CN114876471B - 用于无水砂层中的顶管施工方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于无水砂层中的顶管施工方法，顶管以预定距离上跨运营地铁结构，该方法包括：基于地质信息，确定针对无水砂层以及地铁结构的动态模型，动态模型与运营地铁结构在受力变形时的竖向位移相关联；在经模拟的地铁结构上开挖卸荷土体，以监测针对地铁结构的竖向位移；基于所监测的针对地铁结构的竖向位移，确定与竖向位移相关联的针对卸荷土体的开挖范围和开挖重量值；以及将开挖范围确定为第一配重范围，并且将第一配重范围的开挖重量值确定为配重重量值，以在真实施工环境中与第一配重范围相对应的第二配重范围内，对真实开挖的卸荷土体动态地施加与配重重量值相关联的配重。以此方式，能够在特殊地层中维持下卧地铁受力状态稳定。

Description

用于无水砂层中的顶管施工方法

技术领域

本公开一般地涉及建筑技术领域，特别地涉及用于无水砂层中的顶管施工方法，其中顶管以预定距离上跨运营地铁结构。

背景技术

传统管线铺设通常采用明挖敷设的方式，在面临穿越既有道路、构筑物等时，常伴随着征地拆迁，交通导改，文明环保施工压力大，导致施工周期长、对周边环境影响大、极易给周边居民正常生活带来不便等结果。顶管施工是地下施工的一种，在穿越既有道路、建筑物时可以避开拆改带来的问题，在施工合理的情况下，对周边环境设施影响极小，是一种高效简便的施工方法。

顶管施工采取土压平衡的方式，主要特征是在顶进过程中，利用土仓内的压力和螺旋输送机排土来平衡地下水压力和土压力。顶管施工排出的土可以是含水量很少的干土或含水量较多的泥浆。砂层地质中通常含水量极低，在顶管施工过程中，例如大断面矩形顶管施工过程中，顶管施工排出的土通常是干土。在这样的砂层地质中，当顶管近距离上跨运营地铁线，竖向位移变形控制值要求严格，控制难度极大，若施工不当导致地铁上浮超过控制值，会对地铁正常运营甚至行车安全造成负面影响。因此，顶进施工中，严格控制施工对下卧地铁的影响是此工程的重难点。目前公开的技术资料缺乏针对这种特殊地质近距离穿越重要管线的实例支撑，可供借鉴的施工参数匮乏。

发明内容

本公开的目的是提供一种用于无水砂层中的顶管施工方法，以至少部分地解决现有技术中存在的上述问题。

根据本公开的第一方面，提供了一种用于无水砂层中的顶管施工方法。所述顶管以预定距离上跨运营地铁结构。所述方法包括：基于探测到的针对所述无水砂层的地质信息，确定针对所述无水砂层以及所述地铁结构的动态模型，所述动态模型与所述地铁结构在受力变形时的竖向位移相关联；在所述动态模型中，在经模拟的所述地铁结构上开挖卸荷土体，以监测针对所述地铁结构的所述竖向位移；基于所监测的针对所述地铁结构的所述竖向位移，确定与所述竖向位移相关联的针对所述卸荷土体的开挖范围和开挖重量值；以及将所述开挖范围确定为第一配重范围，并且将所述第一配重范围的所述开挖重量值确定为配重重量值，以在真实施工环境中与所述第一配重范围相对应的第二配重范围内，对地铁结构动态地施加与所述配重重量值相关联的配重。

在一些实施例中，方法还包括在所述真实施工环境中，利用顶进机将所述顶管进尺至所述第二配重范围内；以及在所述顶管的通道两侧对称地施加与所述配重重量值相关联的所述配重，其中所述配重重量值是动态变化的，并且保持与真实开挖的所述卸荷土体的重量相等。

在一些实施例中，所述配重包括多个配重车，多个所述配重车能够经由预设轨道顶进至所述顶管的所述通道并且包括第一钢板，所述第一钢板具有等于所述配重重量值的重量。

在一些实施例中，多个所述配重车中的每个配重车经由铁索耦接至所述顶管外侧的固定构件，用以拉紧所述配重车，所述铁索的长度是可调的。

在一些实施例中，所述方法还包括：在第二配重范围内，每顶进所述顶管的一节管片，在所述顶管的所述通道两侧各增加一个所述配重车。

在一些实施例中，所述方法还包括：在所述顶进机越过所述第二配重范围时，停止增加所述配重车；以及继续顶进所述顶管，所述铁索的所述长度固定并且被配置为能够拉动多个所述配重车，以使得多个所述配重车与所述管片相对滑动，从而保持多个所述配重车的绝对位置始终位于所述第二配重范围内。

在一些实施例中，所述方法还包括：顶进施工完成后，将多个所述配重车置换为永久配重，其中所述永久配重的总重量等于真实开挖的所述卸荷土体的总重量。

在一些实施例中，所述永久配重包括第二钢板和混凝土层，所述混凝土层设置在所述第二钢板上并且被配置为固定所述第二钢板。

在一些实施例中，所述顶管包括并行双线矩形顶管。

在一些实施例中，所述动态模型使用FLAC3D而建立。

本公开的各个实施例至少可以起到如下有益效果：

（1）本公开特定应用于无水砂层等含水量低的地质层中，并且特定地适用于顶管近距离上跨运营地铁结构施工。

（2）本公开通过模型模拟的方式确定顶管近距离上跨运营地铁结构施工最优配重范围和配重重量，可以提前预设安全系数，保证运营地铁结构在无水砂层等特定环境下的运营安全性以及顶管施工过程的安全性。

（3）本公开的方法动态地进行开挖土体等价置换，采用增加管节内配重替换开挖土方，保持地铁上方重量不变，从而有效抵消顶管施工土体卸荷的影响，最大限度维持下卧地铁受力状态保持稳定，有效抑制顶进土体卸荷导致的下卧地铁上浮。

（4）本公开的配重采用工程中常用的钢板车的形式，能够通过铁索固定，并且预设可移动轨道，使得配重车能够基于土体开挖情况移动，保证配重始终处于最优配重范围，进一步保证施工安全。

（5）配重车的钢板取材方便，工艺简单，能够直接用于置换永久配重，节约材料，大大缩短工期，显著提升工程经济效益。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开的实施例的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例而非限制性的方式示出了本公开的若干实施例，其中：

图1是示出根据本公开一些实施例的实际地质及施工条件建立的动态模型示意图。

图2是示出根据本公开一些实施例的模拟分析计算开挖时地铁竖向位移曲线示意图。

图3是示出根据本公开一些实施例的上跨地铁区间临时配重断面设计示意图。

图4是示出根据本公开一些实施例的组配临时配重车的实物示意图。

图5是示出根据本公开一些实施例的临时配重投入使用实物示意图。

图6是示出根据本公开一些实施例的添加永久配重钢板设计示意图。

图7是示出根据本公开一些实施例的添加永久配重钢板实物示意图。

在各个附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。

在本公开的实施例的描述中，术语“包括”及其类似用语应当理解为开放性包含，即“包括但不限于”。术语“基于”应当理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”或“该实施例”应当理解为“至少一个实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

如前文所述，在无水砂层地质中，并行双线顶管施工近距离上跨运营地铁线时，尤其是无水砂层中大断面矩形顶管近距离上跨运营地铁，顶管距运营地铁线竖向距离在3m以内，矩形顶管跨度7~8m，高度4~6m，若施工不当导致地铁上浮超过控制值，会对地铁正常运营甚至行车安全造成负面影响，带来极大的安全隐患。

本公开结合实际地质勘探情况，通过软件（如FLAC3D）模拟程序，建立数值模型，动态分析顶管施工过程中地铁受力状态变化及结构竖向位移情况，由生成的竖向位移曲线，对比选取最优施工参数，施工过程严格按照模拟结果施工，过程全程监测，保证下卧地铁竖向位移变化值在可控范围内。这样一来，能够满足在特殊地层中，近距离上跨运营地铁线双顶管施工要求，取材方便，工艺简单，对施工工期基本无影响，并且可有效抑制下卧地铁的上浮，为后续类似施工提供了经验借鉴。

下面将结合附图1至附图7对本公开的示例实施方式进行详细介绍。

在一些实施例中，基于探测到的针对所述无水砂层的地质信息，确定针对无水砂层以及地铁结构的动态模型，动态模型与运营地铁结构在受力变形时的竖向位移相关联。

图1是示出根据本公开一些实施例的实际地质及施工条件建立的动态模型100示意图。在一些实施例中，如图1所示，该模型100通过FLAC3D软件或其他任意合适的软件而建立。在该数值模型中，可以看出实际探测到的地层本体1为100m*82m*30m，并且地层本体1可以是无水砂层。在一个实施例中，地层本体1可以自上而下包括多层，例如在图1中，地层本体1根据颜色深浅的不同而包括6层。需要说明，地层本体1是根据实际探测而得到，因此可以包括其他数目的层数，例如5层、7层甚至更多层等，本公开对此不作限制。

继续参考图1，地层本体1可以包括运营地铁结构3以及第一开挖卸荷土体5（又称西侧开挖土体）和第二开挖卸荷土体7（又称东侧开挖土体），其中第一开挖卸荷土体5和第二开挖卸荷土体7在地铁结构3上部跨过，并且与地铁结构3间隔预定距离，该预定距离可以在工程开始前根据地层实际情况以及顶管的实际工程用途而提前确定。需要说明，在图1的示例实施例中，该顶管施工为并行双线顶管施工，但本公开的实施例也可以用于其它形式的顶进施工，本公开对此不作限制。

在一些实施例中，在动态模型100中可以模拟并且监测第一开挖卸荷土体5和第二开挖卸荷土体7被开挖时地铁结构3在受力变形时的竖向位移情况。简言之，可以在经模拟的地铁结构3上开挖卸荷土体，可以得到地铁结构3的竖向位移情况。

具体地，在该实施例中，结合图1，通过模拟计算分析，本工程顶管埋深选取4.5m（即顶管底到地铁距离3m），顶管双线间距2m。此时，对应于第二开挖卸荷土体7的顶管先行顶进，正常进尺至距地铁区间3m左右。随后，对应于第一开挖卸荷土体5的顶管再顶进，以此往复。在动态模型100中不断监测竖向位移情况，以生成地铁竖向位移曲线示意图，这将结合图2进行更详细地介绍。

图2是示出图1的示例实施例的模拟分析计算开挖时地铁竖向位移曲线示意图。根据图2可以看出，在图1的示例实施例中，在不同的延米参数下，根据地铁延伸长度的不同，竖向位移呈现明显不一致的变化。例如，当地铁延伸长度在-30米（即开挖范围在远离地铁30米之外时），在各个参数下（如13.7吨每延米、14.2吨每延米等），竖向位移几乎为0。当地铁延伸长度在+30米时，在各个参数下（如13.7吨每延米、14.2吨每延米等），竖向位移同样接近于0。在-30米到+30米的范围内，随着地铁延伸长度的增加，竖向位移呈显著增大的趋势，并且最大可以达到1.6米甚至更高。

因此，可以基于例如图2所示的所监测的针对地铁结构3的竖向位移，确定与竖向位移相关联的针对卸荷土体的开挖范围和开挖重量值。结合到图2所示的示例，其开挖范围可以确定为约-30米至+30米的范围，并且可以结合延米参数（如13.7吨每延米、14.2吨每延米等）确定在这个开挖范围内的模拟开挖的土体开挖重量值。

随后，开挖范围可以被确定为第一配重范围，并且将第一配重范围的开挖重量值可以确定为配重重量值，以在真实施工环境中与第一配重范围相对应的第二配重范围内，对地铁结构动态地施加与所述配重重量值相关联的配重，其中第一配重范围属于动态模型100中的开挖范围，第二配重范围为真实施工环境中的配重范围，两者具备对应关系。

在一些实施例中，在确定好第一配重范围和配重重量值之后，可以在第一配重范围基础上确定真实施工环境的第二配重范围。这样一来，在实际施工环境中，就可以在利用顶进机将顶管进尺至第二配重范围内时，对开挖土体进行等重量置换工艺，保持地铁上方重量不变，从而有效抵消顶管施工土体卸荷的影响，最大限度维持下卧地铁受力状态保持稳定，有效抑制顶进土体卸荷导致的下卧地铁上浮。

在一个实施例中，具体地，可以在顶管的通道两侧对称地施加与配重重量值相关联的配重。例如，可以采用临时配重重量14.7吨每延米，沿管廊通道两侧对称布置。因为施工过程中随着顶进的不断进行，开挖土体的重量是在不断变化的，因此需要要求配重重量值也是动态变化的，但是该配重重量值始终保持与真实开挖的所述卸荷土体的重量相等即可，这样就能够充分保证施工安全性。

为实现配重重量值的动态变化，在一些实施例中，可以将配重设置为多个配重车的形式，并且多个配重车能够经由预设轨道顶进至顶管的通道并且包括第一钢板，第一钢板具有等于当时开挖阶段下所需的配重重量值的重量。

图3示例性示出了上述实施例。参照图3，在顶管的管道内，可以设置具有车轮的小车，小车内设置有钢配重（即第一钢板），并且小车设置在轨道上，小车能够通过车轮的滑动在轨道上行进，第一钢板的重量是可以调整的，从而使得钢板具有等于配重重量值的重量。此外，在必要情形下，也可以通过配重车在轨道上的滑动调整钢配重的位置，这样可以通过调整钢配重重量和钢配重位置中的至少一者的方式，使得置换配重始终等于配重重量值的重量。在一个实施例中，多个配重车中的每个配重车经由铁索耦接至顶管外侧的固定构件，用以拉紧配重车。铁锁的长度是可调的，这样可以将配重车固定在期望的位置。在确定好置换配重之后，配重车的位置需要由铁索固定，防止溜车带来的安全隐患。同时，当需要调整配重位置或重量（例如异常外力介入）时，配重车同样能够移动或者重新配置重量。

在具体的工程实例中，顶管正常进尺进入配重范围后，在顶管通道两侧对称增加配重即可。图4是示出根据本公开一些实施例的组配临时配重车的实物示意图。在图4中，作业人员可以通过将钢板吊装至配重车上，完成临时配重车的组装。

在图4的实施例中，配重采用搭载钢板的配重车，配重车下方垫放轨道，配重车可以随轨道进行移动，解决了普通配重方式移动不便的问题。配重车配置的钢板重量等同于开挖范围内土体重量，尽可能维持地铁原有受力状态。配重车末端设置铁索与顶管外侧固定构件连接，铁索长度随顶管进尺而增加，能够拉紧配重车并且防止配重车溜车。

接下来，在第二配重范围内，每顶进所述顶管的一节管片，可以在顶管的通道两侧各增加一个配重车。这样一来，可以保持两侧受力均匀，并且通过增加配重车数目的方式，动态地保持配重车配置的钢板重量等同于开挖范围内土体重量，保证施工安全。图5是示出根据本公开一些实施例的临时配重投入使用实物示意图。如图5所示，顶管通道的左右两侧对称摆设有多个配重车，用以置换开挖的土体。

进一步地，顶进机越过第二配重范围时，停止增加配重车。此后顶管正常顶进，管片顶进过程中，铁索长度不再调整，配重车通过铁索拉紧，与管片发生相对滑动，即管片继续向前顶进，但配重车不再前进，使得其绝对位置始终位于第二配重范围内，不再随顶管顶进而改变位置，例如本工程下卧地铁影响区间跨度为26m，则第二配重范围即26m，在顶进机越过26m范围后，管片继续向前顶进，配重车始终保持在该26m范围内不再前进。这是因为，经过之前的软件模拟开挖卸荷土体后，已经确定第二配重范围是地铁结构不发生上浮的最优配重范围，将配重车保持在这个范围内能够确保地铁结构的安全性。

在一些实施例中，顶进施工结束，撤销临时配重车，并且在最优配重范围内铺设永久配重，即在原临时配重车位置铺设钢板。示意性地，永久配重可以包括第二钢板和混凝土层，混凝土层可以设置在第二钢板上并且被配置为固定第二钢板。这样的实施例在图6中更为详细地示出。

图6是示出根据本公开一些实施例的添加永久配重钢板设计示意图。如图6所示，在图1所示的工程实例中，可以在第二钢板上方浇筑0.2m厚混凝土（不包含管廊步道），混凝土用来固定永久配重钢板，同时作为永久配重的组成部分，永久配重钢板及混凝土总重量接近开挖土体重量。

需要说明，上述永久配重置换临时配重车的方式仅仅是示例性的，本领域技术人员还可以根据实际需要采用其它任意合适的配重置换方式，本公开对此不作限制。

图7是示出根据图6的实施例的添加永久配重钢板实物示意图。如图7所示，在第二钢板置换包括第一钢板的配重车之后，绑扎钢筋并浇筑混凝土，从而使得钢板和混凝土能够等价地置换被开挖出的土体，保证施工前后下卧地铁的受力一致性。在一些实施例中，第一钢板可以直接完全地或部分地用作第二钢板，这样可以避免将第一钢板运出去管道，缩短工期，同时可以节约材料，提升经济效益。

总体来说，根据本公开的施工方法采用等价替换法，采用增加管节内配重替换开挖土方，保持地铁上方重量不变的施工方法，管节配重包括临时配重和永久配重，其中临时配重可以为装载钢板的配重车，永久配重为钢板和混凝土，永久配重为钢板以及混凝土，顶进完成、撤销临时配重时施做。该方法特定应用于无水砂层等含水量低的地质层中，并且特定地适用于顶管近距离上跨运营地铁结构施工；该方法通过模型模拟的方式确定顶管近距离上跨运营地铁结构施工最优配重范围和配重重量，可以提前预设安全系数，保证运营地铁结构在无水砂层等特定环境下的运营安全性以及顶管施工过程的安全性；方法采用等价置换，采用增加管节内配重替换开挖土方，保持地铁上方重量不变，从而有效抵消顶管施工土体卸荷的影响，最大限度维持下卧地铁受力状态保持稳定，有效抑制顶进土体卸荷导致的下卧地铁上浮；配重采用工程中常用的钢板车的形式，能够通过铁索固定，并且预设可移动轨道，使得配重车能够基于土体开挖情况移动，保证配重始终处于最优配重范围，进一步保证施工安全，配重车的钢板取材方便，工艺简单，能够直接用于置换永久配重，节约材料，大大缩短工期，显著提升工程经济效益。

虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。

此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这应当理解为要求这样操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行，或者要求所有图示的操作应被执行以取得期望的结果。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种用于无水砂层中的顶管施工方法，所述顶管以预定距离上跨运营地铁结构，其特征在于，所述方法包括：

基于探测到的针对所述无水砂层的地质信息，确定针对所述无水砂层以及所述地铁结构的动态模型，所述动态模型与所述地铁结构在受力变形时的竖向位移相关联；

在所述动态模型中，在经模拟的所述地铁结构上开挖卸荷土体，以监测针对所述地铁结构的所述竖向位移；

基于所监测的针对所述地铁结构的所述竖向位移，确定与所述竖向位移相关联的针对所述卸荷土体的开挖范围和开挖重量值；以及

将所述开挖范围确定为第一配重范围，并且将所述第一配重范围的所述开挖重量值确定为配重重量值，以在真实施工环境中与所述第一配重范围相对应的第二配重范围内，对所述地铁结构动态地施加与所述配重重量值相关联的配重。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述真实施工环境中，利用顶进机将所述顶管进尺至所述第二配重范围内；以及

在所述顶管的通道两侧对称地施加与所述配重重量值相关联的所述配重，其中所述配重重量值是动态变化的，并且保持与真实开挖的所述卸荷土体的重量相等。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述配重包括多个配重车，多个所述配重车能够经由预设轨道顶进至所述顶管的所述通道并且包括第一钢板，所述第一钢板具有等于所述配重重量值的重量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，多个所述配重车中的每个配重车经由铁索耦接至所述顶管外侧的固定构件，用以拉紧所述配重车，所述铁索的长度是可调的。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在第二配重范围内，每顶进所述顶管的一节管片，在所述顶管的所述通道两侧各增加一个所述配重车。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述顶进机越过所述第二配重范围时，停止增加所述配重车；以及

继续顶进所述顶管，所述铁索的所述长度固定并且被配置为能够拉动多个所述配重车，以使得多个所述配重车与所述管片相对滑动，从而保持多个所述配重车的绝对位置始终位于所述第二配重范围内。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

顶进施工完成后，将多个所述配重车置换为永久配重，其中所述永久配重的总重量等于真实开挖的所述卸荷土体的总重量。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述永久配重包括第二钢板和混凝土层，所述混凝土层设置在所述第二钢板上并且被配置为固定所述第二钢板。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述顶管包括并行双线矩形顶管。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动态模型使用FLAC3D而建立。

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