矩形顶管隧道的国内外发展与研究现状

郑州红专路下穿中州大道大断面盾构顶管工程技术交流会2014年8月30日郑州矩形顶管隧道的国内外发展与研究现状汇报提纲一．顶管工程的分类二．顶管法的发展历史及现状三．典型工程案例分析四．顶管法的主要科学及工程技术问题五．顶管工程的发展趋势六．顶管工程当前主要存在的问题一、顶管工程的分类相同点异同点盾构工程顶管工程1.1顶管工程与盾构工程对比一、顶管工程的分类按掘进长度按断面大小分：按开挖方式分：按掘进长度分：按线型分：1.2顶管工程的分类二、顶管工程的发展与现状2.1国外顶管工程的发展历史二、顶管工程的发展与现状2.2国内顶管工程的发展历史二、顶管工程的发展与现状2.3国内外顶管机具设备现状◆矩形顶管机最早在日本出现，主要用于地铁车站、地铁及水底隧道旁通道等构筑物的建设◆日本结合管片拼装法和顶管机，开发出DPLEX和Takenaka顶管施工法曲柄轴偏心矩形顶管组合刀盘多轴式矩形顶管机二、顶管工程的发展与现状2.4国内外顶管机具设备现状随着我国机电工程快速进步，目前国内己经有一批设备生产厂家能够自主设计、生产矩形顶管设备。主要有中国中铁装备有限公司（大型）和扬州广鑫重型设备有限公司（中小型）等。中铁装备矩形顶管机广鑫组合刀盘式顶管机三、典型工程案例分析3.1典型顶管工程施工案例波士顿中央大道矩形顶管隧道工程，为高架6车道，当时设计每天运量为75,000辆机动车，到1989年实际运量达到200,000辆，每天交通拥堵时间超过10小时，交通事故发生率是其他城市的4倍，预计2010发展到16个小时。建成时交通改造前交通流案例1：波士顿中央大道矩形顶管隧道工程三、典型工程案例分析改造方案：在现有的中央大道下面修建一条8-10车道的地下快速路，替代现存的6车道高架桥在波士顿海港建设一条海底隧道用来联系机场和城市中心建成后拆除地上拥挤的高架桥，代之以绿地和可适度开发的城市用地3.1典型顶管工程施工案例案例1：波士顿中央大道矩形顶管隧道工程三、典型工程案例分析工程特点：●施工时间：1989年至2004年●隧道管道：24m(宽)×12m(高)的混凝土矩形断面，长度约112m●施工方法：采用顶管工程●覆盖层厚度：约2m●工程主要问题：保证施工期原有道路正常通行下穿一铁路线，严格控制沉降●地层加固：盐水冻结法冻结现场顶进现场改造前改造后3.1典型顶管工程施工案例案例1：波士顿中央大道矩形顶管隧道工程三、典型工程案例分析场地条件：交通压力大：行人→2600人/h；车辆→2400辆/h地层管线复杂；地下水位浅→约1~3m地层条件→极软灰色粘土和粉性砂，椎体贯入阻力为0.2-0.5Mpa普通隧道施工方案无法满足要求3.1典型顶管工程施工案例案例2：印尼KOTA箱型顶管人行隧道施工案例三、典型工程案例分析结构设计及施工特点：顶管隧道分为两部分（结构）：火车站（东段）长24m博物馆银行（西段）长21m高4.95m，宽10.10m，总重1900t施工方案：分三段进行逐次顶推到位3.1典型顶管工程施工案例案例2：印尼KOTA箱型顶管人行隧道施工案例三、典型工程案例分析实际工程中的问题：问题1：顶管承载路面交通荷载过大地层软，沉降大解决方案：减小顶管的推进荷载与顶管平行方向铺设钢梁设计改为垂直顶管铺设钢梁，降低地面荷载顶管方向3.1典型顶管工程施工案例案例2：印尼KOTA箱型顶管人行隧道施工案例三、典型工程案例分析实际工程中出现如下问题：问题2：出现0.9%的管头下沉解决方案：1）始发井场地采用强夯管桩加固，保证管节始发的姿态；2）管节间采用预压的锚固装置3.1典型顶管工程施工案例案例2：印尼KOTA箱型顶管人行隧道施工案例三、典型工程案例分析场地条件：武汉地铁2号线王家墩车站东北部下穿青年路与青年路高架桥（青年路与建设大道均为武汉市主干路中最重要的交通干道之一）人/车流量大，地下管线较密集，主要有给水、电力、电信及煤气等管线有较大的排水箱涵(7m×2.7m)等采用顶管法施工3.1典型顶管工程施工案例案例3：武汉地铁2号线王家墩东站Ⅳ号出入口三、典型工程案例分析结构设计及地层条件：覆土厚度：约为5.9m地层条件：淤泥质粉质黏土，夹粉粉砂结构尺寸：4m×6m矩形通道总长：约62.4m施工方法：土压平衡式矩形顶管接口防水：采用“F”型承插式+橡胶止水圈+聚硫密封膏两副3m×3.5m刀盘16个纠偏千斤顶3.1典型顶管工程施工案例案例3：武汉地铁2号线王家墩东站Ⅳ号出入口三、典型工程案例分析实际工程中出现如下问题：问题1：紧邻既有上跨箱涵箱涵年代久，稳定性差解决方案：在箱涵前端1.5m位置设置两排￠600泄压孔加强实时监控问题2：地下水位线以下，管节漏水现象严重，防水任务重解决方案：1）管节采用抗渗混凝土2）接口：采用“F”型承插式+橡胶止水圈+聚硫密封膏3）管节壁外注浆防水4）嵌缝密封防水3.1典型顶管工程施工案例案例3：武汉地铁2号线王家墩东站Ⅳ号出入口三、典型工程案例分析3.2近期部分国内典型顶管工程三、典型工程案例分析3.3近期部分国外典型顶管工程四、顶管工程的科学及工程问题4.1顶管工程的科学问题4.1.1顶推力的计算问题工作面的抗力管土侧摩阻力四、顶管工程的科学及工程问题4.1.2背土效应机制及控制措施在顶管施工埋深较浅的情况下，上部土体的卸荷拱作用相对不明显，或卸荷拱高度以内的土体在自重作用下坍塌覆盖于顶管机上表面，并在摩阻力反作用下会随顶管方向发生压缩变形或移动危害：1）增大沉降，危及地表构筑物2）增大顶推荷载。。。。控制措施：背后注浆4.1顶管工程的科学问题四、顶管工程的科学及工程问题4.1.3大断面矩形管节的结构设计4.1顶管工程的科学问题四、顶管工程的科学及工程问题4.1.4工作面稳定性评估方法4.1顶管工程的科学问题基于极限上限分析理论，通过考虑工作面的典型破坏模式，以及围岩体的速度场、极限支护压力等参数，建立了顶管隧道施工条件下工作面的失稳破坏模型，该模型可考虑包括隧道埋深，隧道直径土体黏聚力与内摩擦角的影响等因素。主动破坏模式相容速度场23013223012230132230123tansin(2)cos(2)exp(323)tan219tancos3tansin219tansin(2)3tancos(2)exp(323)tan219tan2sin19tanyyyzzzfrvWfrvfrvWfrv四、顶管工程的科学及工程问题4.1.5管节间纵向传力及耐久性问题4.1顶管工程的科学问题四、顶管工程的科学及工程问题4.2.1机头侧转问题顶管机自身刀盘旋转切屑土体造成与大盘旋转方向相反的反作用力，在此作用力下，使得顶管机头本身有朝向刀盘旋转反方向转动的趋势。危害：管节破坏，影响防水管节无法对接影响矩形截面通道的使用。。。。控制措施：正、反转刀盘压浆纠偏顶管机两侧加装可调整侧翼等4.2顶管工程的工程技术问题四、顶管工程的科学及工程问题2、顶管机的姿态控制问题顶进过程中，工程地质条件、机械设备的误差及施工操作会对顶管机的姿态造成影响。危害：顶进偏离设计线路解决方案：高程控制水平控制转角控制导向控制注浆纠正机头控制系统纠正4.2顶管工程的工程技术问题四、顶管工程的科学及工程问题3、地层的预加固及预支护注浆4.2顶管工程的工程技术问题四、顶管工程的科学及工程问题3、地层的预加固及预支护管棚支护4.2顶管工程的工程技术问题作用：调整隧道顶进引起的应力分布保持工作面稳定和抑制地面沉陷,也可作为永久支护，提高顶管隧道的稳定性四、顶管工程的科学及工程问题3、地层的预加固及预支护梁体刚度法（吊轨梁法）4.2顶管工程的工程技术问题传力系统：活载经钢轨传至枕木，由枕木扣件传至吊轨梁，由吊轨梁传至两端的座木，或传至工字钢横梁上梁体刚度法四、顶管工程的科学及工程问题4、摩阻力过大问题管土间的摩阻力随顶进距离增加而增加，使管节难以顶进。危害：管节、后背墙被破坏解决方案：注入减阻泥浆，形成泥浆套4.2顶管工程的工程技术问题四、顶管工程的科学及工程问题5、长距离顶管的中继间问题中继间的设置无统一的标准；设计中继间所选用的顶力公式不能反映实际顶力变化情况；顶力的随机因素较多,无法判断中继站设置是否合理。危害：影响管道正常顶进提高工程造价解决方案：选取适当中继间结合地质情况选取合适设计顶力4.2顶管工程的工程技术问题四、顶管工程的科学及工程问题6、管节渗漏问题钢套环与管节混凝土温差收缩不一致，两者之间可能存在渗水通道，产生渗漏现象。解决方案：在管节端头预留沟槽，灌注密封胶4.2顶管工程的工程技术问题四、顶管工程的科学及工程问题7、工程产生的环境问题项管施工中会对周围土体产生一定的扰动，在土体中产生附加应力，引起地表较大变形。危害：引起周边建（构）筑物的变形引起地下管线的破坏解决方案：同步注浆严格控制进出洞对相关建筑物及管线下土体进行预加固4.2顶管工程的工程技术问题五、矩形顶管工程的发展趋势（1）一次连续顶进的距离越来越长；（2）顶管直径向大小直径两个方向发展；（3）管材向钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢顶管发展；（4）机械化程度越来越高；（5）顶管线路的曲直度、曲线形状越来越复杂，曲率半径越来越小。未来矩形顶管的发展趋势为：六、顶管工程当前主要存在的问题在矩形顶管工程在科研方面主要有以下七个问题：（1）目前国内外学者对结合顶管施工特点对管道的横向受力研究较少；（2）顶推力计算不完善，摩阻系数的确定有待进一步研究；（3）外部荷载对顶管结构的作用难以评估。（4）目前的对顶管施工中管道力学特性和施工后直至土体最终稳定的长期移动研究较少；（5）国内对注浆过程中浆液、管道、土体三者之间的相互作用机理缺乏了解；（6）目前在顶管施工的数值计算方面，一些模型参数取值不易符合工程实际；（7）我国还没有专门针对矩形顶管管材结构设计的规范出台。大断面矩形顶管施工难度大，主要表现在：（1）顶管掘进机掘进时易引起机头背土，加剧对土体扰动和流失，严重时会造成地面塌陷和管线破坏；（2）机头顶进时顶力及扭矩大，顶管机姿态难以控制；（3）刀盘切削面积大，对土层的扰动范围大，易造成地面及管线沉降，控制难度大；（4）小间距顶进时，侧压力引起相邻管节发生变形和位移，甚至造成破坏。（5）已成型通道四周土体再次扰动，易引起地面及管线沉降叠加，造成周边环境破坏。六、顶管工程当前主要存在的问题