论文部分内容阅读
水平定向钻进铺管技术是指在不开挖地表的情况下,利用地表的钻孔设备,结合岩土钻掘及测控导向等技术,铺设各种地下管线的一项技术。它具有对环境污染小、对交通影响小、对地层破坏小、施工周期短、成本低、社会和经济效益显著等优点,广泛应用于市政给排水、天然气、煤气、通讯、电力等领域的管线建设中。
水平定向钻进技术在我国虽然起步晚,但随着对管道施工环境要求的日益提高,我国的水平定向钻进行业得到了稳步健康的发展。和盾构和顶管施工相比,大多数学者把研究重点侧重于水平定向钻进施工工艺和设备方面,对施工中和施工后的地表变形问题很少关注。但是水平定向钻进铺管施工作为近地表地下开挖工程,不可避免地会引起周围土体和地表产生不同程度的变形,进而对周围建筑物或构筑物造成一定的影响,尤其是对地表建筑物和人口较密集的城市地区来说,施工引起的地表变形后果更为严重。
本文针对水平定向钻进铺管工后地表变形问题进行研究,具有重要的现实意义。
本文从水平定向钻进铺管的施工工艺从发,分析了水平定向钻进铺管完成后产生地表工后变形的机理,认为扩孔直径和铺设管道直径之间的间隙是导致施工完成后产生地表变形的主要原因。按照随机介质的定义,水平定向钻进铺管施工所钻遇的地层介质属于随机介质范畴,且其引起的地表工后变形属于近地表工程开挖变形问题,适合利用随机介质理论进行分析计算。在此基础上,结合水平定向钻进铺管工程本身的特点,认为铺管完成后钻孔断面的收敛形式不是一般理论上的均匀收敛模式,而是非均匀收敛的,并推导建立了基于非均匀收敛随机介质理论的水平定向钻进铺管地表工后变形计算模型,该模型可以定量的分析计算水平定向钻进铺管完成后导致的地表沉降、地表水平位移、地表水平变形、地表倾斜和地表曲率。
建立的理论计算模型涉及到复杂的数学计算问题,对其进行求解需要借助MATLAB计算软件。为了计算和使用方便,利用MATLAB GUI平台编写了计算程序界面,该界面使用方便,能较全面的计算分析水平定向钻进铺管引起的各种地表工后变形值,并能绘制多种表现形式的地表工后变形分布曲线,特别是编写的沿钻孔轨迹地表工后变形计算界面,能直观形象地显示沿钻孔轨迹方向的地表工后变形值的分布规律,结合具体的地表工后变形控制标准,可以直接地得出地表工后变形值过大的区域,为确定需要采取地表工后变形控制措施的区域提供了理论依据。
文中利用有限差分软件对地层内聚力、地表加载和施工扩孔级数等因素对地表工后变形值的影响进行了数值模拟研究,根据建立的数值模拟网格模型,在地表设置相应的监测点观察地表的沉降和水平位移值,结果表明地层内聚力越大、分级扩孔级数越大,地表工后沉降和水平位移值越小;地表加载越大,地表工后沉降越大,但地表加载对工后水平位移值影响不大。
本文最后结合实际水平定向钻进铺管工程地表工后沉降监测数据,分析了地表工后沉降的发展规律,并利用实测工后沉降数据,利用双曲线法和指数曲线法对工后沉降的发展趋势和最大值进行拟合预测。研究结果认为铺管完成10d后,地表工后沉降值达到了理论计算最大值的50％左右,90d后地表工后沉降值达到了理论计算最大值的90％左右,且在入土端和出土端采取灌浆处理后能大大减小地表的工后沉降值;采用的两种曲线拟合方法中,指数曲线法预测的地表工后沉降最大值与理论计算值较为接近,而双曲线法的预测较理论计算值大。
在研究过程中主要得到以下成果:
(1)扩孔直径和管道之间的间隙是引起水平定向钻进铺管地表工后变形的主要原因;
(2)一般情况下,钻孔埋深越大、地层内摩擦角越大、钻孔和管道之间间隙越小,地表工后变形最大值越小,但地层内摩擦角对地表工后水平变形最大值几乎没有影响;钻孔埋深越大、地层内摩擦角越大、钻孔和管道之间间隙越小,横断面地表工后变形分布曲线越缓;
(3)水平定向钻进铺管施工中,由于入土端和出土端管道埋深较浅,地表工后变形值较大且等值线分布较密;
(4)根据数值模拟结果,分级扩孔级数越多地表工后沉降和水平位移值越小;
(5)水平定向钻进铺管完成后,前期地表工后变形值发展较快,后期发展速度变缓,铺管后3个月左右地表工后变形值趋于稳定,且采取灌浆处理后能大大减小地表的工后变形值;
(6)基于现场实测沉降数据进行曲线拟合沉降预测,结果表明指数曲线法预测的工后沉降最大值与理论计算值较为接近,双曲线法预测值较理论计算值大。