软弱地层顶管失稳受力监测系统及失稳受力计算处理方法与流程

本发明涉及顶管工程，具体的是一种软弱地层顶管失稳受力监测系统及失稳受力计算处理方法。

背景技术：

1、在软弱地层长距离顶管中，由于土体强度低，当进行曲线顶进或发生轴线偏差时，管道挤压周围土体，而土体对管道的约束能力较差，管道发生偏离轴线的位移，这种管道自发位移的现场称为失稳。直线顶管中，如果管道完全按照设计轴线顶进，则管道不会产生失稳。然而，由于管道存在设计误差、木垫板压缩不均匀、地层变化、机头纠偏等因素的影响，管道的偏转无法避免，存在失稳风险。同时，由于浮力的作用，直线顶管中通常发生竖向的上浮失稳。上浮失稳发生后，管道连接处转角增大，易发生密封失效渗漏，同时引起管端局部应力集中，导致管道发生裂缝或破坏，使工程失败。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种软弱地层顶管失稳受力监测系统及失稳受力计算处理方法，能够实现判断管道是否发生上浮失稳，并对上浮失稳处进行监测，分析管道上浮失稳的发展趋势及受力状态，并及时采取相关措施，确保了管道结构的安全性。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种软弱地层顶管失稳受力监测系统，包括多节管节，所述的管节两侧内壁上设有高程测量点，多节管节一端设有与高程测量点配合的水准仪；

3、在临近机头的管节上的内层纵向主筋中部焊设有钢筋应变计，管节中安装有用于采集钢筋应变计数据的振弦采集器；

4、在上浮失稳处的所述管节接缝处安装有四个位移传感器，四个位移传感器用于监测接缝间距变化；

5、在上浮失稳处的所述管节底部开设有排浆孔；

6、在上浮失稳处的所述管节上的注浆孔处安装有三通，三通分别与注浆孔、注浆管及压力传感器连接；

7、所述的位移传感器及压力传感器的数据通过设置在管节内的电流采集器进行采集。

8、优选的方案中，所述的钢筋应变计为四个，分别焊设在管节的顶部、底部及两侧。

9、优选的方案中，所述的排浆孔处安装有带球阀的排浆管。

10、基于上述软弱地层顶管失稳受力监测系统的失稳受力计算方法，包括以下步骤：

11、1)若管节被泥浆完全包裹，通过测试环空泥浆密度ρ1，管节单位长度净浮力计算如下：

12、f1＝πd2ρ1g/4-(d2-d2)πρcg/4

13、式中：

14、f1为管节单位长度净浮力，kn/m；

15、d为管节外径，m；

16、d为管节内径，m；

17、g为重力加速度，m/s2；

18、ρc为混凝土密度，取2400kg/m3。

19、2)管顶地层所受注浆压力p1采用压力传感器所测注浆压力的平均值；

20、3)若钢筋应变计位于第a节管节，且钢筋与混凝土协调变形，则将四个钢筋应变计的平均值ε1作为钢筋和混凝土的应变，机头与前a节管节的顶进力计算如下：

21、fa＝ε1ases+ε1acec

22、式中：

23、fa为机头与前a节管节的顶进力，kn；

24、as、ac分别为钢筋和混凝土的横截面积，m2；

25、es和ec分别为钢筋和混凝土弹性模量，kpa。

26、若顶进第n节管节时，管节轴线的设计高程和实测高程分别在第b、c管节处发生偏角变化，且第d节管节处高程偏差最大，即管节之间的偏角最大；

27、此时，顶管总顶进力为fn，若每节管节所受摩阻力相同，则第d节管节顶进力的竖向分力f2近似计算如下：

28、f2＝{[(fn-f(n-b))cosθ1-f(b-c)]cos(θ2-θ1)-f(c-d)}sin2θ2

29、f＝(fn-fa)/(n-a)

30、

31、

32、式中：

33、f为单节管节所受摩阻力，kn；

34、h1为第c节管节高程偏差，m；

35、h2为第d节管节高程偏差，m；

36、l为单节管节长度，m；

37、4)管顶土体主要受到注浆压力、管道净浮力和顶进力竖向分力的作用，若管顶180°范围内与土体接触，则管顶土体所受最大应力计算如下：

38、

39、式中：η为覆土厚度与管节外径的比值。

40、5)将计算所得土体最大应力与地基承载力对比，当土体最大应力大于地基承载力时，土体将发生破坏且上浮失稳处于持续发展状态。

41、基于上述软弱地层顶管失稳受力监测系统的失稳受力处理方法，包括以下步骤：

42、1)降低上浮失稳区顶进力

43、启用上浮失稳区前方中继间进行分段顶进，失稳区前方管节顶进力由上浮失稳区前方中继间承担，上浮失稳区所受顶进力降低；

44、2)管节配重

45、在上浮失稳区域的管节底部安装导轨，并在导轨上设置配重车，将配重块放于配重车上。

46、3)管顶注浓泥

47、通过在常规触变泥浆的基础上提高膨润土加量得到浓泥，在上浮失稳区管顶注入浓泥填充管顶空隙，提高土体强度。

48、优选的方案中，所述的步骤1)中，若启用上浮失稳区前方中继间后顶进力未下降，则启用上浮失稳区后方中继间。

49、优选的方案中，所述的上浮失稳区中存在的继间同步启用，中继间不足时及时增设。

50、优选的方案中，所述的步骤2)中，配重块使用混凝土块或钢块，其质量根据管节净浮力和顶进力竖向分力确定。

51、优选的方案中，所述的步骤3)中，浓泥中膨润土与水的质量比控制在0.5∶1以上，以降低浓泥的流动性。

52、优选的方案中，所述的上浮失稳区管顶开设浓泥注浆孔，搅拌好的浓泥通过细石混凝土泵泵送至浓泥注浆管中，并最终注入管顶地层中。

53、本发明所提供的一种软弱地层顶管失稳受力监测系统及失稳受力计算处理方法，通过采用上述结构及方法，具有以下有益效果：

54、(1)实现了对软弱地层顶管上浮失稳受力状态及位移变化的监测，便于分析管道失稳的发展趋势，判断相关预防处理措施是否有效；

55、(2)建立了基于测量数据的管顶土体受力计算方法，可根据施工参数和测量参数准确计算管顶土体应力，判断是否会出现失稳，并及时采取相关控制措施。

技术特征：

1.一种软弱地层顶管失稳受力监测系统，包括多节管节(1)，其特征在于：所述的管节(1)两侧内壁上设有高程测量点(2)，多节管节(1)一端设有与高程测量点(2)配合的水准仪(3)；

2.根据权利要求1所述的一种软弱地层顶管失稳受力监测系统，其特征在于：所述的钢筋应变计(6)为四个，分别焊设在管节(1)的顶部、底部及两侧。

3.根据权利要求1所述的一种软弱地层顶管失稳受力监测系统，其特征在于：所述的排浆孔(10)处安装有带球阀(11)的排浆管。

4.基于权利要求1所述的一种软弱地层顶管失稳受力监测系统的失稳受力计算方法，其特征在于包括以下步骤：

5.基于权利要求1所述的一种软弱地层顶管失稳受力监测系统的失稳受力处理方法，其特征在于包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种软弱地层顶管失稳受力监测系统的失稳受力处理方法，其特征在于：所述的步骤1)中，若启用上浮失稳区前方中继间(16)后顶进力未下降，则启用上浮失稳区后方中继间(17)。

7.根据权利要求6所述的一种软弱地层顶管失稳受力监测系统的失稳受力处理方法，其特征在于：所述的上浮失稳区中存在的继间同步启用，中继间不足时及时增设。

8.根据权利要求5所述的一种软弱地层顶管失稳受力监测系统的失稳受力处理方法，其特征在于：所述的步骤2)中，配重块(20)使用混凝土块或钢块，其质量根据管节(1)净浮力和顶进力竖向分力确定。

9.根据权利要求5所述的一种软弱地层顶管失稳受力监测系统的失稳受力处理方法，其特征在于：所述的步骤3)中，浓泥中膨润土与水的质量比控制在0.5∶1以上，以降低浓泥的流动性。

10.根据权利要求9所述的一种软弱地层顶管失稳受力监测系统的失稳受力处理方法，其特征在于：所述的上浮失稳区管顶开设浓泥注浆孔(21)，搅拌好的浓泥通过细石混凝土泵(23)泵送至浓泥注浆管(22)中，并最终注入管顶地层中。

技术总结
一种软弱地层顶管失稳受力监测系统，包括多节管节，所述的管节两侧内壁上设有高程测量点，多节管节一端设有与高程测量点配合的水准仪；在临近机头的管节上的内层纵向主筋中部焊设有钢筋应变计，管节中安装有用于采集钢筋应变计数据的振弦采集器；在上浮失稳处的管节接缝处安装有四个位移传感器，四个位移传感器用于监测接缝间距变化；在上浮失稳处的管节底部开设有排浆孔；在上浮失稳处的管节上的注浆孔处安装有三通，三通分别与注浆孔、注浆管及压力传感器连接。本发明采用上述结构，能够实现判断管道是否发生上浮失稳，并对上浮失稳处进行监测，分析管道上浮失稳的发展趋势及受力状态，并及时采取相关措施，确保了管道结构的安全性。

技术研发人员：卢海军,吴忠善,孙恒,杨擎,崔旭辉,陈春林,刘涛,李东辉,李冠中,蒋奇,徐舟,赖勇,夏云飞,陈枫,闻国骄,付仁东,刘壮,柯曦,许世融,谢宝康,汤浩,刘建恩
受保护的技术使用者：中交第二航务工程局有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12