关键词:
钢筋混凝土顶管
管-岩(土)接触状态
摩擦特性试验
顶进力模型
现场试验
顶管卡管
摘要:
管道建设在能源、水利、城市化和交通等领域发挥着关键作用,为促进经济发展、提高生活水平以及满足不断增长的能源需求做出了重要贡献。其中顶管法作为一种高效、安全、环保的非开挖管道和隧道施工技术,由于其对地表环境影响小,适用工程条件广泛,已越来越多的被运用于市政管网、综合管廊、地下通道、长距离资源配置等地下工程建设中,并呈现出“设备功能更完善,设计理念更超前,穿越地质更复杂,穿越距离更长,穿越断面更大”的发展趋势。然而,目前复合地层顶管的施工技术尚不完善,施工问题频发,这主要是因为复合地层顶管的理论欠缺,暂无关于复合地层大直径长距离顶管的顶进力计算模型。此外,在复合地层顶管施工过程中,管节受穿越地层、施工工况、轴线偏移、泥浆压力的影响,受力状态十分复杂,已经在多个工程中出现因摩阻力骤增而导致顶管无法继续前进的现象,业内学者将其称为顶管卡管现象,现有的计算模型与实际情况存在较大差异,并且卡管状态下的管周摩阻力暂无合理的计算模型。因此,为揭示复合地层大直径钢筋混凝土顶管在施工过程中的力学特性,完善相关理论,查明顶管卡管的诱因、驱动力及演化过程,本文依托引绰济辽蛟流河无压洞顶管工程,采用理论计算、室内试验、现场监测以及数值模拟等方法,对复合地层顶管迎面阻力计算模型、管-岩(土)界面力学特性、接触压力计算模型、顶进过程中管节力学特性、顶管卡管机理及演化过程等方面进行了研究。主要研究成果如下:
(1)对均质土层和岩石地层的顶管迎面阻力影响因素进行了分析,提出了基于Evans滚刀破岩模型的岩石地层迎面阻力计算模型,并在此基础上分析了土-岩复合地层的刀盘掘进特性,提出了基于岩石地层迎面阻力计算模型的土-岩复合地层迎面阻力计算模型,结合依托工程穿越不同地层时的顶进参数进行了验算,相比现有顶管规范的计算结果更加精确。
(2)前期对几个出现卡管的顶管工程调研,掌握了顶管卡管发生时管周接触状态,分析了环空填充物的组成成分。在此基础上设计并开展了规则形貌结构面、砂土、岩石与混凝土管节的摩擦特性试验,通过规则形貌结构面在不同条件下与管节的摩擦特性试验,探明了摩擦特性的主要影响因素,进而通过砂土、岩石与管节的摩擦特性试验,查明了不同影响因素下复合地层管-岩(土)界面的摩擦特性,获取了不同地层、不同工况、不同润滑条件下管-岩(土)的摩擦系数,为复合地层摩阻力计算模型提供了可靠的依据。
(3)分析了现有地下洞室松动围岩压力的计算方法,讨论了太沙基理论、普氏卸荷拱理论、比尔鲍曼理论的适用性和局限性。基于太沙基理论计算方法,对其在岩质地层和上软下硬复合地层的适用性进行了推导和修正,并通过顶管现场监测数据对其计算结果进行了验证。
(4)根据对顶管过程中管-岩(土)接触状态的分析,提出了6种管节与围岩(土)、泥浆、环空填充物的接触状态,并通过现场监测结果认为在正常顶进过程中,管节外侧表现为管-填充物-泥浆-岩(土)接触状态。采用Hertz理论计算管节顶部与地层接触的压力,采用Persson理论计算管节底部与填充物的接触角及接触压力的分布,建立复合地层顶管摩阻力计算模型,并通过现场监测数据验证了其准确性。
(5)为了保证数据的准确性、时效性以及稳定性,在依托工程中,搭建了基于5G和物联网的顶管多元信息LPWA(Low-Power Wide-Area)无线感知系统,实现了对管节顶进过程中力学参数的直观监控,方便了操作人员及时调整施工参数,在出现管节力学参数超过设定阈值时,可以实现自动报警功能,保障了顶管施工过程中的安全。
(6)注浆压力在上软下硬地层的消散速率一致,但其在全断面岩石地层消散速率呈“先快后慢”的规律;地层差异导致的管节接触压力监测数值的变化明显,当管节穿越上软下硬地层时,管节在填充物的作用下明显会向较软一侧地层偏离轴线,顶部的接触压力小于底部接触压力;在穿越全断面岩石地层时,接触压力监测结果主要受泥浆压力的影响,环空岩屑的填充会改变管节外侧的接触状态,直接影响接触压力,进而影响管周摩阻力。
(7)基于依托工程顶管卡管的特征,提出了顶管卡管及卡管位置的判定方法,总结分析了顶管卡管的诱因、驱动力及演化过程,建立了基于管-填充物全接触的管周压力及顶管卡管摩阻力计算模型,结合现场监测数据分析了卡管发生前及发生时管节的力学特性,验证了所提出的理论和卡管的演化过程,通过数值模拟验证了卡管对管节顶力传递规律的影响。并根据对卡管影响因素的分析,提出了卡管发生前的预防措施及卡管发生后的脱困技术,并成功应用于依托工程卡管的脱困及后续顶进过程中的预防。