一种顶管沉降控制系统及方法与流程

1.本发明涉及顶管施工技术领域，尤其涉及一种顶管沉降控制系统及方法。


背景技术：

2.顶管法作为一种不开槽施工方法，其最大的优越性在于采用不开槽的暗挖方式，这对交通繁忙、人口密集、地面建筑物众多、地下构筑物和管线复杂的城市管道施工来说具有无可比拟的优点，得到越来越广泛的应用。但是作为一种地下开挖方法，顶管施工也不可避免地会对管道周围的土体产生扰动，甚至会引起过大的地面沉降。
3.在顶管法广泛应用的今天，顶管施工控制技术的发展使得长距离、大管径以及一些复杂的地质结构的高难度顶管施工能够顺利开展，但目前在软弱地层浅覆土条件下的大直径人工顶管施工技术中仍存在着地面沉降控制难的问题。在顶管施工过程中，当土体位移过大时，顶管施工将对施工区域周围建筑物(结构)和邻近地下管线构成危害。
4.现有技术在地面沉降控制方面，针对顶管顶进过程中的地面沉降数值模拟分析居多，例如公开号为cn102494667a的专利公开了一种表征地面沉降的方法。所述方法包括建立地面沉降表征指标体系。地面沉降表征体系包括：点指标体系、线指标体系、面指标体系和体指标体系。点指标体系包括：沉降量、最大沉降量、沉降速率、最大沉降速率、累计沉降量、平均沉降量和矢量方向，用来表征地面沉降的量值和速率。线指标体系包括：沉降差、倾斜和不均匀沉降系数，用来表征不同点之间的差异沉降。面指标体系包括：沉降面积、沉降面积变化率和漏斗密度，用来表征地面沉降在平面上的展布规律和漏斗发育的密度。体指标体系包括：沉降漏斗体积、沉降漏斗体积变化率、极限沉降时间、单位沉降体积损失和漏斗类型，用来表征地面沉降的三维特征。但是现有技术缺少对于顶进过程中地面沉降控制方法，特别是在浅覆土大直径人工顶管方面的地面沉降控制方法。
5.综上所述，本发明提供一种顶管沉降的控制系统及方法以解决现有技术存在之不足。本发明通过从管件内部向管件外注入触变泥浆形成泥浆套的方式抑制顶管过程中因地层损失引发的地面沉降。
6.此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。


技术实现要素：

7.针对现有技术之不足，本发明提供了一种顶管沉降控制系统。所述顶管沉降的控制系统通过从顶进管件内部向顶进管件外注入触变泥浆形成泥浆套的方式抑制顶管过程中因地层损失引发的地面沉降。所述顶管沉降的控制系统包括：处理单元、数据收集单元和沉降控制单元。所述数据收集单元采集顶管现场物理参变量并将所述物理参变量发送至所述处理单元进行建模仿真。所述处理单元对仿真结果进行分析得出至少两种不同的泥浆参
变量，并将所述泥浆参变量发送至所述沉降控制单元。所述沉降控制单元配置为：响应于泥浆参变量之收到，在进行顶管的情况下，按照泥浆参变量向顶进管件外注入触变泥浆形成泥浆套。
8.本发明通过从顶进管件内部向顶进管件外注入触变泥浆形成泥浆套的方式填补顶管施工中的地层损失从而抑制地面沉降，地表沉降控制效果良好。本发明解决了浅覆土软弱地层大直径人工顶管施工地面沉降等问题。本发明使用的地面沉降预控制技术均减小了施工的风险，提高了施工效率，缩短了施工工期，确保了施工的安全及质量。
9.根据一种优选实施方式，所述处理单元响应于所述物理参变量之收到建立数学模型。基于所述数学模型之建立，所述处理单元通过改变所述物理参变量的方式执行仿真模拟。所述处理单元执行的建模仿真是以如下方式进行的，即，所述处理单元根据其接收到的所述物理参变量进行初始应力场平衡，得到未开挖状态的应力场。所述处理单元基于所述应力场模拟土体开挖，其中，开挖与顶进交替进行，工具管并且设置泥浆等代层以模拟注浆的减阻作用，泥浆等代层内外面施加均布力代替注浆压力。
10.根据一种优选实施方式，所述处理单元对仿真结果进行分析得出至少两种不同的泥浆参变量为第一泥浆参变量。所述处理单元通过对所述第一泥浆参变量进行扩展得到组数大于所述第一泥浆参变量的第二泥浆参变量。所述处理单元将每组所述第二泥浆参变量发送至所述沉降控制单元进行试验，并通过对所述数据收集单元收集实验效果数据。优选地，所述第一泥浆参变量至少包括利用midas-gts nx有限元软件进行数学模型仿真得出的触变泥浆注浆量、注浆压力、浆液配比等技术参变量。所述第二泥浆参变量为：依据所述第一泥浆参变量设置的用于进行试验段241施工的触变泥浆注浆量、注浆压力、浆液配比等技术参变量。
11.响应于所述实验效果数据之收到，所述处理单元从多组所述第二泥浆参变量中筛选出匹配顶管现场物理参变量的所述第二泥浆参变量作为正式施工中的标准泥浆参变量。所述泥浆参变量包括：触变泥浆的注浆量和/或注浆压力和/或浆液配比。
12.根据一种优选实施方式，所述沉降控制单元配置为：通过将注浆管路与顶进管件侧壁上设置的通孔连接的方式从顶进管件内部向顶进管件外注入触变泥浆。优选地，与掘进组件连接的顶进管件其通孔连接的注浆管路在顶管施工过程中全程注浆。
13.根据一种优选实施方式，所述掘进组件包括连接管和工具管。施工人员通过所述工具管开挖顶管通道。所述连接管两端分别连接所述工具管和所述顶进管件。优选地，所述连接管与所述顶进管件连接的一端在与所述顶进管件外壁接触位置处设置有防止所述触变泥浆泄露的密封环。优选地，所述工具管嵌入所述连接管的位置设置有密封橡胶圈。
14.根据一种优选实施方式，所述顶管通道包括试验段和正式段。优选地，在施工人员挖掘所述试验段的情况下，所述处理单元通过向所述沉降控制单元发送第二泥浆参变量的方式实验各组第二泥浆参变量对应的沉降控制效果。
15.根据一种优选实施方式，所述处理单元通过对所述数据收集单元收集各组第二泥浆参变量对应的实验效果数据。优选地，所述实验效果之数据是通过如下方式收集的，即，所述数据收集单元在所述试验段对应之地表划分出若干数据监测断面。所述数据监测断面上设置有两个以上的监测点。所述监测点按照在顶管施工的情况下间隔预设时间对监测断面进行一次监测数据采集的方式设置。优选地，所述试验段设置有至少两个监测断面，每个
所述监测断面设置有至少两个监测点，所述监测点在顶进前采集初始值并在顶进期间在间隔预设时间的情况下对监测断面进行一次监测数据采集。优选地，所述试验段设置有至少六个监测断面，每个所述监测断面设置有五个监测点
16.根据一种优选实施方式，响应于所述实验效果数据之收到，所述处理单元对所述第二泥浆参变量及其进行量化分析，从而得出所述第二泥浆参变量中引起地面沉降最小的一组顶管泥浆参变量。优选地，所述处理单元将引起地面沉降最小的一组顶管泥浆参变量发送至所述沉降控制单元作为所述正式段施工的标准泥浆参变量。
17.本发明通过试验段施工充分掌握地层情况，并通过对试验段泥浆参变量的试验和分析，同时加强地面监测，得出引起地面沉降最小的顶管泥浆参变量，为后续顶进中的注浆操作提供有效的依据。优选地，所述泥浆参变量包含：触变泥浆注浆量、注浆压力、浆液配比等技术参变量和措施。
18.根据一种优选实施方式，在与掘进组件连接的所述顶进管件之后进行顶进的所述顶进管件其通孔连接的注浆管路配置为：在所述数据收集单元监测到地面沉降出现异常的情况下，从顶进管件内部向顶进管件外注入触变泥浆，以进行二次补浆。
19.本发明还提供一种顶管沉降控制方法。所述控制方法包括：
20.数据收集单元采集顶管现场物理参变量并将所述物理参变量发送至处理单元进行建模仿真；
21.所述处理单元对仿真结果进行分析得出至少两种不同的泥浆参变量，并将所述泥浆参变量发送至沉降控制单元；
22.沉降控制单元响应于泥浆参变量之收到，在进行顶管的情况下，按照泥浆参变量向管件外注入触变泥浆形成泥浆套。
附图说明
23.图1是本发明提供的顶管沉降控制系统的简化示意图；
24.图2是本发明提供的顶管施工简化示意图；
25.图3是本发明提供的工具管与连接管连接处的简化示意图；
26.图4是本发明提供的顶进管件与连接管连接处的简化示意图；
27.图5是本发明的施工示意图；
28.图6是本发明试验段的示意图；
29.图7是本发明一种优选实施方式的监测点设置示意图；
30.图8是本发明试验段的沉降监测图；
31.图9是使用本发明的顶管沉降控制系统的顶管工程的沉降情况图。
32.附图标记列表
33.100：顶管沉降控制系统；110：处理单元；120：数据收集单元；130：沉降控制单元；210：第一施工井；220：第二施工井；230：道路；240：顶管通道；241：试验段；242：正式段；300：顶进管件；310：泥浆套；320：通孔；330：连接管；340：工具管；350：密封环；360：土层；370：密封橡胶圈。
具体实施方式
34.下面结合附图1至图9进行详细说明。
35.本发明提供了一种顶管沉降控制系统通过从顶进管件内部向顶进管件外注入触变泥浆形成泥浆套的方式抑制顶管过程中因地层损失引发的地面沉降。本发明通过试验段施工充分掌握地层情况，并通过对试验段泥浆参变量的试验和分析，同时加强地面监测，得出引起地面沉降最小的顶管泥浆参变量，为后续顶进提供有效的依据。所述泥浆参变量包含：触变泥浆注浆量、注浆压力、浆液配比等技术参变量或措施。
36.本发明可以预控制顶管地面下沉，保证人工顶管施工安全、质量，同时能够节约成本和工期。
37.实施例1
38.本发明提供了一种顶管沉降的控制系统。参见图1，优选地，顶管沉降的控制系统100通过从顶进管件300内部向顶进管件300外注入触变泥浆形成泥浆套310的方式抑制顶管过程中因地层损失引发的地面沉降。顶管沉降的控制系统包括：处理单元110、数据收集单元120和沉降控制单元130。数据收集单元120采集顶管现场物理参变量并将物理参变量发送至处理单元110进行建模仿真。处理单元110对仿真结果进行分析得出至少两种不同的泥浆参变量，并将泥浆参变量发送至沉降控制单元130。沉降控制单元130配置为：响应于泥浆参变量之收到，在进行顶管的情况下，按照泥浆参变量向顶进管件300外注入触变泥浆形成泥浆套310。
39.本发明在顶进管件300外通过注入触变泥浆形成泥浆套310的方式填补顶管施工中的地层损失从而抑制地面沉降。本发明通过从顶进管件300内部向顶进管件300外注入触变泥浆形成泥浆套310的方式抑制顶管过程中因地层损失引发的地面沉降，地表沉降控制效果良好，能够达到良好的减阻效果。本发明解决了浅覆土软弱地层大直径人工顶管施工地面沉降等问题。本发明使用的地面沉降预控制技术均减小了施工的风险，提高了施工效率，缩短了施工工期，确保了施工的安全及质量。
40.优选地，处理单元110响应于物理参变量之收到建立数学模型。基于数学模型之建立，处理单元110通过改变物理参变量的方式执行仿真模拟。处理单元110执行的建模仿真是以如下方式进行的，即，处理单元110根据其接收到的物理参变量进行初始应力场平衡，得到未开挖状态的应力场。处理单元110基于应力场模拟土体开挖，其中，开挖与顶进交替进行，工具管并且设置泥浆等代层以模拟注浆的减阻作用，泥浆等代层内外面施加均布力代替注浆压力。
41.优选地，处理单元110对仿真结果进行分析得出至少两种不同的泥浆参变量为第一泥浆参变量。处理单元110通过对第一泥浆参变量进行扩展得到组数大于第一泥浆参变量的第二泥浆参变量。处理单元110将每组第二泥浆参变量发送至沉降控制单元130进行试验，并通过对数据收集单元120收集实验效果数据。响应于实验效果数据之收到，处理单元110从多组第二泥浆参变量中筛选出匹配顶管现场物理参变量的第二泥浆参变量作为正式施工中的标准泥浆参变量。泥浆参变量包括：触变泥浆的注浆量和/或注浆压力和/或浆液配比。
42.参见图2，优选地，沉降控制单元130配置为：通过将注浆管路与顶进管件300侧壁上设置的通孔320连接的方式从顶进管件300内部向顶进管件300外注入触变泥浆。优选地，
与掘进组件连接的顶进管件300其通孔320连接的注浆管路在顶管施工过程中全程注浆。优选地，掘进组件包括连接管330和工具管340。施工人员通过工具管340开挖顶管通道240。连接管330两端分别连接工具管340和顶进管件300。
43.参见图3，优选地，工具管340嵌入连接管330的位置处设置有密封橡胶圈370。参见图4，优选地，连接管330与顶进管件300连接的一端在与顶进管件300外壁接触位置处设置有防止触变泥浆泄露的密封环350。优选地，密封橡胶圈370和密封环350对各连接处的缝隙进行封堵，从而避免从顶进管件300内部向顶进管件300外注入的触变泥浆渗透至施工区域中。
44.参见图5，优选地，顶管通道240包括试验段241和正式段242。优选地，在施工人员挖掘试验段241的情况下，处理单元110通过向沉降控制单元130发送第二泥浆参变量的方式实验各组第二泥浆参变量对应的沉降控制效果。优选地，在顶管通道240两端设置有第一施工井210和第二施工井220。顶管施工方向由第一施工井210向第二施工井220。第一施工井210与试验段241连接。优选地，在顶管通道240对应的地表存在道路，在施工时需考虑道路上车辆等因素对地面沉降的影响。
45.优选地，处理单元110通过对数据收集单元120收集各组第二泥浆参变量对应的实验效果数据。优选地，实验效果之数据是通过如下方式收集的，即，数据收集单元120在试验段241对应之地表划分出若干数据监测断面。数据监测断面上设置有两个以上的监测点。监测点按照在顶管施工的情况下间隔预设时间对监测断面进行一次监测数据采集的方式设置。优选地，试验段241设置有至少两个监测断面，每个监测断面设置有至少两个监测点，监测点在顶进前采集初始值并在顶进期间在间隔预设时间的情况下对监测断面进行一次监测数据采集。
46.优选地，响应于实验效果数据之收到，处理单元110对第二泥浆参变量及其进行量化分析，从而得出第二泥浆参变量中引起地面沉降最小的一组顶管泥浆参变量。优选地，处理单元110将引起地面沉降最小的一组顶管泥浆参变量发送至沉降控制单元130作为正式段242施工的标准泥浆参变量。
47.本发明通过试验段241施工充分掌握地层情况，并通过对试验段241泥浆参变量的试验和分析，同时加强地面监测，得出引起地面沉降最小的顶管泥浆参变量，为后续顶进中的注浆操作提供有效的依据。优选地，泥浆参变量包含：触变泥浆注浆量、注浆压力、浆液配比等技术参变量和措施。
48.优选地，在与掘进组件连接的顶进管件300之后进行顶进的顶进管件300其通孔320连接的注浆管路配置为：在数据收集单元120监测到地面沉降出现异常的情况下，从顶进管件300内部向顶进管件300外注入触变泥浆，以进行二次补浆。
49.优选地，本发明在建立数学模型前对施工现场相关的物理参变量进行采集。优选地，施工现场相关的物理参变量包括拟建管线施工场地范围内地面建筑情况，地面沉降抑制方式，地下埋设管线现况，拟建管线覆土地层组成及对应高度，施工用管道参变量，施工用设备参变量等等。
50.优选地，本发明对应的施工现场的地面可以是存在道路、居民楼、立交桥等建筑。优选地，在施工现场的地面可以是存在道路的情况下，本发明在建立数学模型时，引入交通荷载参量。
51.优选地，本实施例所处土层360组成包括杂填土层、粉土素填土层、粉质粘土层、细砂-粉砂层、粉土层、细砂层为主。优选地，本实施例顶管管道覆土埋深2.9m～3.06m，掘进断面涉及土层包括杂填土层、粉土素填土层、粉质粘土层、粉土层、细砂-粉砂层。
52.优选地，本实施例采用的顶管管道可以是顶进管件300。优选地，顶进管件300外径3550mm，内径3000mm。优选地，顶进管件300壁厚275mm，单节管长2500mm，管节重量约17.7t。
53.优选地，在建立数学模型前，施工人员贴合现场物理参变量对地面沉降机理分析。优选地，顶管过程中引发地面沉降的主要原因包括：开挖面土体初始应力改变引起的地层损失，管道与周围土层360之间存在环形空隙引起的地层损失，纠偏操作引起的土体超挖产生地层损失和顶管顶进时产生的拖带效应带走部分土体导致地层损失。
54.优选地，开挖面土体初始应力改变引起的地层损失：顶管施工中很难保证正面土体的原始应力状态不改变，在顶进过程中正面土体由于应力释放而向开挖面方向移动会引起地层损失，从而导致地表下沉，尤其是浅覆土大直径人工顶管。
55.优选地，管道与周围土层360之间存在环形空隙引起的地层损失：为减小在顶进过程中的摩擦阻力，后续管节的直径比工具管340的直径小2～5cm。因此，工具管340顶进后管道外围与土体之间存在环形间隙，如果不能及时充分地以触变泥浆充填，周围土体由于应力释放而向环形空隙移动，导致地层损失。
56.优选地，纠偏操作引起的土体超挖：纠偏时工具管340轴线偏离设计轴线需要纠正顶进方向，工具管340纠偏时对土体一侧产生挤压作用，而另一侧由于应力释放而形成空隙，导致土体的位移，产生地层损失。
57.优选地，顶管顶进时因工具管340上方粘土及浆液与土层360的摩阻力而对外围土体产生拖带效应，由此牵带走部分土体从而形成空隙，导致地层损失。
58.优选地，针对顶管过程中因地层损失引发的地面沉降，本实施例通过顶进管件300上设置的通孔从顶进管件300内部向顶进管件300外注入触变泥浆形成泥浆套310的方式填补顶进管件300与土体间的空隙，从而抑制顶管过程中因地层损失引发的地面沉降。
59.优选地，本实施例通过利用midas-gts nx有限元软件，建立贴合现场的数学模型，分别在正常顶进阶段和下穿道路顶进阶段研究顶管施工相关参数对地面沉降的影响规律，从而为现场顶管顶进过程中地面沉降提供预警值，也为正式下穿道路顶进阶段地面沉降控制提供有效的数据参考。
60.优选地，数学模型按以下方式配置参变量。
61.优选地，模型依据现场实际工况及考虑软件计算时的边界效应影响，确定最终的几何尺寸为100m
×
60m
×
40m，即长度取顶管顶进的贯通距离100m，宽度以顶管轴线为中心向两边各取30m，土层深度取40m，顶管管顶覆土深度取平均深度3m。
62.优选地，工具管340外径3640mm，钢筋混凝土管外径3550mm，内径3000mm。
63.优选地，横断面为圆形；管节外侧的泥浆套310用厚度为50mm的等代层代替。
64.优选地，数学模型采用mohr-coulomb弹塑性模型模拟土体。优选地，管节采用的是预制钢筋混凝土材料，在土压力及其他荷载的作用，其受力变形主要处于弹性阶段，故其本构模型采用线弹性本构模型。
65.优选地，计算中考虑注浆材料填充，将隧道周围土层360与浆液的混合体等代为一种弱化土层360即等代层来模拟地层损失。同时考虑注浆压力，注浆压力的选取一般以覆土
压力为依据，本项目覆土压力值为：p0＝γh＝18.5
×
1.5 17.5
×
1.5＝54kpa＝0.054mpa，故模型计算中注浆压力取值分别选取0mpa(无注浆压力)、0.05mpa(1倍覆土压力)、0.1mpa(2倍覆土压力)、0.15mpa(3倍覆土压力)、0.2mpa(4倍覆土压力)、0.25mpa(5倍覆土压力)，研究不同注浆压力作用下地表沉降的规律。
66.优选地，针对顶管施工的过程，通过改变材料赋值的方法进行多步仿真模拟。在模拟计算开始之前，先在模型里预设管内土体开挖单元、管节单元及注浆体单元，其中连接管330/工具管340与周围土体单元相连接，通过midas-gts nx的单元析取功能实现，按照二维板单元进行模拟。
67.优选地，仿真模拟步骤包括：
68.步骤1：初始应力场平衡，得到未开挖状态的应力场。
69.步骤2：顶管过路段地面设置均布交通荷载，正常情况下道路汽车荷载为汽-20级，施工区域限制交通，汽-20级的重车不允许通过。故地面交通荷载为(顶管下穿路面为沥青lumina，双向四车道，单车道3.5m)：p汽＝g汽/s＝1.428
×
104pa式中g汽指汽车自重，按照前排车轮7吨，后排车轮13吨分配；s指汽车荷载作用的刚性路面板面积(长为4m，宽为3.5m)。
70.计算中荷载取最不利值考虑，即管体正上方承受汽-20级的行车均布荷载，考虑到汽车的冲击影响最终的交通荷载为：p＝1.3p汽＝1.856
×
104pa。
71.步骤3：采用midas-gts的网格钝化及激活功能模拟土体开挖，开挖一步顶进一步，考虑到本工程人工开挖工艺特点，采用连接管330切土顶进方式，开挖面靠土体自稳性保持平衡，故模型中开挖面处未设置支护压力。开挖时钝化要开挖的土体单元，激活连接管340壳单元，顶进时激活顶管管节单元、注浆等代层单元及注浆压力，每次掘进2.5m，重复上述步骤，直至顶管贯通(顶距为100m)。
72.优选地，模拟结束后对模拟结果进行分析，得出非过路段顶进阶段及下穿道路顶进阶段地面沉降的规律，为顶管施工提供有效的数据参考。
73.优选地，本实施例通过对模拟结果进行分析，得出如下结论：
74.(1)顶管施工时注浆压力是地表变形控制的关键影响因素，注浆压力增大有利于减小地表沉降量，但注浆压力过大，会导致横向地表距离顶管轴线较远处两侧土体出现隆起，且容易造成地表冒浆，根据上覆土垂直压力值、土体孔隙率、现场注浆经验以及数值计算，建议设置为0.1mpa，即2倍上覆土压力为宜。
75.(2)顶管施工时，道路行车荷载对土层360的位移有很大的影响，尤其是土层360的竖向位移。
76.(3)顶进期间管节两侧土体在顶管的挤压下发生膨胀变形，最大水平位移为29.9mm，且位移变形以管轴为中心呈对称分布，过路段与非过路段土层360水平位移变化基本一致。
77.(4)顶管由于顶进施工对土层360的扰动，在整个横断面上管体正上方的土体竖向位移最大，整体呈放射状向上扩展，且距离地面越近，地表沉降越小，另外在地面行车荷载的作用下，地面沉降明显。可见，顶管施工时，地面行车荷载对土层360水平方向的位移影响不大，但加剧了土层360的竖向位移，对地面沉降量的控制有不利的影响。非过路段地面沉降稳定值约为7mm，过路段地面沉降稳定值约为17mm；
78.(5)顶管施工时水平方向上地面的沉降基本呈正态分布规律，管顶正上方地面沉降最大，向两侧位移逐渐减小，顶管顶进对土体的横向扰动范围约为-10m～10m，即沉降槽范围为-2.8d～2.8d。
79.(6)选择行车量小时进行过路顶进，同时在沉降槽内铺设钢板，控制大型车辆通行，匀速顶进，必要时采取超前注浆加固。
80.优选地，在完成数学模型的模拟分析后，施工人员开始进行试验段241施工，以通过试验段241施工充分掌握地层情况。施工人员在进行试验段241施工的同时加强地面监测，对试验段241的泥浆参变量进行试验和分析，从而得出引起地面沉降最小的顶管泥浆参变量。优选地，泥浆参变量包含：挖土方式、触变泥浆注浆量、注浆压力、浆液配比以及姿态控制等技术参变量和措施。优选地，试验段241施工得出的引起地面沉降最小的顶管泥浆参变量可以为后续顶进提供有效的依据。
81.优选地，在开始进行试验段241施工前，施工人员先挖掘顶管竖井。优选地，顶管竖井包括始发井和接收井。优选地，始发井作为顶管起点。优选地，顶管顶进方向由始发井指向接收井。
82.优选地，基于数学模型提供的参考数据，掘进组件从始发井开始进行试验段241施工。在试验段241施工过程中，施工人员通过掘进组件测试不同的泥浆参变量并采集不同泥浆参变量下的掘进效果，从而筛选出引起地面沉降最小的顶管泥浆参变量。泥浆参变量至少包括触变泥浆注浆量、注浆压力和浆液配比。
83.优选地，由于本工程顶进范围上方存在道路，为保证顶进施工安全及道路行车安全，特选择30m作为试验段241。优选地，试验段241的地层主要分布着杂渣土层、粉土素填土层、粉质粘土层、粉土层和细砂-粉砂层。优选地，掘进断面范围内无地下水。
84.优选地，在试验段241施工过程中，需要进行实验和调整的参变量包含：顶进挖土方式、触变泥浆配比、触变泥浆注入量、注浆压力、二次补浆等。优选地，在试验段241施工过程中的主控项目包含：工具管340管尾密封性、管道接口漏浆处理措施、姿态控制、地表及轴线监测。
85.优选地，试验段241泥浆参变量控制包括顶进触变泥浆控制和注/补浆控制。
86.优选地，触变泥浆控制具体为：泥浆优选颗粒细、胶质价高的膨润土，膨润土80～100kg/m3；水600～1000kg/m3；碱(na2co3)1～2kg/m3。优选地，泥浆比重控制在1.05～1.07。优选地，泥浆注入量：每米管道与土体的空隙需注浆体积v空＝0.508m3。优选地，根据研究资料及经验，实际施工中泥浆套310厚度为建筑空隙的6～7倍，即270mm，渗入土体的厚度为270mm-45mm＝225mm，经计算v渗＝1.048m3，总计入住量为v总＝1.556m3。
87.优选地，注/补浆控制具体为：注浆压力依据数值模拟计算结果控制在0.1mpa左右，随时观察注浆压力及流量。优选地，顶进15m后，每隔1根管安装一套注浆管路，并设置三通阀门，视需要及时进行二次补浆。
88.优选地，在试验段241施工时的主要控制项目包括触变泥浆密封性控制。
89.参见图4，优选地，连接管330与顶进管件300连接的一端在与顶进管件300外壁接触位置处设置有防止触变泥浆泄露的密封环350。优选地，密封环350设置在连接管330内侧。优选地，密封环可以是两道环形钢密封刷。优选地，密封刷中间涂抹油脂，在管道顶进过程中，如有发现渗漏及时补充油脂。并且在顶进过程中做好触变泥浆注浆的及时跟进和补
浆，确保管道外侧空隙的触变泥浆在顶进过程中一直处于饱和状态，对管道接口渗漏处采用油麻进行封堵。
90.优选地，顶管沉降的控制方法还包括在掘进组件进行试验段241施工的情况下对试验段241的地表沉降进行监测。试验段241设置有至少两个监测断面，每个监测断面设置有至少两个监测点，监测点在顶进前采集初始值并在顶进期间在间隔预设时间的情况下对监测断面进行一次监测数据采集。
91.参见图6，优选地，试验段241可以设置五个监测断面，每个监测断面设置有五个监测点。优选地，监测断面数目及每个监测断面设置的监测点数目可以根据实际施工进行调整。
92.参见图7，优选地，测量监测地表沉降的具体方式包括：地表沉降点布置在管道两侧向上45
°
影响线范围内，从中线点向两侧间距分别为1m、2m、3m、5m。优选地，每个监测断面9个点，沿顶进方向每隔5m布置一个监测断面。顶进前采集初始值，且顶进期间每间隔3h对监测断面进行一次监测数据采集。
93.参见图8，优选地，施工人员通过试验段241施工得出：顶管顶进过程中地表沉降变化规律与数值模拟分析规律基本吻合，且各监测断面最大沉降值为管道中线位置，沉降范围基本吻合。根据监测数据显示，触变泥浆注浆压力控制在0.1mpa左右，地表沉降控制效果较好。现场实际每延米注浆量1.23m3，理论注浆量为1.556m3，当注浆压力达到0.1mpa时，实际注浆量为理论计算量的80％，地表沉降控制效果良好，能够达到良好的减阻效果。
94.优选地，顶管顶进时，地面沉降规律为：沿顶管顶进方向，随着顶距的增大，地面沉降位移逐渐增大并趋于稳定；在水平方向上，管顶正上方位移沉降最大，且沉降槽范围为-11m～11m；优选地，顶管施工时，行车荷载对地面沉降有不利的影响，非过路段地面沉降稳定值约为8mm，过路段地面沉降稳定值约为18mm；优选地，注浆减阻可有效的抑制地层沉降。
95.优选地，顶管覆土浅时，触变泥浆压入地层时的压力必须稳定、精确，以防触变泥浆击穿地层。从现场实际注浆量来看，当注浆压力在0.1mpa左右(两倍覆土压力)，注浆连续饱满，实际注浆量达到理论计算量的80％，现场地表沉降控制效果良好，且能够达到良好的减阻效果。
96.参见图9，优选地，地面沉降量(公路)规范要求≤20mm；试验段241地表累计沉降量为5mm～10mm略大于数值模拟分析地表累计沉降量的7mm；过路段地表累计沉降量为15mm～18mm，与数值模拟分析地表累计沉降量的17mm基本一致。
97.实施例2
98.本实施例是对实施例1的进一步改进，重复的内容不再赘述。
99.本实施例提供一种顶管沉降的控制方法。顶管沉降控制方法包括：
100.数据收集单元120采集顶管现场物理参变量并将物理参变量发送至处理单元110进行建模仿真；
101.处理单元110对仿真结果进行分析得出至少两种不同的泥浆参变量，并将泥浆参变量发送至沉降控制单元130；
102.沉降控制单元130响应于泥浆参变量之收到，在进行顶管的情况下，按照泥浆参变量向管件外注入触变泥浆形成泥浆套310。
103.优选地，顶管沉降控制方法还可以包括：
104.建立贴合现场物理参变量的数学模型，得出地面沉降的规律，为顶管施工提供有效的泥浆参变量。数学模型预设有模拟通过注浆减阻的方式抑制地层沉降的注浆体单元。
105.基于数学模型提供的泥浆参变量，沉降控制单元130在试验段241进行注浆实验，处理单元110基于沉降控制单元130在试验段241的注浆实验结果筛选出引起地面沉降最小的一组顶管泥浆参变量，泥浆参变量至少包括触变泥浆注浆量、注浆压力和浆液配比。
106.基于筛选出的泥浆参变量沉降控制单元130进行后续顶管顶进施工中的注浆操作。
107.本实施例利用midas-gts nx有限元软件，建立贴合现场工况下的数学模型，得出非过路段顶进阶段及下穿道路顶进阶段地面沉降的规律，为顶管施工提供有效的数据参考。
108.本实施例通过试验段241施工得出最佳的泥浆参变量(包括触变泥浆注浆量、注浆压力及浆液配比等)，同时对新型管尾密封刷及姿态控制装置进行现场实践检验。
109.本实施例利用数值模拟得出的地面沉降曲线对全过程顶管顶进进行实时对照，及时调控，地表最终累计沉降量控制在7mm～17mm之间，符合规范要求。本实施例通过试验段241分析，得出触变泥浆比重为1.05～1.07，注浆压力控制在0.1mpa左右时顶进效果最佳，同时触变泥浆注入率控制在理论注浆量的80％，即能保证同样的减摩效果且经济合理。本实施例在连接管330与顶进管件300之间设置2道环形钢密封刷，密封刷中间填充油脂，保证管口的密封性，同时优化触变泥浆配比，及时进行补浆，管外泥浆始终达到饱和状态可有效减小地面沉降。
110.需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。