顶管施工参数的适应性问题研究

广州大学硕士学位致谢分类号学校代码：11078UDC密级学号：2110818313广州大学硕士学位论文（答辩用论文）顶管施工参数的地层适应性问题研究方梨梨学科专业：岩土工程研究方向：环境岩土工程论文答辩日期：2011年6月指导教师（签名）：答辩委员会主席（签名）：答辩委员会委员（签名）：SortCodeUniversityCode：11078UDCSecretGradeNumber：2110818313MasterDissertationofGuangzhouUniversity（DissertationtoAnswer）ParametersstrataadaptabilityproblemsresearchofpipejackingconstructionCandidate：FANGLi-liSubjectMajor：GeotechnicalEngineeringStudyDirection：EnvironmentalGeotechnicalEngineeringAnswerDate：2011.6Instructor（Signature）：AnswerCommitteeChairman（Signature）：AnswerCommitteeCommitteeman（Signature）：摘要顶管施工的一个重要问题是地层适应性问题，针对不同的土质、不同的施工条件和不同的要求，必须选用与之适应的顶管施工方式以及合理的顶管掘进参数，才能达到事半功倍的效果，反之则可能使顶管施工出现困难，甚至会使顶管施工失败，给工程造成巨大损失。开展顶管施工参数的地层适应性问题研究，并建立一套合理的顶管施工与地层相适应的理论和。从而优化顶管设计，提高顶管施工安全性、可靠性和顶管施工效率，在顶管施工技术广泛应用的今天，是值得深入研究的理论与应用课题。本文针对这一课题开展的工作如下：(1)针对顶管施工的主要环节，探讨了土层位移的主要原因。重点分析了扰动区应力状态的变化、扰动区土体性质的变化、地层移动原因及地层移动规律。(2)分析了土体-顶管相互作用原理、土压平衡顶管施工的主要参数。研究了顶管所受摩阻力、土仓压力与土性、顶管埋深的关系；顶速与推力的关系；刀盘扭矩与土仓压力、刀盘扭矩与开口率之间的关系。(3)分析了泥水平衡顶管施工主要参数。通过分析现场实测数据，探讨了长距离顶管施工中中继间、触变泥浆以及纠偏对顶力的影响，研究了顶进速度及排土效率对地面变形的影响。(4)分析了顶管施工几个重要参数（包括土性、覆土深度、泥水压力、开挖管径、管壁厚度）对地表扰动的灵敏度。采用FLAC-3D程序模拟了顶管施工对地表沉降的影响，对影响地表沉降的主要参数因素进行分析，提出了顶管施工中减少地表沉降的控制措施。关键词：顶管施工；数值模拟；土体扰动；施工参数；适应性ABSTRACTPipejackingconstructionmethodhasamostoutstandingcharacteristicwhichisadaptabilityproblem.Inviewofthedifferentsoil,differentconstructionconditionanddifferentrequirements,wemustchooseadaptivepipejackingconstructionandreasonablepipejackingtunnelingparameterstoreachtwicetheresultwithhalfeffort.Otherwise,itmaycauseconstructionproblemsevenmakepipejackingconstructionfailureandbringheavylosstotheproject.Carryingouttheadaptabilityofpipejackingconstructionparameters-strataresearch,andestablishingareasonabletheoreticmethodtobettercontrolpipejackingdesign,andcuttingdownengineeringcost,thencanscientificallyimprovingpipejackingsafety，reliabilityandconstructionefficiency,hascurrentlybecomeanimportantissueonundergroundspacedevelopment.Thispapermainlyworksasfollows:1)Elaboratingthemainmethodofpipejackingconstructionprocessanddiscussingthemaincauseofsoildisplacement.Focusingontheanalysisofchangesofstressstate,andchangesofsoilpropertiesindisturbancearea,aswellascausesandregularityofstratamovement.2)Analyzingthesoil-pipejackinginteractionprincipleandthemainparametersoftheearthpressurebalancepipejackingconstruction.Researchingtherelationshipbetweenthepipejackingfrictionalresistance,soilwarehousepressureandsoilproperty,burialdepth;therelationshipbetweenjackingspeedandthrust;therelationshipbetweentheknifetorqueandsoilpressure;therelationshipbetweentheknifetorqueandapertureratio.3)Analyzingthemainparametersofslurrybalancepipejackingconstruction.Byanalyzingthefieldmeasurementdata,discussingtheinfluenceoflong-distancepipe-jackingconstructionrelay,thixotropicmudandrectificationtothejackingforce.Researchingtheinfluenceofjackingspeedandrowsoilefficiencytothegrounddeformation.4)Analyzingthesensitivityofthepipejackinggeometricparameters(includingsoilproperty,depthofmolding,themuddypressure,excavationdiameter,tubewallthickness)tothesurfacedisturbance.Simulatingtheinfluenceofpipejackingconstructiontothesurfacesubsidencebyusingflac-3dprogramandanalyzingthemainfactorsofsurfacesubsidence.Preposingthecontrolmeasuretoreducethesurfacesubsidenceduringpipejackingconstruction.Keywords：pipejacking；numericalsimulation；soildisturbance；constructionparameters；adaptability目录I摘要IIABSTRACTIII目录VICONTENTS1第一章绪论11.1前言21.2文献综述与研究现状21.2.1经验公式法61.2.2数值模拟法71.2.3模型实验法81.2.4理论方法81.2.5顶管施工对地层适应性的研究现状91.3广州地区顶管施工概况91.3.1广州地区地质特点91.3.2各类顶管施工适用的地层条件101.3.3三种施工方法的特点111.4问题的提出111.4.1存在的问题121.4.2地层适应性的含义131.5本课题研究的内容15第二章土体-顶管相互作用分析152.1引言152.2开挖面稳定与施工参数的控制分析152.2.1开挖面地层损失分析162.2.2顶管排土效率与掘削面稳定性分析162.2.3顶管掘削面稳定与施工参数的控制172.3顶管施工过程中地层变形机理分析172.3.1顶管施工引起地表变形的分析182.3.2地层移动的时空效应理论202.3.3土体受扰动机理分析及扰动分区232.3.4受扰动土体性质的变化242.4顶管机工作参数分析242.4.1顶管总推力252.4.2触变泥浆效果262.4.3顶管推进速度262.4.4注浆系统的计算272.4.5加泥系统的计算282.4.6排土速度计算282.4.7刀盘的切削扭矩302.4.8顶管开口率与地层适应性302.5本章小结31第三章泥水平衡顶管施工实例应用探讨313.1研究的目的及主要内容313.2泥水平衡式顶管及其主要的施工参数323.2.1切口水压设定333.2.2掘进速度的控制333.2.3泥水质量343.2.4同步注浆353.2.5及时纠偏353.3泥水平衡顶管施工的基本概况353.3.1工程概况363.3.2地基土的构成与特征383.3.2地基土的物理力学性质393.3.3顶管机的选择413.4顶管顶进结果及分析413.4.1顶推力的变化413.4.1.1顶推力的组成443.4.1.2顶力与管道轴线偏差的关系443.4.1.3顶力与顶进速度及土压力的关系453.4.2地表位移463.5本章小结47第四章顶管施工数值模拟及适应性分析474.1弹塑性问题解法504.2顶管施工的数值模拟504.2.1模型建立514.2.2顶管施工过程数值模拟524.3数值模拟结果分析554.4顶管施工的适应性分析554.4.1不同土性对顶管施工的影响分析614.4.2覆土深度634.4.3泥水压力644.4.4管径654.4.5管壁厚度674.5本章小结68第五章结论与展望685.1本文主要结论685.2展望70参考文献73攻读学位期间发表的学术论文74致谢CONTENTSICHINESEABSTRACTIIABSTRACTIIICHINESECONTENETSIVCONTENETS1CHAPTER1PREFACE11.1Preface21.2Literaturereviewandresearchstatus21.2.1Experienceformulamethod61.2.2Numericalsimulationmethod71.2.3Modelexperimentmethod81.2.4Theorymethod81.2.5Pipejackingstratigraphicresearchstatusofadaptability91.3Guangzhougeneralpipejackingconstruction91.3.1Geologicalcharacteristicsinguangzhouregion91.3.2Allkindsofpipejackingconstructionapplicablestratumcondition101.3.3Thecharacteristicsofthreekindsofconstructionmethod111.4Theproblemputforward111.4.1Problems121.4.2Thedefinitionofstratigraphicadaptability131.5Contentsandmainworksofthepaper15CHAPTER2Thesoil-pipejackinginteractionanalysis152.1Preface152.2Theanalysisofexcavationstabilityandconstructioncontrolofparameters152.2.1Theanalysisofexcavationfacestratalosses162.2.2Theanalysisoftubeefficiencyanddigstability162.2.3Stabilitypipejackingdugsurfaceandthecontrolofconstrutionparameters172.3Theanalysisofpipejackingconstructionprocessstratumdeformationmechanism172.3.1Theanalysisofgrounddeformationcausedbypipejackingconstruction182.3.2Stratamovementandtime-spaceeffecttheory202.3.3Theanalysisofsoillinterferencemechanismanddisturbancepartition232.3.4Thechangeofdisturbedsoilproperties242.4Theanalysisofpipejackingworkingparameters242.4.1Totalthrustofpipejacking252.4.2Thixotropicmudeffecte262.4.3Theadvancingspeedofpipejacking262.4.4Thecalculationofgroutingsystem262.4.5Thecalculationofaddmudsystem262.4.6Thecalculationofrowsoilspeed282.4.7Cuttingtorqueofknifeplate302.4.8Openingrateandstratigraphicadaptabilityofpipejacking302.5Contentsandmainworksofthepaper31CHAPTER3Discussonanapplicationexampleofslurrybalancepipejackingconstruction313.1Thepurposeoftheresearchandmaincontent313.2Slurrybalancetypepipejackingandit’smainoperationparameters323.2.1Thesetofincisionhydraulic333.2.2Controlofthetunnelingspeed333.2.3TheSturryquality343.2.4Synchronousgrouting353.2.5Timelyrectification353.3Thebasicsituationofslurrybalancepipejackingconstruction353.3.1Projectsummary363.3.2Thestructureandcharacteristicsofthefoundationsoil383.3.3Thephysicalandmechanicalpropertiesofthefoundationsoil393.3.4Thechoiceofpipejacking413.4Jackingresultsofpipejackingandanalysis413.4.1Changesofpushingforce413.4.1.1Compositionofpushingforce443.4.1.2Therelationshipofjackingforceandpipelineaxisdeviation443.4.1.3Therelationshipofjackingforce,jackingspeedandSoilpressure453.4.2Surfacedisplacement463.5Contentsandmainworksofthepaper47CHAPTER4Numericalsimulationandadaptiveanalysisofpipejackingconstruction474.1Elastic-plasticproblemssolution504.2Flacsimulationofpipejackingconstruction504.2.1Modelestablishment514.2.2Numericalsimulationofpipejackingconstructionprocess524.3Numericalsimulationanalysis554.4Analysisoftheadaptabilityofpipejackingconstruction554.4.1Differentlocalimpactanalysisofthepipejackingconstruction614.4.2Thesoildepth634.4.3TheSturrypressure644.4.4Thediameter654.4.5Thetubewallthickness674.5Contentsandmainworksofthepaper68CHAPTER5Conculutionandprospect685.1Conclusion685.2prospect70ReferencesThe73thesisduringproceedingtothedegree74Acknowledge第一章绪论1.1前言顶管施工是一种现代化的埋设地下管线的施工方法，它在不扰动管外土层结构条件下，利用顶进、挤压等多种予力技术作用原理，自控自支自平衡土压力，使管壁与原土层紧密结合，不会形成埋管回填土中的积水带及浮力区，可改变顶管沿线地下水的渗流方向及渗透作用，使顶管管线形成加筋体，与土体产生相互作用，改善了沿线土层的变形性质，显现出该施工特点的优越性。尤其在地下管线敷设和穿越工程（路基、河床、地基）等方面具有较大优势，在城市地下空间的开发和利用中，发挥着越来越重要的作用。随着城市化进程的推进，给顶管施工技术带来新的发展机遇。据资料显示，在近几年国家和地方将投入巨大资金进行城市污水工程的改造。同时，国家发改委的远期规划表明，在近10年期间，我国将投入275亿元人民币用于排水和污水处理。另外，建设部资料显示，我国的供水管线目前的漏水率达4~10%，建设部明确规定，超过50年使用期的任何管线必须进行改造。因此，将旧式铸铁管、混凝土管改换成塑料管材或玻璃钢管材已迫在眉睫，而同时全国30%的供热管线也需要进行更新改造。这些现状均表明，顶管施工技术的前景非常广阔。作为一种地下开挖方法，顶管施工也不可避免地会对管道周围的土体产生扰动，扰动的结果是使周围的土体出现卸载或加载等复杂的力学行为并使土层的物理、力学指标产生变化，土体的应力状态不断发生变化，引起管道周围土体产生变形，使土层发生移动，产生地面和地下土体的移动，即土层移动。当地层变形超过一定范围时，会严重危及邻近建（构）筑物基础、邻近建（构）筑物、和地下管网的安全，引起一系列岩土环境问题。顶管施工是一门涉及知识面广、施工管理要求高、施工作业要求严的综合性施工技术，最突出的特点是适应性。顶管施工采用何种施工方法是根据工程的特点、环境、地质、施工条件等因素决定，所以各种顶管方法都有其局限性，施工前必须要充分了解地质情况，选用与之适应的顶管施工方法以及合理的顶管掘进参数。因此，对顶管施工各主要参数之间的内在关系进行探讨，并对各主要参数对地层的扰动特性进行研究是非常有必要而且有意义的事情。这一问题的研究涉及到：(1)顶管施工过程中管土相互作用；(2)顶管周围土体受施工扰动影响后土体性质的改变；(3)顶管施工主要参数对地表扰动的敏感度。1.2文献综述与研究现状目前，国内外对顶管施工环境效应的研究有四种的方法：1)通过顶管施工现场监测数据，进行回归统计分析，同时参考一些实际经验数值，得出经验公式或拟合公式；2)借助于计算机，通过数值分析和数值模拟，依理论知识对工程情况建立理想化模型，按照弹性或弹塑性求解；3)通过室内模型试验得出结论；4)利用理论方法进行推导，如经典弹性力学、随机介质理论、神经网络理论、灰色理论等方法。在地下空间的隧道施工方法中，顶管施工法与盾构施工法在对土体的扰动机理和土体的变形机理上有很大的相似性，因此对顶管施工引起的环境效应和力学反应的研究，可以借鉴盾构施工法的理论方法和计算方法。1.2.1经验公式法R.B.Peck(1969)通过对大量地表沉陷数据及工程资料分析后，首先提出地表沉降槽拟正态分布的概念。地层移动由地层损失引起，地层损失在隧道方向是均匀分布的，并认为施工引起的地面沉降是在不排水条件下发生的，沉陷槽的体积应等于地层损失的体积。横向分布地面沉降估算公式为：(1-1)(1-2)(1-3)式中​地面沉降量(mm)；距隧道中心线的距离(m)；管道单位长度的地层损失量(m3/m)；隧道中心线处的最大沉降量(mm)；沉降槽宽度系数，由查图表或公式求得；覆土层厚度(m)，指的是地面到顶管轴线距离；为土层的内摩擦角。Peck公式非常简单，其曲线形状与顶管实测地面沉降曲线较吻合，但存在以下不足之处：1)只能计算横向地面沉降，不能计算纵向变形及土体分层沉降；2)没有考虑施工工艺；3)很少的土体本构关系和几何参数；4)只能计算瞬时沉降，不能考虑土体受扰动引起的再固结沉降。图1-1管道上方地面沉降横向分布图后来许多学者对公式作了进一步研究，得出很多相关的结论。Attewell和Farmer(1975)通过现场观测，提出计算最大地面沉降的计算公式：当时当时式中为顶管的覆土厚度；为隧道半径；O’Reilly和News(1982)通过各种地质条件下开挖隧道时地面沉降的观测值统计出计算和沉降槽体积的经验公式：对粘土：(1-4)对粒状土：(1-5)1977年，原西德的马·谢尔勒提出一个计算容许沉降量公式。他认为不可避免的沉降主要是由于顶管开挖时的超挖和地层损失引起的。超挖与地层损失构成顶管总面积的一个既定部分，其数值大小取决顶管所穿越土层的性质，并把它称为损失面积。根据其假定，他总结出在顶管贯通后上部地面产生了一条如图1-2所示的沉降线。这条沉降线与地平线之间的面积，可在足够近似的条件下代之以一个梯形面积。由此即可计算出沉降面积F沉降。图1-2顶管地表实际沉降分布与等效沉降分布刘建航(1990)提出“负地层沉降”概念，通过对上海地区数十条隧道施实测数据进行整理，得到了预测地表纵向沉降曲线的经验公式：(1-6)上海市城市建设设计院等（1992）以上海市合流污水一期工程中的顶管工程为背景，在穿越建筑群的钢筋混凝土顶管施工过程中对地面及附近建筑物的作了实地动态观测，总结出顶管施工造成地层损失的原因：1）开挖面的地层损失；2）工具管纠偏引起的地层损失；3）工具管与后续管节的管径差引起的地层损失；4）顶管后退引起的地层损失；5）接缝处的渗漏引起的地层损失。文献还分析了引起地面沉降的其他因素。VerruijtandBooker(1996)认为隧道变形机理主要是隧道表面的均匀径向位移和隧道椭圆化，采用半弹性平面假定方法，得到解析解为：地层垂直沉降为：(1-7)地层水平位移为：(1-8)式中：为隧道表面相对均匀径向位移参数；为隧道表面相对椭圆位移参数：；；；；；泊松比。N.LoganathanandH.G.poulos(1998)利用Leeetal（1992）提出的（等效地层参数），采用椭圆形土体移动平面，对VerruijtandBooker(1996)提出的计算地层沉降的方法进行改进，提出了预测地层垂直沉降和水平移动的解析解。(1-9)地层水平位移：(1-10)张庆贺，朱志隆等(1998)对上述横、纵向理论模型中盾构施工对土体扰动的应力路径和变形机理进行了分析，并对扰动后的土体的力学参数进行了现场和室内试验分析，验证了上述公式(1-9)的正确性。王承德和方从启(1998)根据软士地层顶管施工地面沉降的观测值统计出从直径3m~4.5m、覆土厚度为6m~25m的顶管工程引起的最大地面沉降值，并分析了项管工程中不正常地面沉降产生的原因，从施工方法上提出了减小地面沉降的方法。通过对上海地区的顶管施工引起地面沉降值的统计分析，得出地面的最大沉降随厚度H与顶管直径之比()的变化关系，如图1-3所示：图1-33.5m顶管的随变化魏纲(2003)对顶管施工产生的土体扰动进行了理论分析，分析了顶管施工引起地面变形的原因和变形机理。通过对顶管工程现场测试数据的分析，研究了顶管施工引起的管道周围土体的移动规律，包括地面横截面和纵向截面变形规律、深层土体沿管道轴线方向和垂直于管道方向移动规律。另外还探讨了深层土体移动的影响因素。1.2.2数值模拟法计算机计算和有限元理论方法的结合应用，为研究顶管施工效应问题提供了一种强有效的工具。通过有限单元对土体和管道进行分割离散，根据受力和整体刚度可以求得土体的变形和应力以及管道与土之间的接触应力。应用数值计算和数值模拟是解决顶管施工引起的受力和变形问题的一种很好的方法，越来越受到重视和发展。曾晓清(1995)基于半解析数值方法思想，运用时变力学、粘弹性理论，对地铁双线盾构的施工力学问题构造和推导出半解析位移函数，可以满足土与结构的位移协调，且与双孔隧道周围的土体变形规律相符合。文中运用半解析数值方法分别模拟了平行隧道盾构推进时的单线往返施工、双向盾构同向施工和双向盾构对向施工三种工况，将计算结果与实测值进行了比较。阮林旺(1997)采用弹性三维有限元分析了盾构推进对相邻土层及桩体的影响，得出了在不同工况下后构推进的正面顶推力对地层损失和对周围土层及临近桩体的应力及位移所产生的影响。方从启(1998)利用半解析元法建立了模拟和计算软土地层中顶管施工引起的地面位移和浅地层的运动随时间的变化方法。研究主要内容为将轴向离散而在环向和径向采用解析函数以建立位移函数，由此将三维的土-结构系统简化为一维数值问题。所建立的位移函数在单元的整个区域内满足位移协调。文中利用分级施加施工荷载及对土体的弹-粘塑性分析，实现了对项管施工引起随时间变化的地面位移和浅地层运动的模拟和计算。将数值计算结果与实测值进行了对比，结果较为满意。验证了所建立分析方法的可靠性。易宏伟(1999)通过现场测试、半解析元数值模拟计算以及理论分析对上海软土盾构隧道施工中土体扰动与地层移动及其关系进行了系统深入的研究。提出了盾构施工引起的土体扰动分区图。徐迎伍(2000)对近间距平行管道顶进施工进行了数值模拟，并建立和完善了分析理论与计算方法，应用二维弹塑性有限元法，引入统一屈服函数及其相应的流动法则，考虑施工因素影响提出计算方法，并结合离心模型试验的结果论证设计假设等。黄宏伟(2001)等采用三维弹性有限元方法对顶管施工环境效应进行理论分析，分别就正面推力、地层损失、注浆（摩擦力）单独作用及共同作用的情况进行了模拟分析，得出了上述因素影响下的土体曲线变形规律。房营光、莫海鸿等(2001)假定沉降槽的体积等于地层损失与扰动产生变化的体积之和，地表沉降的横向分布为高斯曲线。给出与Peck(1969)的隧道施工的地表沉降估算类似的顶管施工的地表横向分布公式：(1-11)(1-12)式中：为地表离轴线横向距离为处的沉降量mm；为顶管掘进引起沿中线单位长度的地层损失(m3/m)；为扰动引起的土体体积变化率；为距顶管中心线的横向水平距离(mm)；为沉降槽宽度系数(m)，由查图表或公式求得(在处出现最大沉降量)。冯海宁(2003)通过对顶管施工前后周围土体不同位置做了贯入试验，研究了施工过程中引起的土压力、土体与管壁的接触压力、孔隙水压力、深层土体位移、地下水位的变化以及地表变形等的影响。并采用有限元计算分析的方法，对顶管施工引起的地层运动进行研究，分析了机头土压力、机头偏斜、摩阻力等不同施工参数对地表变形的影响以及附加应力在土中的分布规律和影响范围。丁传松(2004)在现有的顶推力理论、试验成果和计算方法的基础上，提出了更加合理的顶推力计算方法；推导出直线顶管及曲线施工中顶推力的理论解；采用有限元法分析了曲线顶管施工对管节和周围土体的影响效应。陈菊香(2005)按不相适应的塑性流动法则来计算无限体内柱形孔穴扩张在周围土体内产生应力场和位移场，借助源-汇影像手段和Cerruti解进行剪应力修正，推得了在顶管挤入过程中周围土体内的位移场和应力场表达式，并研究了土层参数、管径、埋深等各参数对水平、竖向位移的影响的敏感性。1.2.3模型实验法S.H.kim等(1998)通过模型试验研究近间距盾构隧道施工对邻近已建隧道衬砌的影响。研究中考虑了间距、布置（垂直相交和平行）、衬砌刚度及土体超固结比等因素对粘土中施工的近间距隧道短期相互作用的影响。研究表明隧道的施工改变了作用在邻近已建隧道衬砌上的应力状态，且应力的增加引起邻近隧道的衬砌产生变形和弯矩增大。垂直相交的隧道间相互作用主要由施加在隧道衬砌和盾构机上的推进力引起，而平行隧道间的相互作用则由因衬砌变形和土体损失所致的土体应力重分布引起。1.2.4理论方法(1)经典的数学力学方法传统经典的数学力学分析方法是利用弹性力学理论中的无限和半无限空间内作用一集中力的解，通过数学中的积分原理计算分析地下结构工程施工引起周围土中应力和位移的影响。其中最为常用的弹性半空间解分别是Kelvin解、Mindin解和Boussinesp解。其中Kelvin解主要计算无限空间内的一点集中力在土体中引起的应力和位移；Mindin解主要用于计算半无限空间内某一点引起的应力和位移；Boussinesp解求解半无限空间表面作用一集中力在半无限体中引起的应力和位移。(2)随机介质理论方法Schmidt.B(1969)研究了隧道地面沉降中的随机理论，并证实按随机理论得到的沉降槽形状与现场观测的沉降槽形状吻合。但也指出，随机理论并不能准确地估算沉降槽的宽度。刘宝深，张家生(1995)研究了预计地表地下工程开挖引起的地表移动及变形的随机介质方法，详细的讨论了几维与三维地表沉降的随机介质方法，并给出了计算结果与实测值的比较，两者非常接近。(3)神经网络方法JingshengShi采用神经网络的方法对盾构隧道的地表沉降进行了预测，并归纳出了影响地表沉降的11项因素。Ye-Cheng研究了神经网络在盾构隧道土压平衡控制中的应用，取得了良好的效果。孙军，袁金荣等根据上海地铁2号线的实测资料，应用神经网络的方法对施土过程的地表移动进行动态的实时预测。从结果看，该方法是可行的。1.2.5顶管施工参数对地层适应性的研究现状傅德明(2003)结合上海污水治理2期1．1标穿越黄浦江的倒虹管工程，研究了泥水平衡顶管主要施工参数（切口水压设定、顶进速度、泥水质量控制、逆洗时的压力控制）对地面变形的影响。王世高(2004)根据北京土质条件和施工环境的特点对土压平衡工艺参数（土仓压力、顶力、触变泥浆效果、后背墙、加泥系统、注浆系统、排土速度）计算方法进行了归类，适用于北京地区特点。陈鹏(2007)根据顶管施工中常用的3种平衡理论对顶管进行分类，并分析了各类型顶管机的适应范围。王炜健(2008)总结了不同土质下顶管施工采用的掘进机。刘益平(2009)从地层适应性角度出发把顶管工程中可能遇到的土层分为6大类，基于反演理论，提出了地层变形参数取值的建议和具体流程，为评价各种岩土测试方法的适用性、建立测试成果与地层变形参数之间的匹配关系提供了依据。1.3广州地区顶管施工概况1.3.1广州地区地质特点广州地区地层比较多，在管线线路上地层经常发生变化，地质条件复杂，这大大增大了顶管施工的难度。针对地层变化的情况，归纳总结出广州地区第四系地层的特点见表2-1。表1-1广州地区第四系地层一览表 年代 厚度 土层描述 1～4m 河流相沉积：中粗砂，粉细砂、局部含少量淤泥。 1～16m 广州南部为三角洲相沉积：土质主要为淤泥，下部为含砂淤泥，局部夹含淤泥细砂，腐木，贝壳等，淤泥含水量最大；广州北部为河流向沉积：土层为灰黑色粘土，亚粘土，局部夹薄细砂层，含腐木。 4～18m 河流相沉积：土层为粉砂、细砂、中砂、棚砂、砾砂，局部底部为砾石层，上部分有淤泥；风化粘土沉积：土层为红黄、红白、黄白等杂色粘土、粉质粘土、底部含沙砾。 4～18m 三角洲相沉积：土层为淤泥、淤泥质粘土、下部含砂、腐木；河流向沉积：土层为白色粘土、高岭、粉质粘土、含丰富腐木；泥炭沼泽相沉积：土层为泥炭层，有机质粘土层。 2～16m 河流向沉积：土层为粉砂、细砂、中砂、粗砂、砾砂，局部底部为砾石和角砾石堆积；洪积相沉积：土层为砾石和角砾石，含砾粘土，含砾砂层，分选层，砾石棱角分明，大小混杂。从表2-1可看到各类地层中含砂、含砾的地层较多，这一点有别于其它地区的软土，且新鲜基岩、基岩风化带在地表出露很多，故顶管施工还有可能遇到风化岩石类介质。此外，广州地区地下水位普遍较高，所以顶管施工过程中地下水问题不容忽视，顶管机械选型必须综合考虑到地层变化和止水、防水等各种地质因素。顶管法施工管线埋深一般在10m以内，均在第四系地层中穿过。从顶管施工方法选择的角度，可将广州地区的工程地质条件大体分为3类：①砂性土、黏性土、或含有少量砂砾石(卵砾石粒径不大于10cm)；②砂砾石层；③风化岩层。1.3.2各类顶管施工适用的地层条件挤压式顶管仅适用于淤泥质黏土和标贯击数值小于10的软黏土。且由于顶管时对周围土体产生较大的挤压力，故管线覆土深度不得过浅。人工顶管辅以各种施工技术措施几乎适用于各种地层。如有地下水影响时辅以降水措施、在松散地层施工时辅以稳定开挖面防止坍塌的措施、在风化岩层中施工时辅以适宜的岩体开挖措施等。特别是顶管途中遇有障碍物时比其他顶管施工方法容易处理。密闭式顶管适用地层条件虽不及人工顶管广泛，一般不适用于岩层施工，但由于其在含水地层中施工沿线不需降水、地层变形影响最小、容易实现长距离顶进、施工安全等优点，已成为城市地下管线顶管施工中首选的施工方法。多刀盘土压平衡顶管机和刀盘可伸缩式泥水平衡顶管机一般不能在砂砾石地层中使用；采用单刀盘土压平衡顶管机和偏心破碎式泥水平衡顶管机在砂砾石地层顶管时，刀具寿命要与顶进距离相适应。土压式顶管还应考虑排出大粒径卵砾石的能力；偏心破碎式泥水平衡顶管机有在强风化岩层中施工的实例。表2-2为各种顶管施工方法一般所适用的地层条件。表1-2顶管施工方法适用的地层条件 地质条件 顶管施工方法 挤压式顶管 人工顶管 土压平衡式顶管 泥水平衡式顶管 淤泥质粘土 适用 适用 适用 适用 砂性土 不适用 适用 适用 适用 砂砾石 不适用 适用 基本适用 基本适用 风化岩 不适用 基本适用 不适用 不适用由表2-2可知，挤压式顶管法一般不适用于广州地层。广州地区顶管施工可选择的顶管施工方法有人工顶管、土压平衡顶管和泥水平衡顶管3种方法。1.3.3三种施工方法的特点人工顶管、土压平衡顶管和泥水平衡顶管3种方法各有特点。人工顶管法适用管径通常为Φ800～Φ3000mm，与密闭式顶管法相比，其施工成本一般较低、顶进过程中遇有障碍物处理较容易，但施工距离较短、施工速度较慢、地层沉降量较大、施工安全性较差，遇地下水或土层疏松时需全线采取相应的辅助施工措施。密闭式顶管法与人工顶管法相比，土压平衡顶管适用管径一般为Φ1600～Φ4000mm、泥水平衡顶管为Φ300～Φ4000mm，其施工精度高、施工速度快，3种顶管施工方法比较如表2-3所示。表1-3三种顶管的施工方法比较 　 人工顶管 土压平衡顶管 泥水平衡顶管 适用管径（mm) Φ800～Φ3000 Φ1600～Φ4000 施工精度 高 高 高 施工距离 较短 长 长 施工速度 较慢 较快 快 施工成本 较低 较高 高 地表沉降量 较大 小 小 施工辅助措施 全线施工降水、土体加固 仅工作井部位施工降水、洞口施工土体加固 仅工作井部位施工降水、洞口土体加固 施工安全性 较低 高 高 障碍物处理 容易 不容易 不容易鉴于单刀盘土压平衡顶管机和偏心破碎式泥水平衡顶管机适用地层条件更广泛，因此在广州实施密闭式顶管施工多采用上述2种顶管机。1.4问题的提出1.4.1存在的问题我国使用顶管技术的历史还较短，施工经验较少，尚无全国性的顶管管道设计和施工的专门规范，加之我国地域广阔，工程地质条件差异大，例如流砂给顶管法施工带来极大的困难，刀盘的切削旋转振动引起饱和砂土或砂质粉土的部分液化；含砂土颗粒的泥水不断沿衬砌管片接缝渗入，引起局部土体坍塌；对于泥水式或者土压平衡式顶管，一旦遇到大石块、短桩等坚硬障碍物，排除过程中都可能引起邻近土体较大的沉降；在穿越江河水底浅覆地段施工时，往往由于开挖面富水压力大，由此造成顶管不能连续掘进，出现喷涌现象，即打开螺旋输送器时，以水为主、水和砂混合从出土口喷涌而出，散落在隧道内，皮带运输无法带走土体，严重时会造成隧道涌水被淹；当顶管在通过粘性土地层时，由于粘性土本身的附着力、粘着力和消散力共同作用，易在土舱内形成泥饼，此时会发现刀盘空转的情况下扭矩很大，且一旦掘进扭矩超过额定扭矩而跳闸，并且土舱压力上升很快，其后果是增加了顶管掘进的荷载，造成刀盘开口堵塞，掘进困难等。凡此种种，都说明了所采用的顶管施工技术与地层特性不相适应。因此，如何建立一套合理的顶管与地层特性相适应的设计理论和施工方法，从而更好地控制顶管建设的成本和降低工程造价，并能科学地指导顶管的设计与施工，已成为当前地下空间开发必须认真研究的课题。为此，需要解决的问题主要有：如何选定与特定地层条件相适应的顶管机类型；在顶管机型已经确定的情况下，如何针对土层的特性，选择合理的切削方式，从而满足掘进速度最快，并能最大限度地提高施工的效率；在特定地层条件下，如何选定与地层特性相适宜的顶管机工作参数，从而能确保开挖面的稳定性，使得地表不至于产生过大的变形，顶管施工对地层产生的扰动最小。1.4.2地层适应性的含义顶管施工的一个重要问题就是适应性问题，针对不同的土质、不同的施工条件和不同的要求，我们必须选用与之适应的顶管施工方式以及合理的顶管掘进参数，这样才能达到事半功倍的效果；反之则可能使顶管施工出现问题，严重的会使顶管施工失败，给工程造成巨大损失。下面，对顶管施工的“地层适应性”的含义作一分析与讨论：(1)顶管设备对土层介质类型的适应性不同类型的顶管机对土体介质的适应情况不同，因此正确选择顶管机类型是顶管施工成败的关键。顶管应满足对埋深的适应性，这是因为顶管机是按照一定的埋深设计的，这就要求顶管机不仅要有足够的承载能力、推进力和刀盘扭矩储备，还要有足够的土压承载能力及土压调节能力，从而可以完成区间顶管的施工要求。不仅如此，对于特定类型的顶管机来说，为了满足该类型顶管机适应掘削某种土层介质需要，还需要选定与之相适应的辅助设备及辅助工法，例如在含水丰富的地层中掘进时，就要求辅助系统的密封好；为了有利于维持开挖面的稳定性，可采用出土量易于调节、并有良好的土压减压效果的轴式螺旋输送机；为了使掘削渣土易于排出，需要有配套的渣土改良系统，可通过向土舱内注入泡沫及膨润土来增加流塑性，从而扩大顶管机对不同地层的适应性。(2)刀盘结构型式及刀具布置型式对地层的适应性刀盘、刀具结构型式主要是针对地质条件设计的。刀盘、刀具结构型式主要是指采用面板式刀盘还是辐条式刀盘、刀盘开口率的大小、刀盘主轴的支撑形式(中心支撑式、中间支撑式和周边支撑式)、各种不同型式刀具的组合及其在刀盘上的布置型式等。由于地质情况及土层性质的不同，刀盘的设计布局及刀具的选用对顶管的开挖效率起着十分重要的作用，例如刀盘的形状采用防堵塞设计，刀具在安装后便于切割和清除土碴；采用全断面滚刀刀盘设计，有利于在硬岩中掘进；采用齿刀、滚刀和刮混合配置的组合，既能有效开挖各种淤泥、砂土、粘土，又能适应各种全、强、中、微风化岩等。(3)顶管机工作参数之间的匹配性顶管机的施工过程实际上是一个复杂的系统工程，为了保证系统的稳定性，同时也为了提高机器掘进效率，顶管机的工作参数（如推力、推进速度、刀盘转速、螺旋机转速、土舱压力）之间需满足一定的匹配性。为此，可以通过施工参数的优化和匹配使顶管机达到最佳推进状态并使系统始终处于稳定的平衡状态。(4)顶管工作参数对地层扰动的适应性顶管施工对土体的扰动是不可避免的，它包括顶管对土体的挤压和松动、加载与卸载、孔隙水压上升与下降所引起土性的变异、地表隆起与下沉等。由于受顶管施工的扰动，土体的物理力学性质与原状土相比将发生明显的变化，因而在顶管施工过程中及管道建成后对周围环境的影响也将发生新的变化。土体受扰动后性质的改变主要集中表现在：①土体结构的变化；②土体的应力状态或应力路径变异；③土体的孔隙水压力变化等方面。土体扰动是地层变形的原因，而地层变形是扰动的结果。土体扰动的影响范围和程度取决于很多因素，这包括：①顶管型式；②顶管施工参数(如土舱压力、刀盘扭矩、顶推力、出土量、压浆量、压浆压力、超欠挖量)；③土体性质及管道所处的环境；④管道埋深上部荷载的影响；⑤管道几何尺寸。顶管施工参数的不同对土体的扰动范围与程度也不同，因此如何选择合理的顶管施工参数，通过参数的优化和匹配，既能使开挖面保持稳定，又能使土体受到的扰动最小，从而有效控制地表变形，减少对邻近建筑物的影响，是设计与施工中必须面临的一个问题。(5)对经济适用性的要求当前，顶管管道的发展正向着大断面、大深度、急曲线和长距离方向发展，因此合理地控制顶管管道道建设的成本、降低工程造价，已成为当前顶管法施工必须认真研究的课题。这就需要顶管机适应长距离、高速化施工，推进速度能够根据地质状况、刀盘扭矩和土压力自行调节。此外，要求整机设备配置不仅在功能上要完善，而且还要做到经济合理、造价低。1.5本课题研究的内容开展顶管工作参数对地层的扰动特性研究，最有效的方法就是收集大量的现场实测数据进行综合性分析，但是限于现场地层条件的复杂多变、所用顶管掘进机的差异以及工期计划的影响，往往不能随意改变相关的施工参数并得到预期的结果。运用数值模拟的方法能灵活的模拟土层的性质与改变顶管机的工作参数，为研究顶管掘进机施工参数的变化与土体的扰动变形特性之间的内在机理提供有效手段。根据以上文献综述和研究现状分析，本文以广州市西江引水工程J6-J7段顶管工程为背景，从理论分析、现场实测、数值模拟三个方面进行如下研究：(1)针对顶管施工的主要工艺环节，探讨了土层位移的主要原因。重点分析了扰动区应力状态的变化、扰动区土体性质的变化、地层移动原因及地层移动规律。(2)分析了土体-顶管相互作用原理、土压平衡顶管施工的主要参数。研究了顶管所受摩阻力、土仓压力与土性、顶管埋深的关系；顶速与推力的关系；刀盘扭矩与土仓压力、刀盘扭矩与开口率之间的关系。(3)分析了泥水平衡顶管施工主要参数。通过分析现场实测数据，探讨了长距离顶管施工中中继间、触变泥浆以及纠偏对顶力的影响，研究了顶进速度及排土效率对地面变形的影响。(4)分析了顶管施工几个重要参数（包括土性、覆土深度、泥水压力、开挖管径、管壁厚度）对地表扰动的灵敏度。采用FLAC-3D程序模拟了顶管施工对地表沉降的影响，对影响地表沉降的主要参数因素进行分析，提出了顶管施工中减少地表沉降的控制措施第二章土体-顶管相互作用分析2.1引言从理论上讲土压平衡顶管中，工具管在顶进过程中，其土仓的压力如果小于工具管所处土层的主动土压力，即时，地面就会产生沉降。反之，如果在工具管顶进过程中，其土仓的压力大于工具管所处土层的被动土压力时，即时，地面就会产生隆起。并且，上述施工过程的沉降是一个逐渐演变过程，要达到最终的沉降所经历的时间会比较长。然而，隆起却是一个立即会反映出来的迅速变化的过程。隆起的最高点是沿土体的滑裂面上升，最终反映到距工具管前方一定距离的地面上。裂缝自最高点呈放射状延伸。如果我们把土压力控制在这样一个范围内，就能达到土压平衡。2.2开挖面稳定与施工参数的控制分析2.2.1开挖面地层损失分析根据引起地层损失的原因分有正常的地层损失和不正常的地层损失两种。所谓正常的地层损失就是指在正常的顶管施工过程中不可避免肯定要产生的地层损失。其只能通过采取技术措施尽量地减小，而不能完全消除。比如：开挖面的地层损失、顶管工具管背土造成的地层损失、工具管与管道的外径差异造成的地层损失等等。不正常的地层损失则是指通过采取正确的技术措施可以不发生的地层损失。比如因为洞口止水装置失效造成的洞口周围土体塌陷；或者因为管节止水圈质量问题造成的顶管周围土体流失。这种地层损失在施工过程中应当完全杜绝发生。国外有学者提出地层损失参数的概念，它综合了以上几种情况产生的地层损失。反映地层的三维效应为：(2-1)式中：为刀盘切削形成的管道外壁的空隙，为掘进机外与管道结构外径之差，为开挖面形成的挖土量，为由顶进施工引起的偏斜或顶进路线为曲线时形成的空隙。由于顶管施工采用同步注浆以抑制地层损失的发展，在考虑超挖引起的地层损失时必须计入注浆率的影响。注浆率(%)是指注浆填补的实际空隙量与地层损失量的比值。一般情况下，注浆率小于100％。但在某些情况下过量注浆时，将为负值，顶管施工将对周围土体产生挤压作用，增加作用在邻近构筑物的侧压力。考虑注浆率的影响，上述公式变为：(2-2)　通过这样的分析方法可以计算出最大地层损失量，而实际施工过程是比较复杂的状态，各种不利状况不一定会同时发生。2.2.2顶管排土效率与掘削面稳定性分析开挖面的稳定可减小前方土体的挤压与扰动。对于土压平衡顶管施工要实现开挖面的稳定，可控制工具管前工作舱里的压力与土体压力平衡，也可通过控制排土的速度。现场实测研究表明正面支护力(土舱压力扣除开挖面静止水土压力)决定了前方土体受挤压扰动的程度与范围，如果正面支护力与自然土压力相等，则土体不移动也无地层损失与土体位移，理论地面沉降为零，但实际施工中这种平衡是达不到的。支护力增大，前方土体将受到较大的挤压，土体前移并产生地表隆起，支护力不足，土体产生应力释放，土体后移并产生沉降。因此，应合理地确定大刀盘的设定压力，并使之有效地自动平衡调节，保持泥水压力并保持掘进机的正确姿态。开挖面土压的控制，首先根据地层情况确定目标土压，然后在顶管推进过程中，用压力传感器来监测土压力的变化情况；再通过调节出土量来维持目标土压力。目标土压力理论上等于土层压力(开挖面静止水土压力的和)，可通过传感器的测定值及排土量的变化来进行适当修正。2.2.3顶管掘削面稳定与施工参数的控制要实现顶管掘进过程中开挖面的稳定，可以通过两条途径：①控制排土量；②控制地层压力与土舱压力的差值，并尽量减少该差值压力。为此，必须熟练掌握顶管操作技术，并对参数的选取作一定的理论分析和控制。土压平衡顶管的掘进过程主要施工参数包括刀盘和土舱压力、顶管推进速度、螺旋机转速、千斤顶总顶力、切削刀盘转速和扭矩等。进行施工参数控制的目的就在于针对工程地质特性、覆土厚度，选择正确的掘进模式，设置适合的施工土压，严格控制出碴量，选择灵活合理的掘进参数，有效地控制地表下沉和提高掘进速度，并使得地表沉降得到有效控制，从而有效地保护沿线的地上建筑和地下设施。实际施工中，顶管的土压平衡控制系统往往选择以顶进速度为常量，即掘削量为定值，而螺旋输送机转速为变量，即排土量为变值的方式，使土压舱内的土压力值稳定和控制在所设定的压力值范围内，达到开挖面的土体稳定。为减少地层的扰动和引起地面建