大断面管幕－箱涵顶进应用技术

1大断面管幕－箱涵顶进应用技术研究上海市第二市政工程有限公司中环线建设发展有限公司同济大学

上海市隧道工程轨道交通设计研究院

二零零五年十二月大断面管幕－箱涵顶进应用技术研究城市地下空间的大规模开发利用穿越重要地带的地下穿越工程大量出现地铁、铁路路网以及市政、高速公路路网等的大规模建设地下穿越工程需求1概述—超近间距/交叉穿越—城市密集建（构）筑物群中施工—城市生命线及机场飞行区的高风险穿越面临的难题：近间距、空间立体交叉穿越技术需求一、概述盾构隧道等地下工程施工过程中，会破坏原有岩土体的平衡和稳定状态，必将不同程度地对周围岩土介质产生扰动。地面与地下都非常复杂的软土地层中进行施工，容易造成对地面道路、建筑物和地下管线等周围环境诸如沉降、隆起、倾斜和位移、破坏或失稳塌方；涌水和突水等不利影响。一、概述扰动变形是一种不确定性过程，受到诸如土性特征、施工工艺、外部荷载、边界条件、时间效应等众多不确定性确定性因素的影响。存在变形预测难、控制难、控制变形费用高等难题，而且技术难度大，风险高。2国内外现状及趋势施工方法的发展趋势明挖暗挖盾构顶管法管棚法箱涵法管幕法其他管棚与管幕

管棚法：顶部打入钢管（钢管间不连接），压注浆液，在管棚保护下开挖，立钢拱架，浇筑混凝土结构。管幕法：顶部或四周打入相互连接的钢管，形成管幕的临时支护。在管幕保护下采用立钢拱架开挖或箱涵顶进开挖。2国内外现状及趋势

理论研究方面易宏伟、孙钧(2000)就盾构施工对软粘土的扰动机理进行分析李兆平(2000)等研究了考虑开挖扰动和基质吸力影响的基坑边坡安全性王立忠(2001)等分析了施工扰动对软地强度的影响孙钧(2001)等就盾构施工扰动与地层移动及其智能神经网络预测进行探讨盛谦(2003)研究了深挖岩质边坡开挖扰动区与工程岩体力学性状孙钧(2004)等研究了受施工扰动影响土体环境稳定理论与变形控制Desai教授于1974年提出的扰动状态概念(DisturbedStateConcept)近年来也得到了较大的发展，为工程岩土材料提供了一种新的的研究思路

盾构隧道施工微扰动控制技术饱和淤泥质粘土中，盾构超近距穿越倾斜严重砖混结构民房。在未加固条件下，利用微扰动控制技术，将房屋最大沉降控制在4-8mm以内。3主要研究内容与成果管幕－箱涵工法是一种新兴的地下穿越工法。将箱涵工法和管棚(管幕)超前支护相结合，可用于大断面结构的地下穿越工程。该工法目前在我国已成功应用于：上海市中环线北虹路地下穿越工程、北京首都机场滑行道地下穿越工程、郑开城市快速路下穿京港澳高速公路工程。郑开快速路下穿京京港澳高速公路部部分采用超大断面面斜穿越顶进技术术，该工程具有：：大断面、超薄覆覆土、斜穿越的特特点。大断面：箱涵宽23.4米、高9.3米，顶板和侧壁厚厚1.3米、底板厚1.4米。超薄覆土：上覆高速公路平均均厚度2m，最薄处仅有1.3m。斜穿越：箱涵轴线与高速公公路斜交夹角114.228度。技术措施：箱涵分三节，分别别为17m、18m、17m，采用中继间法预预制顶进施工；路面土体采用大管管棚支护、钢网格格刃脚分割土体支支护技术，稳固掌掌子面；超大断面箱涵斜穿穿越顶进技术研究究电力电缆隧道工程程穿越轨道交通示示意图（12次），其中上穿越越2次上海世博电力电缆缆隧道与轨道交通交叉情情况基础公司隧道公司市政二公司盾构法顶管法一标二标三标2#(已运营)[下穿]14#(规划)[下穿]1#(已运营)[下穿]10#(施工图)[上穿]13#(工可)[上穿]9#(施工图)[下穿]13#(工可)[下穿]8#(已建)[下穿]4#已运营)[下穿]6#(已建)[下穿]7#(在建)[下穿]13#(工可)[下穿]软土地区机机场飞行区区地下穿越越关键技术研研究上海机场建设指挥部同济大学国内外成功功案例分析析北京首都机机场——管幕法国内外成功功案例分析析港珠澳大桥桥工程——管幕法19报告内容一概况二技术难难点三研究成成果四课题创创新点20课题以上海市中环线北虹路地道为背景。该工程穿越虹桥路和西郊宾馆，采用管幕－箱涵推进工法。国内首次在软土地层中进行的管幕－箱涵推进工程，也是目前世界上采用管幕－箱涵法施工的断面最大、推进距离最长的隧道工程。结合上述具体工程，对管幕－箱涵推进工法的设计、施工中的关键技术问题进行了系统的研究．1课题背景一、概况21a工程地理位位置西郊宾馆1课题背景虹桥路一、概况22b工程地质情情况④号土含水水量约50％，粘聚力10kPa，内摩擦角10.5度1课题背景北工作井南工作井管幕段④一、概况23c钢管幕情况况长度：126m，钢管幕：：φ970××10根数：80根，覆土厚厚度：4.5～5.0m1课题背景基准管一、概况24d箱涵情况34.2m7.85m外包尺寸：：34.2××7.85m顶板厚度：：1.3m，底板厚度度：1.4m侧墙厚度：：1.0m，中墙厚度度：0.8m总长：126m，8节1课题背景一、概况252课题特点大断面、长距离推进软土不加固暗埋段后靠复合泥浆减阻一、概况26本工法273一、概况况国内外研究究现状工程回顾（１）大池池成田线高高速公路通通道：箱涵19.8m×7.33m，总长47m，37根直径800mm钢管；（２）日本山阳通通道：箱涵37.6m×9.0m,总长43.2m；（３）日本本东海道线线垂井－霞霞关原通道道：箱涵32.26m×8.9m,总长47.2m．FJ工法（管幕－FJ工法，注浆加固固管幕内土土体）ESA工法(注浆加固待待开挖土体体)（１）1997年东海道线线新庄立体体交叉工程程（管幕－ESA工法）：箱涵25.5m×7.7m，长度82m,45根直径812.8mm钢管;（２）日本本宝来隧道道（ESA工法）：箱涵21.6m×7.8m，总长279.5m;（３）日本本信太山隧隧道（ESA工法）：箱涵26.6m×8.3m，总长156m。1971年首次在日日本的Kawase－Inae采用管幕法法穿越铁路路的通道,长10m（Coller,Philip），以后大大量应用并并开发出ESA（endlessself-advancing）、FJ(frontjacking)工法、PCR工法等。28FJ工法ESA工法一、概况况国内外研究究现状3PCR工法291979年欧洲（比比利时）采采用管幕－矿山山工法Antewerp地铁车站，，上单排，，直径为1.5m石棉水泥管管，管幕长长13m(G.Musso)1991年美国应用用管幕－矿山山工法修建马蹄形形的双圆隧隧道，单孔孔宽6.4m,高7m,21根钢管，直直径为770mm，长55m，土质为为砂砾石石。(Coller,Philip)1989年中国台台湾采用用管幕—ESA工法修建台北北松山机机场地下下通道，，长100m，箱涵22m×7m，72根直径812.8mm钢管，水平注浆浆加固管管幕内土土体（亚新工工程顾问问公司提提供）1993年马来西西亚采用用管幕－矿矿山工法法修地下通通道,长65m,管径780mm,硬土(G.Musso)3一、概况况国内外研研究现状状工程回顾顾共同点:管幕内土土体自立立或被加加固;箱涵推进进需先设设置导洞洞30理论研究

试验研究

设计理论

3一、概况况国内外研研究现状状YoshiakiGOTO（日本，，1984）对管幕幕接头做做过理论论分析;Satoh.S（1996）采用弹弹性地基基梁分析析管幕的的力学作作用；W.L.Tan（新加坡，，2003）利用FLAC软件对管管幕法隧隧道进行行了二维维数值分分析大川孝孝等（日日本，1985）对管幕幕接头试试验研究究；YoshiakiGOTO（日本，，1984）对管幕工工程进行行过现场场实测研研究姚大钧等等（中国国台湾,2004）介绍了了软粘土土中管幕幕－ESA工法的设设计要点点,并对松山山机场的的管幕-ESA工法工程程进行了了有限元元分析和和比较。。314一、概况况关注的问问题钢管幕的顶进精度?管幕内土体不加固?推进力多大?建筑空隙?钢管幕的作用?后靠如何?出洞安全??地表变形控制?32二、技术术难点难点一：钢管幕幕顶进高精度姿姿态控制技术术难点二：箱涵进进、出洞洞稳定性控制难点三：箱涵推推进后靠稳定定性分析析方法难点四：箱涵推推进姿态控制技术术难点五：箱涵推推进阻力计算算方法及减阻技术难点六：箱涵网网格开挖面稳稳定性控制技术术难点七：箱涵推推进地层层变形预测测及控制技术33A技术难点点钢管带锁口导致管幕幕姿态控控制困难难80根钢管幕幕顶进误差积累累施工顺序序对精度的的影响问问题1钢管幕顶顶进高精精度姿态态控制技技术三、研究究成果34B控制要点点钢管幕顶顶进高精精度姿态态控制技技术1高程和水水平偏差差控制研制出泥泥水平衡衡掘进机机避免误差差积累机头旋转转控制研制SJ型泥水平平衡掘进进机①RSG激光反射射诱导纠纠偏装置置②倾斜仪仪传感器器显示③过渡钢钢管导向向措施④姿态控控制曲线线①刀盘逆逆转②单侧加加配重③倾斜仪仪传感器器显示④限位块块设置多重重基准管管采用异型型锁口合理施工工顺序三、研究究成果35钢管幕顶顶进高精精度姿态态控制技技术1合理施工工顺序先上后下下施工影影响示意意有限元分分析结果果先上排后后下排顶顶进钢管管幕,则上排管管幕沉降降增加25mm三、研究究成果36C应用效果果采用以上上措施后后，管幕幕的精度度可控制制在30mm以内钢管幕顶顶进高精精度姿态态控制技技术1三、研究究成果37D小结带锁口的的钢管幕幕的顶进进精度可控制在3cm内设置多根根基准管管顶进能消消除误差差积累作为施工工对策，，当偏差差较大时时可采用用异型锁锁口钢管管幕由下至上上的钢管管幕施工工顺序对管幕顶顶进精度度和地表表变形均均有利钢管幕顶顶进高精精度姿态态控制技技术1三、研究究成果38A技术难点点：箱涵进、、出洞控控制技术术2出洞工艺艺地下墙拆拆除后整整体稳定定性钢管幕对出洞稳定定的作用出洞加固的稳定性性计算方法进洞稳定性计算方方法三、研究成果39箱涵进、出洞控制制技术2出洞前纵断面出洞时纵断面纵断面

B出洞示意：三、研究成果40C出洞稳定性计算方方法箱涵进、出洞控制制技术2加固体稳定性计算算简图抗滑稳定强度条件建立管幕作用下重重力式挡土墙的计计算方法（１）采用弹性地地基梁理论分析钢管幕的卸载作用用（２）按重力式挡挡土墙对加固体抗滑稳定与与强度进行验算三、研究成果41纵向受力计算简图箱涵进、出洞控制制技术2平衡方程位移协调方程

体积相等三、研究成果42箱涵进洞示意接近接收井时的开挖面稳定性接收井地下墙的稳定性D进洞稳定性箱涵进、出洞控制制技术2三、研究成果43将钢管幕的上覆土土重简化为荷载，，采用极限分析方法计算主动土压力值值根据上述计算分析析：当箱涵逐渐接近接接收井地下墙时,由于前方土体厚度度的变薄，导致主主动土压力越来越越小(1)进洞开挖面稳定箱涵进、出洞控制制技术2距地下墙的距离与与土压力的关系三、研究成果44(2)进洞接收井地下墙墙稳定箱涵进、出洞控制制技术2三、研究成果因箱涵挤土推进，，接收井基坑土压压力过大（大于静止土压力）），需要在接收井内设设置斜撑为避免箱涵挤土推推进，需控制推进进阻力（主要是迎迎面阻力）不超过接收井设计计土压力，并应适当在网格格内挖土45E应用效果箱涵进、出洞控制制技术2抗滑稳定强度条件分析：在管幕作用下，采采用3m加固长度，强度（（qu）为1.2MPa可满足稳定若不考虑管幕卸载作作用，则加固长度12m，强度300kPa实际采用的3m搅拌桩＋5m注浆加固措施三、研究成果46F小结箱涵进、出洞控制制技术2三、研究成果提出了钢管幕卸载载作用下弹性地基基梁理论与重力式挡土墙结合合的加固体稳定性分析方法基于上述方法，可可对加固长度和加加固体强度进行优化，使得抗滑稳定系系数和强度系数基基本接近进洞时，随着箱涵网格工具具头接近地下墙，，开挖面土压力逐逐渐减小，开挖面的稳定性因因此逐渐得到提高高；接收井地下墙墙的稳定则依靠坑坑内的斜撑设置、、推进阻力控制和和网格内挖土降压方方式来解决47箱涵推进后靠稳定定性分析方法3A加固土体为后靠加固宽度与与箱涵纵轴轴线方向上上位移采用三维有有限单元法法研究加固固长度和宽宽度的关系系加固长度与与箱涵纵轴轴线方向上上位移三、研究成成果48箱涵推进后后靠稳定性性分析方法法3B暗埋段为后后靠三维分析模模型采用三维有有限单元法法研究工作作井、后靠靠墙体、推推进平台及及暗埋段受力及变形形工作井变形形后靠墙弯矩矩推进台应力力三维分析结结果三、研究成成果49箱涵推进后后靠稳定性性分析方法法3C方案优选分析结果后靠土体暗埋段159900kN200000kN280000kN后靠墙竖向弯矩(kN.m)5592(-5940)2725(-2764)3903(-4583)推进台x向膜应力(kPa)5468956311434管幕钢管约束力(kN)210422193176暗埋段等效弹簧结点约束力(kN)-557837三、研究成成果50箱涵推进后后靠稳定性性分析方法法3D应用效果采用暗埋段段能显著节约造价、、节省工期期暗埋段作为为后靠，显显著减小了了后靠结构构中的内力力（减小30%）,安全度提高高暗埋段能提提供更高的的推进反力力约增加14000t实际采用暗暗埋段作为为后靠三、研究成成果51箱涵推进后后靠稳定性性分析方法法3E小结采用加固土土体作为推推进后靠时时，增加加加固宽度比比加固长度度有效；采用暗埋段段作为后靠靠，安全、、经济、快快速；暗埋段作为为后靠需要要验算暗埋埋段的局部部抗压和稳稳定性．三、研究成成果52A技术难点长距离、大大断面，水水平姿态控控制困难首次采用管管幕内箱涵网格挤挤土推进B控制方法采用计算机液压压同步推进进系统控制水平姿姿态采用弹性地基梁梁理论预测测竖向姿态态采用网格内挖土土动态调整整竖向姿态态箱涵推进姿姿态控制技技术4三、研究成成果53导向墩箱涵水平偏差导导向墩控制制水平姿态控控制措施计算机同步步推进系统统箱涵推进姿姿态控制技技术4三、研究成成果54箱涵推进姿姿态控制技技术4计算机同步步推进系统统由行程仪传传感器测得的位移移信号传至至计算机，由计算机机调整10台泵站电机变频器器，调整油泵流量控制油缸推进速度三、研究成成果55挤土推进高高程姿态计计算简图挤土推进，网格格前端受到到向上作用用力，促使使抬头竖向姿态控控制计算方方法箱涵推进姿姿态控制技技术4三、研究成成果56挖土推进高高程姿态计计算简图网格内挖土土推进，网格格前端受到到向下作用用力，促使使低头竖向姿态控控制计算方方法箱涵推进姿姿态控制技技术4三、研究成成果57以第四节箱箱涵推进结结束后为例例，计算箱箱涵竖向位位移当计算得到抬抬头量为3cm实测抬头量量为4.5cm箱涵推进姿姿态控制技技术4三、研究成成果58C应用效果水平偏差可可控制在±40mm范围内箱涵推进姿姿态控制技技术4三、研究成成果59箱涵推进姿姿态控制技技术4C应用效果高程偏差可可控制在±40mm范围内三、研究成成果60D小结箱涵推进姿姿态控制技技术4三、研究成成果大断面箱涵涵液压同步步推进系统统，可以动动态调整箱箱涵的水平平姿态；采用弹性地地基梁理论论，根据不不同的挖土土工况建立立的钢管幕幕作用下的的计算模型型，可以有有效地预测测箱涵的竖竖向姿态；；网格内挖土土推进减小小抬头，而而挤土推进进则加剧抬抬头；通过过网格内挖挖土可有效效地调整网网格工具头头姿态．61A技术难点箱涵推进阻力计算算方法及减阻技术术5B技术措施三、研究成果摩擦系数不易确定迎面阻力理论解析困难箱涵推进注浆减阻无先例通过试验配置特种减阻泥浆浆试验测定摩擦系数提出大断面箱涵注浆工艺及减阻措措施按被动土压力近似计算迎面阻力根据实测数据给出出经验计算公式62研制特种复合泥浆浆：钠基膨润土、、聚合物、正电胶胶。采用止水泥浆和复复合泥浆两类注浆浆系统特种泥浆箱涵推进阻力计算算方法及减阻技术术5三、研究成果63测定不同泥浆配比比的摩阻系数摩阻系数测定箱涵推进阻力计算算方法及减阻技术术5三、研究成果64迎面阻力理论计算算箱涵推进阻力计算算方法及减阻技术术5迎面阻力挤土推进迎面阻力力近似计算公式：：三、研究成果根据不同挖土工况况，分别采用不同同的计算模式．对对于挤土推进而言言，可按被动土压压力近似计算迎面面阻力,同时考虑管幕的作作用(本工程管幕超载约约30%)。65推进阻力规律分析析箱涵推进阻力计算算方法及减阻技术术5首节箱涵在推进平平台上推进时，启动摩阻系数为0.83；启动后，在平台台上摩阻力系数约为0.42；每镐的开始推力比比结束推力大，约约增加3％．整体而言，随着推推进距离增加，推进阻力增大；每节箱涵推进中推推进力逐渐减小，，其原因是推进中中泥浆套完全形成后摩阻系数减小．三、研究成果66推进阻力经验计算算公式a）未形成泥浆套首节启动推力为b）形成泥浆套c）迎面阻力相当于静止土压力力的1.37倍，重力的1.12倍启动后推力为每节启动推力为每节结束推力为本工程本工程本工程箱涵推进阻力计算算方法及减阻技术术5三、研究成果67经验公式拟合图箱涵推进阻力计算算方法及减阻技术术5由于摩擦系数是变变化的，且第二节节箱涵一部分与管管幕接触，而导致致拟合误差。三、研究成果68C小结采用特种泥浆减阻，可极大的降低推进阻力，泥浆套的减阻作作用取决于泥浆套套的形成程度；开挖面迎面土压力力与推进工况密切切相关，挤土推进进时可近似按被动土压力力计算；每节箱涵起始推进进阻力大于结束阻阻力，每镐起始推推进阻力大于结束推进阻力力；推进阻力经验公式式对以后工程有重要要的参考价值．箱涵推进阻力计算算方法及减阻技术术5三、研究成果69A技术难点管幕内软土不加固,如何维持开挖面的的稳定性稳定性计算理论和方法箱涵网格开挖面稳稳定性控制技术6钢管幕对稳定性作作用网格前端土压力分分布网格内摩阻力分布布规律网格尺寸计算方法法三、研究成果70借鉴网格式盾构经经验，采用一定入入土深度的开口网格工具头维维持稳定建立维持开挖面稳稳定的计算方法：（１）采用弹性地基梁理理论建立计算模型型，考虑管幕的卸卸载作用（２）采用有限元分析网网格前端的土拱卸卸载效应（３）根据网格内摩阻力力平衡条件，建立立网格内土压力分分布规律公式B技术措施箱涵网格开挖面稳稳定性控制技术6三、研究究成果71箱涵网格格开挖面面稳定性性控制技技术6实验研究究表明：：在土体体饱和度度降低的的条件下下，土体体自立高高度明显显的提高高稳定性性得到提提高。B技术措施施非饱和土土的力学学性质对对稳定影影响研究究三、研究究成果72网格内土土压力的的分析示示意图侧视图轴测图网格工具具头内壁壁土压力力分布规规律箱涵网格格开挖面面稳定性性控制技技术6三、研究究成果73平衡方程程土压力分分布网格临界界入土深深度箱涵网格格开挖面面稳定性性控制技技术6三、研究究成果74正面土压力kPa计算值/m试验值/m841.201.2993.51.311.3698.21.361.40网格临界界入土深深度计算算值与试试验值箱涵网格格开挖面面稳定性性控制技技术6三、研究究成果75采用三维维有限元元模拟土土拱卸载载效应网格前端端土拱效效应箱涵网格格开挖面面稳定性性控制技技术6应力转移土拱卸载载效应值值三、研究究成果76土拱卸载载效应计计算模型型及云图图箱涵网格格开挖面面稳定性性控制技技术6三、研究究成果77不同网格格间距的的土拱卸卸载效应应E-E线箱涵网格格开挖面面稳定性性控制技技术6土拱卸载载效应值值三、研究究成果78不同网格格长度时时的土拱拱卸载效效应E-E线箱涵网格格开挖面面稳定性性控制技技术6三、研究究成果79研究结果果表明：：1土拱卸载载效应的的存在显显著减小小网格面面的土压压力2网格间距距越大，，土拱卸卸载效应应越大；；网格入入土深度度越小，，土拱卸卸载效应应也越大大,且在10％～50％之间变变化３３网格入入土深度度越大，，平衡土土压力的的摩擦力力越大箱涵网格格开挖面面稳定性性控制技技术6三、研究究成果80C使用情况况箱涵网格格开挖面面稳定性性控制技技术6①网格内内壁土压压力分布布模式②网格内内土体的的力学平平衡条件件③土体抗抗剪强度度条件④土体自自稳高度度网格设计计依据计算结果果（依据理理论分析析与模型型试验））网格净宽宽为1.1～1.3m（刃口宽20cm）净高为1.2～～1.4m，长度为1.2～～1.5m。实际采用用网格净宽宽约为1.3m（刃口宽20cm）净高约为为1.4m，长度约为为1.3m。三、研究究成果81D小结箱涵网格格开挖面面稳定性性控制技技术6三、研究究成果管幕的作作用：在网格格内挖土土管幕起卸卸载作用用，减小了开开挖面的的土压力力，提高高了开挖挖面土体体的稳定定性；土拱卸载载效应：因网格格前端产产生土拱拱卸载效效应，使使网格开开挖面稳定性系系数提高高约10％～50％；网格内壁壁平衡的的作用：网格内内土体和和钢板间间的摩擦擦力可平平衡前端端土压力力。82A技术难点点箱涵推进进地层变变形预测测及控制制技术7三、研究究成果钢管幕对地表变变形的力力学作用用机理挖土工况况、推进进速率、、注浆压压力对地表变变形影响响建筑空隙隙大小的确确定83通过理论和模模型试验验研究了管管幕的不不同挖土土状态下下管幕的力力学作用用计算方法法通过模型试验验研究推进进速率对对地表变变形的影影响通过有限元法法研究注浆浆压力对对地表变变形的影影响BP人工神经经网络多步滚动动预测方方法对管管幕顶进进和箱涵涵顶进中中地表变变形进行行预测通过经验估算确定建筑空隙隙B技术措施箱涵推进地层层变形预测及及控制技术7三、研究成果果84钢管幕的卸载载作用箱涵推进地层层变形预测及及控制技术7假设：钢管幕为弹性性地基梁网格前方土体体处于主动平平衡状态三、研究成果果85箱涵推进地层层变形预测及及控制技术7强度条件位移协调方程

三、研究成果果86管幕下土压力力数值模拟结结果开挖后，管幕幕下土压力减减小，表明松松动区范围内内管幕承担部部分上部荷载载箱涵推进地层层变形预测及及控制技术7松动区三、研究成果果87

顶部管幕承担上覆土重比例箱涵前端松动区范围弹性地基梁理论31.8％15.3m数值模拟31％11m相似模型试验(1:25)30％～40％12.5m结论：箱涵前前端约15m的范围为主要要的松动动区域，相相应管幕段的的卸载量约为为30％。三种研究结果果比较表箱涵推进地层层变形预测及及控制技术7三、研究成果果88研究表明：箱箱涵每推进1m，隆起量控制制在3mm时，超载比为为30％钢管幕的超载载作用箱涵推进地层层变形预测及及控制技术7超载比：三、研究成果果89隆起长度与钢钢管直径超载比与钢管管直