CN113790308A - 一种减小顶管施工背土影响的体积智能调控气囊桩及调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种减小顶管施工背土影响的体积智能调控气囊桩及调控方法，该体积智能调控气囊桩包括气囊桩、压力监控调节设备、高压充气管、高压注浆管、加压稳压气体泵、高压混凝土浆液泵，气囊桩包括预制混凝土桩体、囊袋，囊袋套在预制混凝土桩体外部，预制混凝土桩体内部预留有两条通道，高压充气管和高压注浆管一端分别放置在预制混凝土桩体内部预留的两条通道内，高压充气管另一端与加压稳压气体泵相连，高压注浆管另一端与高压混凝土浆液泵相连，压力监控调节设备分别与高压充气管、高压注浆管相连。本发明的有益效果是：本发明通过体积智能调控气囊桩减小大断面浅埋矩形顶管施工引起的背土效应，同时也能有效的调节顶管施工引起的地表沉降或隆起的现象。

Description

一种减小顶管施工背土影响的体积智能调控气囊桩及调控 方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种减小顶管施工背土影响 的体积智能调控气囊桩及调控方法。

背景技术

浅埋大断面矩形顶管施工时，顶管周围土体受到摩擦力的作用，致使 靠近顶管的土体向顶进方向移动，顶管机前方土体受到挤压而隆起；而离 顶管较远的土体向下移动填补已经向前方移动的土体而引发后端土体沉 降。顶管施工过程中地表各位置的土体呈先隆起而后沉降的现象，如图1 所示。

现有技术中一般采用注减摩浆、切削或隔离顶管机头上方土体的方法 减少背土效应。输出减摩浆使得顶管机的壳体与土体间形成的一层隔膜, 增加润滑,起到防背土的作用。缺点是当矩形顶管截面很大时,由于浆液流 动的不可靠性，即使增加注浆液点也不一定能保证在掘进机周围形成隔膜, 从而对减弱顶管背土的效果不明显。切削或隔离顶管机头上方土体的方法 即通过动力系统控制顶管机壳体上切削系统的运动，对顶管机头上方的土 体起到一定的隔离和切削作用，但对于超大断面的浅埋顶管施工，此方法 对整体背土效应的限制作用不大。

发明内容

本发明提供了一种减小顶管施工背土影响的体积智能调控气囊桩，包 括气囊桩、压力监控调节设备、高压充气管、高压注浆管、加压稳压气体 泵、高压混凝土浆液泵，所述气囊桩包括预制混凝土桩体、囊袋，所述囊 袋套在所述预制混凝土桩体外部，所述预制混凝土桩体内部预留有两条通 道，所述高压充气管和所述高压注浆管一端分别放置在所述预制混凝土桩 体内部预留的两条通道内，所述高压充气管另一端与所述加压稳压气体泵相连，所述高压注浆管另一端与所述高压混凝土浆液泵相连，所述压力监 控调节设备分别与所述高压充气管、所述高压注浆管相连。

作为本发明的进一步改进，所述气囊桩还包括囊袋固定装置，所述囊 袋通过所述囊袋固定装置与所述预制混凝土桩体绑定。

作为本发明的进一步改进，所述气囊桩还包括膜外金属护铠，所述囊 袋外套有所述膜外金属护铠。

作为本发明的进一步改进，所述预制混凝土桩体直径为120mm，所述 预制混凝土桩体体长由顶管施工背土效应的影响范围决定；所述囊袋采用 橡胶模；所述高压充气管直径为8mm，所述高压注浆管直径为20mm；所述 固定装置为金属环。

作为本发明的进一步改进，该体积智能调控气囊桩还包括地层位移监 测系统、中央信息处理系统，其中，

所述地层位移监测系统：用于实时监测地层变形信息并将其反馈给所 述中央信息处理系统。

所述中央信息处理系统：用于根据所述地层位移监测系统监测的地层 变形信息计算气囊桩的体积膨胀/减小量，并计算出调节所述气囊桩体积变 化的压力，以及将所需要调控的压力值传给所述压力监控调节设备，从而 实现压力调节设备动态调节气囊桩的体积。

作为本发明的进一步改进，所述地层位移监测系统为地层位移监测传 感器；所述气囊桩数量为多个。

本发明还公开了一种减小顶管施工背土影响的体积智能调控气囊桩的 调控方法，还包括依次执行以下步骤：

步骤1：顶管施工前，将所述气囊桩以设定倾角打入土体中，并向所 述囊袋充入设定气体。

步骤2：布置所述地层位移监测传感器。

步骤3：对所述气囊桩进行标定试验，即在施工现场将所述气囊桩打 入土体中，仪器工作时，由加压稳压气体泵通过所述高压导管将气体传至 所述气囊桩的所述囊袋中，使弹性囊袋膨胀导致土体孔壁受压而产生相应 的侧向变形，记录囊袋的体积变化量及对应的气压值。

步骤4：顶管施工。

步骤5：所述地层位移传感器实时监测地层变形信息并反馈给所述中 央信息处理系统，所述中央信息处理系统根据监测的地层变形信息计算所 述气囊桩的体积膨胀/减小量，然后计算出调节所述气囊桩体积变化的压 力。

步骤6：所述中央信息处理系统将需要调控的所述气囊桩体积变化量 所需要调控的压力值传给压力监控调节系统，根据施工前的标定试验，根 据标定试验所得的所述气囊桩体积变化量得到对应的压力变化量，当所述 中央信息处理系统计算出所述气囊桩体积变化量所需要调控的压力值后， 传给压力监控调节系统，由压力监控调节系统调节所述气囊桩气压值，实 现所述气囊桩体积的动态调节过程。

步骤7：顶管施工完毕后，把所述囊袋内的高压气体替换成混凝土浆 液，实现对土体的加固。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤1中，顶管施工前，将所述气 囊桩以45°倾角打入土体中，而且，所述气囊桩桩体的埋深需达到背土效 应的影响高度，所述气囊桩的水平间距需要保证所述气囊桩的底端达到其 相邻所述气囊桩的顶端位置。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤2中，将所述地层位移监测传 感器埋至0.5m的深度，同时确保每根所述气囊桩的上方布置有一个所述地 层位移监测传感器；在所述步骤3中，所述气囊桩体积变形量由体积量测 装置测定，压力p由压力监控调节设备测得；在所述步骤5中，当所述地 层位移传感器监测出地层沉降量/隆起s后，根据所述气囊桩的插入地层的 角度β，能推算出此时所述气囊桩所需的体积膨胀/缩减量V,具体公式如下:

r＝s/cosβ

V＝L×2πr，

其中，V为气囊桩体积变化量，L为气囊桩桩长，r为气囊桩半径的改变量。

本发明的有益效果是：本发明通过体积智能调控气囊桩减小大断面浅 埋矩形顶管施工引起的背土效应，同时也能有效的调节顶管施工引起的地 表沉降或隆起的现象。

附图说明

图1是本发明背景图-矩形顶管施工的背土效应图；

图2是本发明体积智能调控气囊桩的结构示意图；

图3是本发明体积智能调控气囊桩的布置方式示意图；

图4是本发明典型的压力p-体积变化量V关系曲线；

图5是本发明地层沉降与气囊桩体积膨胀量关系；

图6是本发明顶管周围土体分区图；

图7是本发明Ⅰ区土体受力简图。

图中：1预制混凝土桩体、2囊袋、3囊袋固定装置、4金属护铠、5 压力监控调节设备、6高压充气管、7高压注浆管、8加压稳压气体泵、9 高压混凝土浆液泵、10智能气囊桩体系、11地层位移监测系统、12中央 信息处理系统、13压力监控调节系统、14顶管机。

具体实施方式

如图2所示，本发明公开了一种减小顶管施工背土影响的体积智能调 控气囊桩，包括气囊桩、压力监控调节设备5、高压充气管6、高压注浆管 7、加压稳压气体泵8、高压混凝土浆液泵9，所述气囊桩包括预制混凝土 桩体1、囊袋2，所述囊袋2套在所述预制混凝土桩体1外部，所述预制混 凝土桩体1内部预留有两条通道，所述高压充气管5和所述高压注浆管7 一端分别放置在所述预制混凝土桩体1内部预留的两条通道内，所述高压 充气管6另一端与所述加压稳压气体泵8相连，所述高压注浆管7另一端 与所述高压混凝土浆液泵9相连，所述压力监控调节设备5分别与所述高 压充气管6、所述高压注浆管7相连。高压充气管6和高压注浆管7通过 压力监控调节设备5分别与加压稳压气体泵8和高压混凝土浆液泵9相通。

所述气囊桩还包括囊袋固定装置3，所述囊袋2通过所述囊袋固定装 置3与所述预制混凝土桩体1绑定。

所述气囊桩还包括膜外金属护铠4，所述囊袋2外套有所述膜外金属 护铠4。

所述预制混凝土桩体1直径为120mm，所述预制混凝土桩体1体长由 顶管施工背土效应的影响范围决定，其计算方法见附录1。

所述囊袋2采用抗压强度较高且弹性适中的橡胶模。

所述高压充气管6直径为8mm，所述高压注浆管7直径为20mm。

如图3所示，本发明还公开了一种体积智能调控气囊桩的具体布置方 式，主要由地层变形监测系统11、中央信息处理系统12、压力监控调节系 统13共同作用，动态调节气囊桩的体积变化，实现对大面积顶管施工背土 效应引起的地表沉降(隆起)的动态调控。其中，

所述地层位移监测系统11：用于实时监测地层变形信息并将其反馈给 所述中央信息处理系统12。

所述中央信息处理系统12：用于根据所述地层位移监测系统11监测 的地层变形信息计算气囊桩的体积膨胀/减小量，并计算出调节所述气囊桩 体积变化的压力，以及将所需要调控的压力值传给所述压力监控调节设备 5，从而实现压力调节设备动态调节气囊桩的体积。

所述地层位移监测系统11为地层位移监测传感器；所述气囊桩数量为 多个。

本发明还公开了一种体积智能调控气囊桩的调控方法，包括执行以下 步骤：

步骤1：顶管施工前，将气囊桩以45°倾角打入土体中，并向囊袋充 入一定气体。其中，预制混凝土桩体1的埋深需达到背土效应的影响高度， 背土效应的影响高度粗略的计算方法可参考附录1，气囊桩的水平间距需 要保证桩的底端达到其相邻气囊桩的顶端位置，如图3所示。

步骤2：布置地层位移监测传感器，将地层传感器埋至0.5m的深度， 同时确保每根气囊桩的上方布置有一个地层位移监测传感器，如图3所示；

步骤3：对气囊桩进行标定试验，即在施工现场将气囊桩打入土体中， 仪器工作时，由加压稳压气体泵8通过高压导管6将气体传至气囊桩的囊 袋中，使弹性囊袋膨胀导致土体孔壁受压而产生相应的侧向变形。气囊桩 体积变形量可由体积量测装置测定，压力p由压力监控调节设备测得。根 据所测结果,得到压力p和体积变化量V之间的关系，典型的压力p-体积 变化量V关系曲线如图4所示。

步骤4：顶管施工；

步骤5：地层位移传感器实时监测并反馈给中央信息处理系统12，中 央信息处理系统12根据监测的地层变形信息计算囊袋的体积膨胀(减小) 量，并计算出调节气囊体积变化的压力。如图5所示，当地层位移传感器 监测出地层沉降量(隆起)s后，根据气囊桩的插入地层的角度β，可大 致推算出此时气囊桩所需的体积膨胀(缩减)量V。其中:

r＝s/cosβ

V＝L×2πr，

V--气囊桩体积变化量，

L--为气囊桩桩长，

r--气囊桩半径的改变量。

步骤6：中央信息处理系统12将需要调控的囊袋体积变化量所需要调 控的压力值传给压力监控调节系统13。根据施工前的标定试验，根据标定 试验所得的气囊桩体积变化量可得对应的压力变化量，当中央信息处理系 统12统计算出气囊桩体积变化量所需要调控的压力值后，传给压力监控调 节系统13，由压力监控调节系统13调节气囊桩气压值，实现气囊桩体积 的动态调节过程。(备注：多个压力监控调节设备5构成压力监控调节系统13)

步骤7：顶管施工完毕后，把囊袋2内的高压气体替换成混凝土浆液， 实现对土体的加固。

本发明的有益效果：本发明通过体积智能调控气囊桩减小大断面浅埋 矩形顶管施工引起的背土效应，同时也能有效的调节顶管施工引起的地表 沉降或隆起的现象。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

附录1

背土效应影响高度粗略计算：

1.模型假设，如图6-图7所示：

1)根据顶管施工对土体的扰动情况，将顶管周围的土体划分成6个区 域，主要影响区(Ⅰ区土体)内的土体受摩擦力作用随着顶管向顶进方向 移动，将主要影响区(Ⅰ区土体)的土体简化为刚体。

2)Ⅰ区土体水平方向上受到的管-土摩阻力、上覆土体摩阻力、两侧 剪切约束力以及前端土体被动约束力均简化为刚体外力。

3)Ⅰ区土体受到的管-土摩阻力大于两侧极限剪切约束力为整体背土 效应产生的前提条件。

4)Ⅰ区土体受到的管-土摩阻力大于两侧剪切滑移约束力、上覆土体 的摩擦力与前端土体被动约束力之和为整体背土效应产生的破坏条件。

2.背土效应解析解

1)背土效应产生的条件

2)全接触模型计算摩阻力Ff

管土全接触理论认为管土摩阻力由管土接触压力、接触宽度以及摩擦系 数决定，可表示为：

F_f管-土＝f·l＝γ′dlbμ₁+Clb (2)

F_f土-土＝f·l＝γ′(d-h)lbμ₂+Clb (3)

γ′——上覆土体的有效重度，

d——管节上覆土体的厚度，

h——主要影响区土体的厚度，

l——顶管顶程，

b——管节上表面宽度。

3)Ⅱ区土体对Ⅰ区土体的极限剪切约束力F_u

实质为Ⅰ区土体的竖向剪切破坏，采用摩尔库伦有效抗剪强度破坏准则分 析。

4)Ⅱ区土体对Ⅰ区土体剪切滑移约束力F_s

考虑滑移土体的连续剪切破坏面的逐渐形成最终的剪切滑移面，破坏面土 体粘聚力丧失。

5)Ⅰ区土体的极限抗力

简化模型将前端土体的抗力R假定为作用在Ⅰ区土体的刚体外力。随着 Ⅰ区土体逐渐向前位移，前端土体最终表现为被动剪切破坏。因此，文中采 用朗肯土压力理论计算背土前端的土体抗力R。

6)整体背土效应分析

将(2)、(3)、(6)、(8)、(11)带入(1)式可得：

满足(12)式是发生整体背土效应的前提条件，由(12)式可知发生整体 背土效应的前提条件与顶进长度无关。主要由顶管上覆土体的厚度和参数 属性决定。

式(13)是整体背土效应的破坏条件。

若μ₁＝μ₂，将(13)式简化得：

Claims (9)

1.一种减小顶管施工背土影响的体积智能调控气囊桩，其特征在于：包括气囊桩、压力监控调节设备(5)、高压充气管(6)、高压注浆管(7)、加压稳压气体泵(8)、高压混凝土浆液泵(9)，所述气囊桩包括预制混凝土桩体(1)、囊袋(2)，所述囊袋(2)套在所述预制混凝土桩体(1)外部，所述预制混凝土桩体(1)内部预留有两条通道，所述高压充气管(6)和所述高压注浆管(7)一端分别放置在所述预制混凝土桩体(1)内部预留的两条通道内，所述高压充气管(6)另一端与所述加压稳压气体泵(8)相连，所述高压注浆管(7)另一端与所述高压混凝土浆液泵(9)相连，所述压力监控调节设备(5)分别与所述高压充气管(6)、所述高压注浆管(7)相连。

2.根据权利要求1所述的体积智能调控气囊桩，其特征在于：所述气囊桩还包括囊袋固定装置(3)，所述囊袋(2)通过所述囊袋固定装置(3)与所述预制混凝土桩体(1)绑定。

3.根据权利要求1所述的体积智能调控气囊桩，其特征在于：所述气囊桩还包括囊袋外表的金属护铠(4)，所述囊袋(2)外套有所述膜外金属护铠(4)。

4.根据权利要求2所述的体积智能调控气囊桩，其特征在于：所述预制混凝土桩体(1)直径为120mm，所述预制混凝土桩体(1)体长由顶管施工背土效应的影响范围决定；所述囊袋(2)采用橡胶模；所述高压充气管(6)直径为8mm，所述高压注浆管(7)直径为20mm；所述固定装置(3)为金属环。

5.根据权利要求1-4任一项所述的体积智能调控气囊桩，其特征在于：该体积智能调控气囊桩还包括地层位移监测系统(11)、中央信息处理系统(12)，压力监控调节系统(13)，其中，

所述地层位移监测系统(11)：用于实时监测地层变形信息并将其反馈给所述中央信息处理系统(12)；

所述中央信息处理系统(12)：用于根据所述地层位移监测系统(11)监测的地层变形信息计算气囊桩的体积膨胀/减小量，并计算出调节所述气囊桩体积变化的压力，以及将所需要调控的压力值传给所述压力监控调节系统(13)，从而实现压力调节设备动态调节气囊桩的体积。

6.根据权利要求5所述的体积智能调控气囊桩，其特征在于：所述地层位移监测系统(11)为地层位移监测传感器；所述气囊桩数量为多个。

7.一种包括权利要求1-6任一项所述的减小顶管施工背土影响的体积智能调控气囊桩的调控方法，其特征在于，还包括依次执行以下步骤：

步骤1：顶管施工前，将所述气囊桩以设定倾角打入土体中，并向所述囊袋(2)充入设定气体；

步骤2：布置所述地层位移监测传感器；

步骤3：对所述气囊桩进行标定试验，即在施工现场将所述气囊桩打入土体中，仪器工作时，由加压稳压气体泵(8)通过所述高压导管(6)将气体传至所述气囊桩的所述囊袋(2)中，使弹性囊袋(2)膨胀导致土体孔壁受压而产生相应的侧向变形，记录囊袋的体积变化量及对应的气压值；

步骤4：顶管施工；

步骤5：所述地层位移传感器实时监测地层变形信息并反馈给所述中央信息处理系统(12)，所述中央信息处理系统(12)根据监测的地层变形信息计算所述气囊桩的体积膨胀/减小量，然后计算出调节所述气囊桩体积变化的压力；

步骤6：所述中央信息处理系统(12)将需要调控的所述气囊桩体积变化量所需要调控的压力值传给压力监控调节系统(13)，根据施工前的标定试验，根据标定试验所得的所述气囊桩体积变化量得到对应的压力变化量，当所述中央信息处理系统(12)计算出所述气囊桩体积变化量所需要调控的压力值后，传给压力监控调节系统(13)，由压力监控调节系统(13)调节所述气囊桩气压值，实现所述气囊桩体积的动态调节过程；

步骤7：顶管施工完毕后，把所述囊袋(2)内的高压气体替换成混凝土浆液，实现对土体的加固。

8.根据权利要求7所述的调控方法，其特征在于：在所述步骤1中，顶管施工前，将所述气囊桩以45°倾角打入土体中，而且，所述气囊桩桩体的埋深需达到背土效应的影响高度，所述气囊桩的水平间距需要保证所述气囊桩的底端达到其相邻所述气囊桩的顶端位置。

9.根据权利要求8所述的调控方法，其特征在于：在所述步骤2中，将所述地层位移监测传感器埋至0.5m的深度，同时确保每根所述气囊桩的上方布置有一个所述地层位移监测传感器；在所述步骤3中，所述气囊桩体积变形量由体积量测装置测定，压力p由压力监控调节设备(5)测得；在所述步骤5中，当所述地层位移传感器监测出地层沉降量/隆起s后，根据所述气囊桩的插入地层的角度β，能推算出此时所述气囊桩所需的体积膨胀/缩减量V,具体公式如下:

r＝s/cosβ

V＝L×2πr，

其中，V为气囊桩体积变化量，L为气囊桩桩长，r为气囊桩半径的改变量。

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