大断面管幕－箱涵顶进应用技术研究PPT（97页）

1、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

2、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

3、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(Disturbed State Concept)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

4、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4-8 mm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。郑开快速路下穿京港澳高速公路部分采用超大断面斜穿越顶进技术，该工程具有：大断面、超薄覆土、斜穿越的特点。大断面：箱涵宽23.4米、高9.3米，顶板和侧壁厚1.3米、底板厚1.4米。超薄覆土：上覆高速公路平均厚度2m，最薄处仅有1.

5、3m。斜穿越：箱涵轴线与高速公路斜交夹角114.228度。技术措施：箱涵分三节，分别为17m、18m、17m，采用中继间法预制顶进施工；路面土体采用大管棚支护、钢网格刃脚分割土体支护技术，稳固掌子面；超大断面箱涵斜穿越顶进技术研究 电力电缆隧道工程穿越轨道交通示意图（12次），其中上穿越2次上海世博电力电缆隧道与轨道交通交叉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

6、场飞行区地下穿越关键技术研究上海机场建设指挥部同 济 大 学国内外成功案例分析北京首都机场管幕法国内外成功案例分析港珠澳大桥工程管幕法19报告内容一 概况二 技术难点三 研究成果四 课题创新点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 工程地理位置 西郊宾馆1课题背景虹桥路 一、概况 22b 工程地质情况号土含水量约50，粘聚力1

7、0kPa，内摩擦角10.5度1课题背景北工作井南工作井管幕段 一、概况 23c 钢管幕情况长度：126m，钢管幕：97010根数：80根，覆土厚度：4.55.0m1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：1.4m 侧墙厚度：1.0m，中墙厚度：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 国内外研究现状工程回顾 （）大池成田线高速公路通道：箱涵19.8m7.33m，总长47m，37根直径800mm钢管；（

8、）日本山阳通道：箱涵37.6m9.0m,总长43.2m；（）日本东海道线垂井霞关原通道：箱涵32.26m8.9m,总长47.2m FJ工法（管幕FJ工法，注浆加固管幕内土体）ESA工法 (注浆加固待开挖土体)（）1997年东海道线新庄立体交叉工程（管幕ESA工法）：箱涵25.5m7.7m，长度82m, 45根直径812.8mm钢管;（）日本宝来隧道（ESA工法）：箱涵21.6 m7.8 m，总长279.5m;（）日本信太山隧道（ ESA工法 ）：箱涵26.6 m8.3 m，总长156m。1971年首次在日本的KawaseInae采用管幕法穿越铁路的通道,长10m（Coller, Philip

9、），以后大量应用并开发出ESA（endless self-advancing）、FJ(front jacking)工法、PCR工法等。28FJ工法ESA工法 一、概况 国内外研究现状3PCR工法 291979年欧洲（比利时）采用管幕矿山工法Antewerp地铁车站，上单排，直径为1.5m石棉水泥管，管幕长13m(G. Musso)1991年美国应用管幕矿山工法修建马蹄形的双圆隧道，单孔宽6.4m,高7m, 21根钢管，直径为770mm，长55m，土质为砂砾石。(Coller, Philip)1989年中国台湾采用管幕ESA工法修建台北松山机场地下通道，长100m，箱涵22m7m，72根直径81

10、2.8mm钢管，水平注浆加固管幕内土体（亚新工程顾问公司提供）1993年马来西亚采用管幕矿山工法修地下通道,长65m,管径780mm, 硬土(G.Musso) 3 一、概况 国内外研究现状工程回顾 共同点: 管幕内土体自立或被加固;箱涵推进需先设置导洞30理论研究 试验研究 设计理论 3 一、概况 国内外研究现状Yoshiaki GOTO（日本，1984）对管幕接头做过理论分析; Satoh.S（1996）采用弹性地基梁分析管幕的力学作用；W.L.Tan（新加坡，2003）利用FLAC软件对管幕法隧道进行了二维数值分析大川 孝等（日本，1985）对管幕接头试验研究； Yoshiaki GOTO

11、（日本，1984）对管幕工程进行过现场实测研究姚大钧等（中国台湾,2004 ）介绍了软粘土中管幕ESA工法的设计要点,并对松山机场的管幕-ESA工法工程进行了有限元分析和比较。314 一、概况 关注的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、技术难点 难点一：钢管幕顶进高精度姿态控制技术难点二：箱涵进、出洞稳定性控制难点三：箱涵推进后靠稳定性分析方法难点四：箱涵推进姿态控制技术难点五：箱涵推进阻力计算方法及减阻技术难点六：箱涵网格开挖面稳定性控制技术难点七：箱涵推进地层变形预测及控制技术33A 技术难点 钢

12、管带锁口导致管幕姿态控制困难 80根钢管幕顶进误差积累 施工顺序对精度的影响问题1钢管幕顶进高精度姿态控制技术 三、研究成果 34B 控制要点钢管幕顶进高精度姿态控制技术1高程和水平偏差控制研制出泥水平衡掘进机避免误差积累机头旋转控制 研制SJ型泥水平衡掘进机 RSG激光反射诱导纠偏装置 倾斜仪传感器显示 过渡钢管导向措施 姿态控制曲线 刀盘逆转 单侧加配重 倾斜仪传感器显示 限位块设置多重基准管采用异型锁口 合理施工顺序 三、研究成果 35钢管幕顶进高精度姿态控制技术1合理施工顺序先上后下施工影响示意有限元分析结果先上排后下排顶进钢管幕,则上排管幕沉降增加25mm 三、研究成果 36C 应用

13、效果采用以上措施后，管幕的精度可控制在30mm以内钢管幕顶进高精度姿态控制技术1 三、研究成果 37D 小结带锁口的钢管幕的顶进精度可控制在3cm内设置多根基准管顶进能消除误差积累作为施工对策，当偏差较大时可采用异型锁口钢管幕由下至上的钢管幕施工顺序对管幕顶进精度和地表变形均有利钢管幕顶进高精度姿态控制技术1 三、研究成果 38A 技术难点：箱涵进、出洞控制技术2出洞工艺地下墙拆除后整体稳定性 钢管幕对出洞稳定的作用 出洞加固的稳定性计算方法进洞稳定性计算方法 三、研究成果 39箱涵进、出洞控制技术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 出洞稳定性计算方法箱涵进

14、、出洞控制技术2加固体稳定性计算简图 抗滑稳定 强度条件 建立管幕作用下重力式挡土墙的计算方法（）采用弹性地基梁理论分析钢管幕的卸载作用（）按重力式挡土墙对加固体抗滑稳定与强度进行验算 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、出洞控制技术2 三、研究成果 43将钢管幕的上覆土重简化为荷载，采用极限分析方法计算主动土压力值根据上述计算分析：当箱涵逐渐接近接收井地下墙时,由于前方土体厚度的变薄，导致主动土压力越来越小(1) 进洞开挖面稳定箱涵进、出洞

15、控制技术2距地下墙的距离与土压力的关系 三、研究成果 44(2) 进洞接收井地下墙稳定箱涵进、出洞控制技术2 三、研究成果 因箱涵挤土推进，接收井基坑土压力过大（大于静止土压力），需要在接收井内设置斜撑为避免箱涵挤土推进，需控制推进阻力（主要是迎面阻力）不超过接收井设计土压力，并应适当在网格内挖土45E 应用效果箱涵进、出洞控制技术2抗滑稳定 强度条件 分析：在管幕作用下，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、出洞控制技术2 三、研究成果 提出了钢管幕

16、卸载作用下弹性地基梁理论与重力式挡土墙结合的加固体稳定性分析方法基于上述方法，可对加固长度和加固体强度进行优化，使得抗滑稳定系数和强度系数基本接近进洞时，随着箱涵网格工具头接近地下墙，开挖面土压力逐渐减小，开挖面的稳定性因此逐渐得到提高；接收井地下墙的稳定则依靠坑内的斜撑设置、推进阻力控制和网格内挖土降压方式来解决47箱涵推进后靠稳定性分析方法3A 加固土体为后靠加固宽度与箱涵纵轴线方向上位移采用三维有限单元法研究加固长度和宽度的关系加固长度与箱涵纵轴线方向上位移 三、研究成果 48箱涵推进后靠稳定性分析方法3B 暗埋段为后靠三维分析模型采用三维有限单元法研究工作井、后靠墙体、推进平台及暗埋段

17、受力及变形工作井变形后靠墙弯矩推进台应力三维分析结果 三、研究成果 49箱涵推进后靠稳定性分析方法3C 方案优选分析结果后靠土体暗埋段 159900kN 200000kN280000kN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、研究成果 50箱涵推进后靠稳定性分析方法3D 应用效果 采用暗埋段能显著节约造价、节省工期暗埋段作为后靠，显著减小了后靠结构中的内力（减小30%）,安全度提高暗埋段能提供更

18、高的推进反力 约增加14000t实际采用暗埋段作为后靠 三、研究成果 51箱涵推进后靠稳定性分析方法3E 小结 采用加固土体作为推进后靠时，增加加固宽度比加固长度有效；采用暗埋段作为后靠，安全、经济、快速；暗埋段作为后靠需要验算暗埋段的局部抗压和稳定性 三、研究成果 52A 技术难点长距离、大断面，水平姿态控制困难首次采用管幕内箱涵网格挤土推进B 控制方法采用计算机液压同步推进系统控制水平姿态采用弹性地基梁理论预测竖向姿态采用网格内挖土动态调整竖向姿态箱涵推进姿态控制技术4 三、研究成果 53导向墩箱涵水平偏差导向墩控制水平姿态控制措施计算机同步推进系统箱涵推进姿态控制技术4 三、研究成果 5

19、4箱涵推进姿态控制技术4计算机同步推进系统由行程仪传感器测得的位移信号传至计算机，由计算机调整10台泵站电机变频器，调整油泵流量控制油缸推进速度 三、研究成果 55 挤土推进高程姿态计算简图 挤土推进，网格前端受到向上作用力，促使抬头竖向姿态控制计算方法箱涵推进姿态控制技术4 三、研究成果 56挖土推进高程姿态计算简图网格内挖土推进，网格前端受到向下作用力，促使低头竖向姿态控制计算方法箱涵推进姿态控制技术4 三、研究成果 57以第四节箱涵推进结束后为例，计算箱涵竖向位移当计算得到抬头量为 3cm实测抬头量为4.5cm箱涵推进姿态控制技术4 三、研究成果 58C 应用效果水平偏差可控制在40mm

20、范围内箱涵推进姿态控制技术4 三、研究成果 59箱涵推进姿态控制技术4C 应用效果高程偏差可控制在40mm范围内 三、研究成果 60D 小结箱涵推进姿态控制技术4 三、研究成果 大断面箱涵液压同步推进系统，可以动态调整箱涵的水平姿态；采用弹性地基梁理论，根据不同的挖土工况建立的钢管幕作用下的计算模型，可以有效地预测箱涵的竖向姿态；网格内挖土推进减小抬头，而挤土推进则加剧抬头；通过网格内挖土可有效地调整网格工具头姿态61A 技术难点箱涵推进阻力计算方法及减阻技术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试验测定摩擦系数提出大断

21、面箱涵注浆工艺及减阻措施按被动土压力近似计算迎面阻力根据实测数据给出经验计算公式62研制特种复合泥浆：钠基膨润土、聚合物、正电胶。 采用止水泥浆和复合泥浆两类注浆系统特种泥浆箱涵推进阻力计算方法及减阻技术5 三、研究成果 63测定不同泥浆配比的摩阻系数摩阻系数测定箱涵推进阻力计算方法及减阻技术5 三、研究成果 64迎面阻力理论计算箱涵推进阻力计算方法及减阻技术5 迎面阻力挤土推进迎面阻力近似计算公式： 三、研究成果 根据不同挖土工况，分别采用不同的计算模式对于挤土推进而言，可按被动土压力近似计算迎面阻力,同时考虑管幕的作用 (本工程管幕超载约30%)。65推进阻力规律分析箱涵推进阻力计算方法及

22、减阻技术5首节箱涵在推进平台上推进时，启动摩阻系数为0.83；启动后，在平台上摩阻力系数约为0.42；每镐的开始推力比结束推力大，约增加3整体而言，随着推进距离增加，推进阻力增大；每节箱涵推进中推进力逐渐减小，其原因是推进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 箱涵推进阻力计算方法及减阻技术5 三、研究成果 67经验公式拟合图箱涵推进阻力计算方法及减阻技术5 由于摩擦系数是变化的，且第二节箱

23、涵一部分与管幕接触，而导致拟合误差。 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，泥浆套的减阻作用取决于泥浆套的形成程度；开挖面迎面土压力与推进工况密切相关，挤土推进时可近似按被动土压力计算；每节箱涵起始推进阻力大于结束阻力，每镐起始推进阻力大于结束推进阻力；推进阻力经验公式对以后工程有重要的参考价值箱涵推进阻力计算方法及减阻技术5 三、研究成果 69A 技术难点管幕内软土不加固,如何维持开挖面的稳定性稳定性计算理论和方法 箱涵网格开挖面稳定性控制技术6钢管幕对稳定性作用 网格前端土压力分布网格内摩阻力分布规律网格尺寸计算方法 三、研究成果 70借鉴网格式盾构经验，采用一

24、定入土深度的开口网格工具头维持稳定建立维持开挖面稳定的计算方法： （）采用弹性地基梁理论建立计算模型，考虑管幕的卸载作用 （）采用有限元分析网格前端的土拱卸载效应 （）根据网格内摩阻力平衡条件，建立网格内土压力分布规律公式B 技术措施箱涵网格开挖面稳定性控制技术6 三、研究成果 71箱涵网格开挖面稳定性控制技术6实验研究表明：在土体饱和度降低的条件下，土体自立高度明显的提高稳定性得到提高。B 技术措施非饱和土的力学性质对稳定影响研究 三、研究成果 72网格内土压力的分析示意图侧视图 轴测图 网格工具头内壁土压力分布规律箱涵网格开挖面稳定性控制技术6 三、研究成果 73 平衡方程土压力分布网格临

25、界入土深度箱涵网格开挖面稳定性控制技术6 三、研究成果 74正面土压力kPa计算值/m试验值/m841.201.2993.51.311.3698.21.361.40网格临界入土深度计算值与试验值箱涵网格开挖面稳定性控制技术6 三、研究成果 75采用三维有限元模拟土拱卸载效应网格前端土拱效应箱涵网格开挖面稳定性控制技术6应力转移土拱卸载效应值 三、研究成果 76土拱卸载效应计算模型及云图箱涵网格开挖面稳定性控制技术6 三、研究成果 77不同网格间距的土拱卸载效应E-E线箱涵网格开挖面稳定性控制技术6土拱卸载效应值 三、研究成果 78不同网格长度时的土拱卸载效应E-E线箱涵网格开挖面稳定性控制技术

26、6 三、研究成果 79研究结果表明：1 土拱卸载效应的存在显著减小网格面的土压力2 网格间距越大，土拱卸载效应越大；网格入土深度越小，土拱卸载效应也越大, 且在1050之间变化网格入土深度越大，平衡土压力的摩擦力越大箱涵网格开挖面稳定性控制技术6 三、研究成果 80C 使用情况箱涵网格开挖面稳定性控制技术6 网格内壁土压力分布模式 网格内土体的力学平衡条件 土体抗剪强度条件 土体自稳高度网格设计依据 计算结果（依据理论分析与模型试验） 网格净宽为1.11.3m（刃口宽20cm） 净高为1.21.4m， 长度为1.21.5m。 实际采用 网格净宽约为1.3m（刃口宽20cm） 净高约为1.4m，

27、 长度约为1.3m。 三、研究成果 81D 小结箱涵网格开挖面稳定性控制技术6 三、研究成果 管幕的作用：在网格内挖土管幕起卸载作用，减小了开挖面的土压力，提高了开挖面土体的稳定性；土拱卸载效应：因网格前端产生土拱卸载效应，使网格开挖面稳定性系数提高约1050；网格内壁平衡的作用：网格内土体和钢板间的摩擦力可平衡前端土压力。82A 技术难点箱涵推进地层变形预测及控制技术7 三、研究成果 钢管幕对地表变形的力学作用机理挖土工况、推进速率、注浆压力对地表变形影响建筑空隙大小的确定83通过理论和模型试验研究了管幕的不同挖土状态下管幕的力学作用计算方法通过模型试验研究推进速率对地表变形的影响通过有限元

28、法研究注浆压力对地表变形的影响BP人工神经网络多步滚动预测方法对管幕顶进和箱涵顶进中地表变形进行预测通过经验估算确定建筑空隙 B 技术措施箱涵推进地层变形预测及控制技术7 三、研究成果 84钢管幕的卸载作用箱涵推进地层变形预测及控制技术7假设：钢管幕为弹性地基梁网格前方土体处于主动平衡状态 三、研究成果 85箱涵推进地层变形预测及控制技术7强度条件 位移协调方程 三、研究成果 86管幕下土压力数值模拟结果 开挖后，管幕下土压力减小，表明松动区范围内管幕承担部分上部荷载 箱涵推进地层变形预测及控制技术7松动区 三、研究成果 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31.815.3m数值模拟3111m相似模型试验(1:25)304012.5m结论：箱涵前端约15m的范围为主要的松 动区域，相应管幕段的卸载量约为30。 三种研究结果比较表箱涵推进地层变形预测及控制技术7 三、研究成果 88研究表明：箱涵每推进1m，隆起量控制在3mm时，超载比为30钢管幕的超载作用箱涵推进地层变形预测及控制技