顶管施工引起的沉井后背土体变形控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种地下建筑工程技术领域的方法，具体是一种顶管施工引起的沉井后背土体变形控制方法。
【背景技术】
[0002]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，直到顶管接收井的非开挖地下管道敷设施工工艺。顶管技术由于其优越性已经越来越普及，应用的领域也越来越宽。近年来已应用到自来水管、煤气管、动力电缆、通信电缆和发电厂循环水冷却系统等许多管道的施工中。在顶管工程中，沉井作为工作井有着广泛的应用。其在管道顶进过程中，通过后背墙将循环往复的顶力传给墙后土体。若顶力过大，而沉井后背土体稳定性不够时，土体可能出现较大的变形，使千斤顶部分回程消耗在土体变形之上，降低效率；严重时会造成后背土破坏，使顶进失败。另外，较大的土体变形也将导致沉井周围路面和建筑物的损坏，引发一系列环境病害。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。
[0003]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I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，能有效的降低后背墙体的水平位移值。该文献仅仅是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，并没有给出限制后背土体位移的相关技术措施，即没有考虑顶管的反复加荷-卸荷的实际情况。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种顶管施工引起的沉井后背土体变形控制方法，解决了顶管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，保证了顶管工程的顺利进行以及最大限度降低对周边环境的影响。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括:
[0006]I)在沉井周边实施井点降水，通过将地下水位降低至沉井底面以下，以增大沉井壁及底面与土层的摩擦。
[0007]所述的井点降水，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方式。
[0008]所述的降水井的井深为H=HfHdWirtl,其中: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。
[0009]所述的降水井距沉井壁的距离按沉井周边的场地情况选取，优选为4m?Sm。
[0010]2)加强沉井底部在土层中的锚固，通过发挥沉井整体刚度，实现沉井在顶力作用下的空间变形协调性的提高，具体包括以下步骤:
[0011]2.1)用高压水枪将刃脚上方井壁内侧预留凹槽冲洗干净，将表面混凝土全部凿毛并露出石子，便于新老混凝土的结合，预留钢筋与底板钢筋采用焊接连接，焊接接头连接区段的长度大于等于35d，d为纵向受力钢筋的较大直径。
[0012]2.2)在沉井底部设置混凝土钻孔的灌注桩，以抵抗顶力可能引起的滑移。
[0013]所述的灌注桩，其直径D由沉井底部的场地条件选取，数量及桩长I根据《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008)中5.7.2条确定。
[0014]所述的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，灌注桩在沉井底部各区格中沿着垂直于顶管顶进方向均匀分布。
[0015]3)确定顶进顺序，采用两根平行顶管同时顶进。
[0016]所述的顶进顺序根据机械设备、场地条件及经济性要求合理选择。
[0017]所述的同时顶进所引起的沉井后背墙上的顶力Vi与Vj的差值不超过20%。
[0018]4)建立沉井及其后背土体的简化三维有限元模型，采用安定性分析方法确定步骤3)中两根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，具体包括以下步骤:
[0019]4.1)有限元模型的建模范围:垂直于顶管顶进方向宽度取B，沉井后背土体的长度L大于2d+2s，高度h取沉井底面至后背土体地表的距离，其中:B为沉井的宽度，d为顶管反力作用面的边长，s为顶管反力作用面至沉井顶部之间的距离。
[0020]4.2)计算模型边界条件如下:在后背墙底边z=_t处和两侧面z=_t处施加切向均布力，分别模拟沉井底面与土体摩擦力、沉井侧壁与土体摩擦力；在z向z=0处4个顶管反力作用面上按照步骤3)的顶进顺序分别施加反力，其余部分不约束；两个侧面x=_L/2和x=+L/2处,除了 z=-t部分，限制其X方向位移；底面y=0处,除了 z=-t部分，限制其y方向的位移；背面Z=-L处，限制其z方向位移；地表y=h处为自由面。
[0021]4.3) 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，后背墙按弹性体考虑，在后背墙与土体之间设置接触面单元模刚体-柔体的面面接触特性。
[0022]5)顶进施工中，采用小导管超前注浆工艺，使顶管外壁与土层之间形成良好性能的触变泥浆套，起到减摩降阻的作用，从而减小顶力对后背土体的扰动影响，具体步骤包括:
[0023]5.1)在进出洞口设置具有防水效果的止水装置，并且从出洞口开始压浆；使得管接口密封性能保持良好，且在确保浆液不从进出洞口渗漏的同时避免管子进入土体后被握裹。
[0024]5.2)在机头尾部环向均匀布置4个压浆孔，在机头后面的三节管节上均布压浆孔，并以每三节为单位选择其中一节管节上布置压浆孔。
[0025]所述的压浆孔之间呈斜向45°正交环向交叉布置。
[0026]5.3)米用含有膨润土、CMC(Carboxymethyl Cellulose,羧甲基纤维素)、碳酸钠和水的泥浆润滑减摩剂通过注浆孔施加于管段侧壁与土体接触部位。
[0027]6)由步骤3)确定的平行顶管的顶进顺序，有针对性地制定监测方案，在顶管施工前进行测点布置和监测，在后背土体中安装测试仪器，及时反馈信息以调整施工参数，具体包括:
[0028]6.1)根据后背土体的场地条件及步骤3)确定的顶进顺序，在后背土体贴近后背墙处适当地点埋设侧斜管和土压力传感器，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。
[0029]6.2)测试仪器在沉井沉到设计标高，封底结束后进行，且至少距顶管开始顶进施工7天。待安装过程全部结束土体固结至少7天后，进行试测以验证测点的可用性，要求读数稳定，连续3次的数值差不超过均值的10%。在顶管将要顶进前，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。
[0030]6.3)监测频率一天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。土体位移应控制在_30_?+30_范围内，以此数据作为判断后背土体是否需要进行加固的依据；若需要，则在后背墙后B/2范围内进行垂直旋喷桩加固。
技术效果
[0031]与现有技术相比，本发明给出了多项针对性较强技术措施，解决了大直径平行顶管施工引起的沉井后背土体变形控制问题，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，为顶管工程中顶力的有效发挥供了一项重要的技术保证，弥补了已有工艺的不足和缺陷。本发明方法简单、易于实施、费用低，适用于同类工况，在类似工程领域具有相当的借鉴价值。
【附图说明】
[0032]图1为本发明工程平面图。
[0033]图2为本发明工程剖面图。
[0034]图3为本发明沉井底部混凝土灌注桩示意图。
[0035]图4为本发明三维有限元模型尺寸示意图。
[0036]图5为本发明三维有限元模型网格划分示意图。
[0037]图6为本发明后背土体监测点平面布置示意图。
[0038]图7为本发明后背土体位移实测最大值示意图。
【具体实施方式】
[0039]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
[0040]某北延送水工程需新建穿越某河地涵，图1为工程平面图，图2为工程剖面图。主涵管长450m，采用4条顶管每节钢筋混凝土预制顶管规格为:内直径3500mm，长2.5m)，每条顶管由180节预制管组成，具有大截面、长距离的特点。各条顶管间的中心距9.5m，管底、管顶高程分别为-17.65m和-13.45m。南侧工作井和北侧接收井均为沉井结构，平面尺寸37mX22.5m，刃脚底高程均为-21.0m。顶管由南侧工作井出发，顶进到北侧接受井结束。
[0041]I)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，本方案设计采用桥式滤水钢管井降水，H1取25m ；H2取Im ；H3取2m ;H4取2m ;i取1/5 ;r。取17.5m，适当考虑富余量，H按35m取值。降水井布置在沉井外围，距离沉井外壁7m。
[0042]2)采用以下措施加强沉井底部在土层中的锚固:
[0043]①当沉井下沉到设计标高，在对四周预留凹槽进行冲洗及表面凿毛处理后，凹槽中的预留钢筋与沉井底板的新铺钢筋采用焊接连接，焊接接头相互错开，d=28mm，焊接接头连接区段的长度取为1000mm。
[0044]②综合沉井底部场地条件选取灌注桩直径D=0.8m，由《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008)中5.7.2条确定共需16根桩长l=8m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，倒梯形桩帽尺寸符合图3要求，桩顶钢筋锚入沉井底板。
[0045]3)