一种顶管隧洞断面优化方法 |
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申请号 | CN201611123940.5 | 申请日 | 2016-12-08 | 公开(公告)号 | CN106545346A | 公开(公告)日 | 2017-03-29 |
申请人 | 中国地质大学(武汉); | 发明人 | 郝勇; 吴立; 黄敏; 董顺; 余庆锋; 左清军; 吴静; 袁青; 李波; 李春芳; 李晓芸; 郝钰玺; | ||||
摘要 | 本 发明 提供了一种顶管隧洞断面优化方法,首先进行预掘进,使掘进的隧洞自然 变形 ,监测土层实际的拱顶下沉数值并作为后续判断的依据;按照给定的土层参数计算与已掘进隧洞相同的断面形状下的拱顶沉降,将计算值与实际测量值进行对比,当二者吻合时则说明给定的土层参数符合实际,可在此 基础 上反演推算超挖范围;设计不同的超挖断面形状,通过多次搜索不同超挖断面形状对应的拱顶沉降,直到找到拱顶沉降后土层恰好与顶管管道顶部之间刚 接触 ,但是没有额外夹持 力 的情形,并将对应的超挖后的断面做为最优断面,通过在掘进过程中不断监测拱顶沉降、修正土层参数、选取合适的超挖断面形状,使得顶管左右及上方均有良好间隙,消除土层的上下夹持作用。 | ||||||
权利要求 | 1.一种顶管隧洞断面优化方法,其特征在于,包括如下步骤: |
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说明书全文 | 一种顶管隧洞断面优化方法技术领域[0001] 本发明涉及一种顶管隧洞断面优化方法,属于顶管施工工程技术领域。 背景技术发明内容[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足,并提供一种顶管隧洞断面优化方法,可有效消除隧洞变形后对管道的上下夹持作用。 [0004] 实现本发明目的所采用的技术方案为,一种顶管隧洞断面优化方法,包括如下步骤: [0005] (1)预掘进:利用顶管机掘进设定距离后停止作业,使预掘进的隧洞自然变形、拱顶下沉; [0006] (2)监测拱顶下沉数值; [0007] (3)确定符合实际的土层参数: [0008] (3-1)按照设定的土层参数、设定的与已掘进隧洞相同的断面形状,采用数值模拟方法计算拱顶沉降; [0009] (3-2)将计算得到的拱顶沉降与监测得到的拱顶下沉数值进行对比,若不吻合,则调整土层参数,重复步骤(3-1)至计算的拱顶沉降与步骤(2)得到的拱顶下沉数值吻合,则此时的土层参数为符合实际的土层参数,吻合判断标准为拱顶下沉数值不大于拱顶沉降,且拱顶沉降与拱顶下沉数值之间的误差小于5%拱顶下沉数值; [0010] (4)确定最优断面形状: [0011] (4-1)建立断面形状数据库:设计不同的超挖断面形状,依据符合实际的土层参数采用数值模拟方法计算不同超挖断面形状下的拱顶沉降数值,建立包含不同超挖断面形状及其对应的拱顶沉降数值的断面形状数据库; [0012] (4-2)反演推算超挖范围:在断面形状数据库中进行搜索,以拱顶沉降后土层与顶管顶部虚接触时的拱顶沉降数值所对应的超挖断面形状为最优断面形状; [0013] (5)改变掘进断面形状:根据最优断面形状调整顶管机的刀盘的位置和/或结构,使得刀盘作业得到的隧洞断面形状与最优断面形状相同,采用刀盘调整后的顶管机继续掘进隧洞剩余部分,改变隧洞剩余部分的掘进断面形状; [0014] (6)掘进过程中重复步骤(2)至步骤(5),直至完成隧洞掘进。 [0015] 步骤(2)中在隧洞掘进完成后的1~3天内对隧洞断面进行量测,4~6小时量测一次,做出变形-时间曲线图,以拱顶下沉速度小于0.1mm/d时的变形数据作为拱顶下沉数值。 [0016] 步骤(2)中进行量测时测量点位于掘进隧道的中部位置。 [0017] 步骤(3-1)中采用有限元数值模拟方法和/或有限差分数值模拟方法计算不同超挖断面形状下的拱顶沉降。 [0018] 当土层为老黏性土时,步骤(3-1)采用有限元数值模拟方法计算不同超挖断面形状下的拱顶沉降;当土层为软土、一般黏性土、新近沉积黏性土、砂土或粉土时,步骤(3-1)采用有限差分数值模拟方法计算不同超挖断面形状下的拱顶沉降。 [0019] 步骤(3-2)中调整设定土层参数的具体内容为,根据现场观察给出经验调整数值,即观察土层的颜色、软硬状态、湿度、包含物、颗粒成分和层理结构物理性质指标,结合原有设计文件中给出的参数,按照岩土工程勘察规范以及隧洞开挖地的地方勘察标准和地方工程经验重新确定土层参数。 [0020] 步骤(3-2)中调整设定土层参数的具体内容为,对施工场地的土层进行取样,并对土样进行检测和试验,对土样的各种物理及力学参数的试验结果进行统计和计算,检测土样的重度、含水量、孔隙比、稠度指标、抗剪强度、压缩模量、变形模量、弹性模量和泊松比,其中抗剪强度计算其标准值,其他参数计算各自的平均值,根据计算结果重新确定土层参数。 [0021] 利用带组合刀盘的顶管机进行隧洞掘进,组合刀盘包括主刀盘和辅助刀盘。 [0022] 步骤(4)中刀盘调整的具体内容为,调整辅助刀盘的形状和/或相对于主刀盘的位置,使之符合得到最优断面形状的要求。 [0023] 步骤(1)中预掘进的距离为隧洞直径的7~11倍。 [0024] 由上述技术方案可知,本发明提供的顶管隧洞断面优化方法,利用隧洞的超挖消除现有顶管施工过程中的管道夹持作用,在施工初始首先预掘进一小段距离,使预掘进的隧洞自然变形、拱顶下沉,监测土层实际的拱顶下沉数值并作为后续判断的依据;按照设计文件中给出的土层参数计算与已掘进隧洞相同的断面形状下的拱顶沉降,将计算值与实际测量值进行对比,由于数值模拟的断面形状与已掘进的隧洞断面相同,因此当二者吻合时,则计算时依据的土层参数可视为符合实际的土层参数,可在此基础上反演推算超挖范围,本发明中吻合判断标准为拱顶下沉数值不大于拱顶沉降,且拱顶沉降与拱顶下沉数值之间的误差小于5%拱顶下沉数值,即实际变形后拱顶位置在设计断面之上,不能形成夹持作用;在确定了符合实际的土层参数的基础上,设计不同的超挖断面形状,通过多次搜索不同超挖断面形状对应的拱顶沉降,直到找到拱顶沉降后土层恰好与顶管管道顶部之间刚接触,但是没有额外夹持力的情形,并将对应的超挖后的断面做为最优断面,以最优端面继续掘进,由于最优断面是在符合实际的土层参数的基础上计算和反演推算得到,因此隧洞的实际自然变形、拱顶下沉与断面形状数据库的数据相吻合,即下沉后的拱顶恰好与顶管管道顶部之间虚接触,无夹持力产生;通过在掘进过程中不断监测拱顶下沉数值、修正土层参数、选取合适的超挖断面形状,使得掘进过程中顶管左右及上方均有良好间隙,消除土层的上下夹持作用,保证顶进作业顺利进行。 [0025] 常规顶进后隧洞断面变形后左右变宽但上下变窄,在上下方向对管道形成夹持作用,不利于顶进。相比于现有技术,本发明通过提前在拱顶形成超挖空间,利用其拱顶必然变形下沉的客观规律,使其自然修正隧洞轮廓线,达到左右及上方均有良好间隙,消除上下夹持作用。附图说明 [0026] 图1为本发明提供的顶管隧洞断面优化方法的流程图。 [0027] 图2为本发明提供的顶管隧洞断面优化方法的原理图。 具体实施方式[0028] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明,本发明的内容不局限于以下实施例。 [0029] 参见图1,本发明提供的顶管隧洞断面优化方法,包括如下步骤: [0030] (1)预掘进:利用带组合刀盘的顶管机进行隧洞掘进,组合刀盘包括主刀盘和辅助刀盘,掘进设定距离后停止作业,使预掘进的隧洞自然变形、拱顶下沉,预掘进的距离为隧洞直径的7~11倍; [0031] (2)监测拱顶下沉数值:在隧洞掘进完成后的1~3天内对隧洞断面进行量测,测量点选取已掘进隧道的中部位置,避免洞口及掌子面处的影响,4~6小时量测一次,做出变形-时间曲线图,以拱顶下沉速度小于0.1mm/d时的变形数据作为拱顶下沉数值; [0032] (3)确定符合实际的土层参数: [0033] (3-1)以设计文件中给出的土层参数为初始计算的土层参数,采用数值模拟方法计算与已掘进隧洞相同的断面形状下的拱顶沉降,当土层为老黏性土时,采用有限元数值模拟方法进行计算;当土层为软土、一般黏性土、新近沉积黏性土、砂土或粉土时,采用有限差分数值模拟方法进行计算; [0034] (3-2)将计算得到的拱顶沉降与监测得到的拱顶下沉数值进行对比,若不吻合,则调整土层参数,重复步骤(3-1)至计算的拱顶沉降与步骤(2)得到的拱顶下沉数值吻合,则此时的土层参数为符合实际的土层参数,吻合判断标准为拱顶下沉数值不大于拱顶沉降,且拱顶沉降与拱顶下沉数值之间的误差小于5%拱顶下沉数值; [0035] 调整设定土层参数的具体内容为: [0036] a、根据现场观察给出经验调整数值,即观察土层的颜色、软硬状态、湿度、包含物、颗粒成分和层理结构物理性质指标,结合原有设计文件中给出的参数,按照岩土工程勘察规范以及隧洞开挖地的地方勘察标准和地方工程经验重新确定土层参数; [0037] b、对施工场地的土层进行取样,并对土样进行检测和试验,对土样的各种物理及力学参数的试验结果进行统计和计算,检测土样的重度、含水量、孔隙比、稠度指标、抗剪强度、压缩模量、变形模量、弹性模量和泊松比,其中抗剪强度计算其标准值,其他参数计算各自的平均值,根据计算结果重新确定土层参数; [0038] (4)确定最优断面形状: [0039] (4-1)建立断面形状数据库:设计不同的超挖断面形状,依据步骤(3-2)确定的符合实际的土层参数采用数值模拟方法计算不同超挖断面形状下的拱顶沉降数值,数值模拟方法的选取同步骤(3-1),建立包含不同超挖断面形状及其对应的拱顶沉降数值的断面形状数据库; [0040] (4-2)反演推算超挖范围:在断面形状数据库中进行搜索,以拱顶沉降后土层与顶管顶部虚接触时的拱顶沉降数值所对应的超挖断面形状为最优断面形状; [0041] (5)改变掘进断面形状:根据最优断面形状调整辅助刀盘的形状和/或相对于主刀盘的位置,使得刀盘作业得到的隧洞断面形状与最优断面形状相同,采用刀盘调整后的顶管机继续掘进隧洞剩余部分,改变隧洞剩余部分的掘进断面形状; [0042] (6)掘进过程中重复步骤(2)至步骤(5),直至完成隧洞掘进。 [0043] 参见图2,常规顶进后隧洞断面如线条1所示,其变形后左右变宽但上下变窄(如线条2),在上下方向对管道形成夹持作用,不利于顶进。本发明通过提前在拱顶形成超挖空间(如线条3),利用其拱顶必然变形下沉的客观规律,使其自然修正隧洞轮廓线,修正后的隧洞轮廓线如线条4所示,达到顶管左右及上方均有良好间隙,消除土层对顶管的上下夹持作用。 |