确顶管偏压受荷力学特性及其影响因素,分析顶管偏压受荷的承载模式,以工程实例为依托,建立顶管偏压作用下的精细计算模型,计算分析顶管在不同偏压模式下的力学特征、破坏形态及机理,并通过模型试验验证,探讨顶管偏压受荷力学响应的影响因素,且提出了顶管偏压的控制措施。研究表明:偏压荷载作用下,(1)管道轴向偏心起拱,接头处呈现单侧挤压、对侧张开,管道接触面应力集中、应变局部化;(2)单侧偏压作用效应主要表现为轴向的压剪效应,对角偏压作用效应则为对角的拉剪效应;(3)管道表现为接头处局部先开裂甚至破碎,后逐渐向中部发展的渐进破坏;(4)管道结构拉应力与偏斜角度呈同向线性关系,当管道径长比较小时,单侧偏压诱发的结构损伤较对角偏压大,且随偏斜角度的增大越发的明显;(5)管道接触面随偏斜角度的增大,分布特征经历近梯形分布→马鞍形分布→椭圆形分布的演化过程,可基于设计偏斜角度对应的影响敏感区特征制定预防偏压措施;(6)单侧偏压受管道几何尺寸的影响很小,究其原因是尺寸的变化未改变管道承载特性;对角偏压受几何尺寸的影响明显,因为尺寸的变化改变了管道空间抵抗对角错动剪切的能力;(7)管道应力随顶进力的增大线性增大,顶进力对管道受力影响明显,结构应力集中的区域在接触面周边一定范围内;(8)两种偏压模式作用下管道承载路径分布规律不同,单侧偏压时管道沿轴向延伸为主,而在对角偏压作用下,横向扩散趋势大于轴向。     

基于主动式纠偏的曲线顶管施工力学特性研究

曲线顶管施工技术在市政管线工程中得到越来越广泛的应用。在分析曲线顶管施工机理的基础上,提出并对比分析了3种管节纠偏方案,进而结合主动式纠偏方案的施工特点,对三维曲线顶管施工过程中管土间挤压作用力进行计算分析,并推导了管节顶进摩阻力计算公式,其后对管线平面夹角、管线半径及管径大小3个摩阻力影响因素进行单因素分析。考虑管外注浆对管土接触状态的影响,进而引入土压力作用系数对顶进摩阻力计算公式进行修正,并通过对比分析顶进摩阻力的现场实测值、规范建议值及公式计算值,给出了土压力作用系数的建议取值范围。研究表明:主动式纠偏方案在管节姿态调整、施工扰动控制及管身衬砌受力等方面优于其他两种纠偏方案;顶管施工过程中管土间的挤压作用力呈三维复杂状态,不能进行简单的叠加;管线平面夹角对管节转动摩阻力有显著影响,管线半径对侧向顶推摩阻力和管节转动摩阻力均有一定的影响,而管径大小则主要影响地层土压力摩阻力的数值;管土接触状态是真实存在的,其土压力作用系数的取值范围大致在0.2~0.6之间。     

曲线顶管的三维力学模型理论分析与应用

大口径急曲线顶管施工技术已经在上海地区得到成功的应用,但曲线顶管施工对周围土体稳定性影响和管体结构受力、位移的空间变化有待深入研究和探讨。本文试图从经典弹性力学基本原理出发,利用壳体理论和温克尔假设建立曲线顶管与土体相互作用的三维力学模型,以模拟曲线顶管在软土地层中的施工力学性态。给出了曲线顶管纵向和法向位移的理论解,并进而给出了结构的内力和地层抗力。与具体工程实测位移比较表明,位移的理论解和实测值有相当的一致性,本文的理论结果是合理的。     

顶管施工中相邻垂直交叉地下管线变形的三维有限元分析

顶管施工引起的管道周围土体移动会对相邻地下管线造成危害。采用三维有限元分析了顶管施工引起的相邻垂直交叉地下管线变形，研究了离顶管距离的远近、注浆、纠偏、不同管材、地下管线埋深、管线与土体弹性模量比等因素对地下管线位移的影响。研究表明：地下管线产生的竖向位移远大于水平位移，当顶管开挖面通过地下管线2m时，地下管线产生的竖向位移达到最大；顶管向地下管线侧纠偏是引起地下管线变形的主要原因；地下管线弹性模量越小，产生的位移越大。地下管线周围土体的弹性模量大小对位移有很大影响，可以通过注浆等方法加固土体以减小地下管线的位移。     

交通荷载作用下埋地承插口排水管道动力响应分析

近年来,由于市政排水管道灾变导致的道路坍塌事故频发,水泥混凝土管是目前应用最为广泛的市政排水管道,其在交通荷载作用下的力学响应特征尚不明确。基于ABAQUS有限元软件,建立了带承插口结构排水管道三维数值模型。在考虑承插口、橡胶圈和无限元吸收边界等的基础上计算分析了不同脉冲幅值、不同荷载作用位置和不同管道埋深对管道动力响应的影响。结果表明：管节处受力高度不连续,交通荷载对其作用位置两侧一节管长范围内的管道影响显著;承口和插口环向以受拉和受压为主;交通荷载作用位置对管顶、管底和管侧纵向Mises应力最大值无明显影响,但对管顶和管底纵向Mises应力分布有影响;管道纵向Mises应力及环向竖向应力与管道埋深成正比,应力增量与埋深增量成反比。计算结果为进一步研究交通荷载作用下排水管道的力学机理提供参考。     

拱北隧道大直径曲线管幕顶管顶力研究

 以我国在建港珠澳大桥拱北隧道管幕工程为例,研究长距离大直径曲线管幕的施工顶力。总结曲线顶管顶力的主要组成及影响因素;比较和分析中国和日本顶管规范的预测顶力和现场实测顶力的差异;推荐总顶力中迎面阻力的计算公式以及管壁单位摩阻力和摩擦因数的取值;基于力学平衡,推导分节曲线顶管顶力的计算公式。研究表明：泥浆润滑后钢管的管壁单位摩阻力和摩擦因数远小于以往研究中提供的混凝土管的管壁单位摩阻力和摩擦因数;推导的分节曲线顶管顶力公式的计算顶力和实测顶力吻合良好。研究结果可为类似的管幕工程以及供水、污水、供电、通信等管道的顶管设计和施工提供有益参考。     

考虑轴线偏差的钢顶管允许顶力计算方法

钢顶管轴向稳定性直接影响到允许顶力大小。若顶力控制不当,顶管可能发生轴向失稳破坏。顶进过程中的轴线偏差会降低轴向稳定性。为解决存在轴线偏差的钢顶管允许顶力计算问题,考虑管周土体的约束、管土摩阻力的共同作用,将钢顶管顶进过程中的轴线偏差作为初弯曲,建立并求解能量方程,获得了临界顶力荷载的解析解。结合实际工程,提出了根据容许轴线偏差量与管长共同确定初弯曲的方法,计算了不同初弯曲条件下的稳定系数与允许顶力。稳定系数与轴线偏差呈二次曲线关系,轴线偏差越大,顶管轴向稳定性越低,允许顶力越小。钢顶管施工过程中,应根据轴线偏差造成的不同初弯曲计算稳定系数与允许顶力,以控制顶管顶力,避免发生轴向屈曲。