管幕箱涵頂進(jìn)施工中迎面土壓力研究

萬敏　白云　陳文財

同濟(jì)大學(xué)　上海200092　上海城建集團(tuán)　上海200032　上海大學(xué)　上海200072

引言

    隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增加以及城市的不斷擴(kuò)張，交通已日趨擁擠。在大中型城市，為了緩解交通擁擠狀況，需要修建大量的立交橋和立交地道。對于一些采用明挖施工不可行、采用盾構(gòu)施工又不經(jīng)濟(jì)的特殊隧道，可以采用一種新的暗挖施工方法——管幕工法。管幕法是利用微型頂管技術(shù)在擬建的地下建筑物四周頂入鋼管或其他材質(zhì)的圓管，鋼管之間采用鎖口連接并注人防水材料而形成水密性地下空間，在此空間內(nèi)修建地下建筑物的施工方法。它是一項(xiàng)利用小口徑頂管機(jī)建造大斷面地下空間的施工技術(shù)。日本于1971年首先采用管幕法建造了Kawase—Inae穿越鐵路隧道。1982年新加坡采用管幕法在城市街道下修建地下通道，24根直徑為600mm的鋼管圍成管幕。美國1994年首次應(yīng)用管幕法施工地下隧道，管幕鋼管直徑為770mm。日本在管幕工法方面發(fā)展處于領(lǐng)先地位，管幕有鋼管、方形空心鋼梁和縱向可施加預(yù)拉力方形空心混凝梁(PRC．method)，同時日本結(jié)合箱涵頂進(jìn)研究開發(fā)出許多工法，如：ESA(endless self-advancing)，FJ(front jacking)工法、奧村組 R&C工法等。l991年日本近畿公路松原海南線送尾工程采用ESA工法推進(jìn)大斷面箱涵，箱涵尺寸l21m×26.6m×8.3m(長、寬、高)。2000年大池成田線高速公路下47m×l9.8m×7.33m(長、寬、高)大斷面箱涵，采用管幕結(jié)合FJ工法施工，注漿加固管幕內(nèi)土體。l989年臺北松山機(jī)場地下通道工程由日本鐵建公司承建，箱涵尺寸l00m×2.2m×7.5m(長、寬、高)，采用管幕結(jié)合ESA箱涵推進(jìn)工法施工，用水平注漿法加固管幕內(nèi)土體。2005年5月上海市政二公司建成中國大陸唯一采用管幕法施工的地下工程——北虹路地道。

    在箱涵頂進(jìn)施工中如何正確監(jiān)測箱涵頂進(jìn)時迎面土壓力的大小、分布變化情況，是值得關(guān)注的問題。因?yàn)橛�面土壓力的大小和分布直接反映了箱涵推進(jìn)對前方土體的擾動影響，并且和箱涵頂進(jìn)前方土體位移變化密切相關(guān)。對迎面土壓力進(jìn)行監(jiān)測并及時調(diào)整千斤頂?shù)捻斄κ蛊涫冀K控制在一定范圍內(nèi)，可以間接減小施工對頂進(jìn)前方地表沉降的影響。

    箱涵迎面土壓力的監(jiān)測是一個極為困難的問題，且國內(nèi)尚無專門傳感器。為此，筆者嘗試通過在管幕箱涵切口網(wǎng)格頂進(jìn)前端水平安裝靜力觸探探頭，并通過其端阻力測值，最終計算推導(dǎo)出實(shí)際迎面土壓力。在此基礎(chǔ)上，本文分析了箱涵迎面土壓力的分布情況、迎面土壓力與頂進(jìn)速度的關(guān)系及迎面土壓力與推進(jìn)阻力的關(guān)系。

1、實(shí)驗(yàn)及實(shí)測數(shù)據(jù)監(jiān)測方案

    本文結(jié)合上海北虹路下立交工程首先對管幕箱涵頂進(jìn)前端靜力觸探探頭端阻力進(jìn)行了實(shí)測，該工程管幕段長達(dá)l25m，管幕結(jié)構(gòu)寬度36.23m，高為9.97m，管幕中箱涵寬34.2m，高7.85m，內(nèi)凈寬32m，凈高5.15m(如圖l)，土層分布如表1所示。

圖1箱涵頂進(jìn)切口網(wǎng)格的斷面示意圖

   采用WJU型靜力觸探探頭量測土壓力，額定量測范圍為：0-2000kPa，探頭為圓錐形，固定在箱涵切口網(wǎng)格上，伸出箱涵前端約30cm。在頂進(jìn)過程中量測土對探頭的阻力，探頭測試系統(tǒng)使用前在實(shí)驗(yàn)室事先標(biāo)定。應(yīng)變傳感器信號通過DH3815N靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)自動連續(xù)采樣記錄，通過計算機(jī)實(shí)時監(jiān)測并記錄迎面土壓力的數(shù)值。土壓力傳感器布置和安裝見圖2、圖3所示。

圖2迎面土壓力測點(diǎn)布置圖

圖3探頭布置示意圖

2、迎面土壓力計算

　　Vesic(1972))：將圓孔擴(kuò)張理論發(fā)展至適用大變形問題。在總結(jié)比較了數(shù)種錐尖阻力的計算理論后，認(rèn)為探頭推進(jìn)擠土過程與球孔擴(kuò)張相似，圓孔擴(kuò)張理論模擬錐尖貫人時周邊土體受力情況比較準(zhǔn)確。在管幕中箱涵緩慢頂人土中時，箱涵前方鋼網(wǎng)格人土方式、受力狀態(tài)與探頭頂人土體的情況相似，球孔(圓孔)擴(kuò)張理論適合用來分析箱涵前方擠土的受力狀況，因此本文依此理論求解探頭前方迎面土壓力。

　　2.1基本假定

　　土是均勻的、各向同性的理想彈塑性材料；土體飽和、不可壓縮；土體屈服滿足Mohr—Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則；球孔擴(kuò)張前，土體具有各向等同的有效應(yīng)力。

　　圍繞球形孔的球形區(qū)域?qū)⒂蓮椥誀顟B(tài)進(jìn)入塑性狀態(tài)。塑性區(qū)隨P的增大而不斷擴(kuò)大，塑性區(qū)以外的土體仍保持彈性狀態(tài)。擴(kuò)張過程如圖4所示，圖中qc為端阻力，r0為探頭半徑，α為球形孔的初始半徑，Ru為擴(kuò)張后半徑，Rp為塑性區(qū)最大半徑，Pu為相應(yīng)的孔內(nèi)壓力值，σr為徑向正應(yīng)力，σθ為切向正應(yīng)力。

圖4探頭及球形孔擴(kuò)張示意圖

　　2.2探頭迎面土壓力公式

    由于探頭隨箱涵推進(jìn)時，探頭迎面土體已處于塑形狀態(tài)。根據(jù)力的平衡，實(shí)測探頭端阻力qc，即可看作是球孔擴(kuò)張時的內(nèi)壓pu；根據(jù)球孔(圓孔)擴(kuò)張理論，探頭迎面土壓力P為探頭球孔擴(kuò)張塑性區(qū)上土的平均徑向應(yīng)力σro。

3、迎面土壓力實(shí)測與分析

　　3.1迎面土壓力分布

    箱涵采用網(wǎng)格擠土方式推進(jìn)，箱涵切口網(wǎng)格前方各測點(diǎn)端阻力部分實(shí)測數(shù)據(jù)。圖中3月6日6：17前數(shù)據(jù)為箱涵勻速頂進(jìn)時實(shí)測結(jié)果，3月6日6：17后為箱涵停頂(下頂塊時)實(shí)測結(jié)果(頂推力為140000 kN、總頂進(jìn)距離為81．56 m)。當(dāng)箱涵頂進(jìn)時，靠近中隔墻的測點(diǎn)l3的端阻力最大(達(dá)到750～800 kPa)；靠近箱涵東側(cè)壁的測點(diǎn)8也較大(為600～650 kPa)；處于箱涵兩側(cè)壁中間的3個測點(diǎn)端阻力較小(在400～450 kPa之間)，測點(diǎn)7最小。各測點(diǎn)端阻力反映了迎面土壓力分布，迎面土壓力分布如圖7所示。

　　3.2箱涵平均迎面土壓力的計算分析

    鋼網(wǎng)格擠土與圓孔擴(kuò)張相似，根據(jù)圓孔擴(kuò)張理論，網(wǎng)格正前方土壓力最大，隨距鋼網(wǎng)格距離增加土壓力變小，如圖8所示。測點(diǎn)安裝在鋼網(wǎng)格上，測點(diǎn)處迎面土壓力只能代表測點(diǎn)所在網(wǎng)格前方迎面土壓力，要得到網(wǎng)格附近區(qū)域平均土壓力必須對測點(diǎn)迎面土壓力進(jìn)行折減。

計算得到各測點(diǎn)附近區(qū)域迎面平均土壓力約為測點(diǎn)處迎面土壓力的0．65倍，因此，折減系數(shù)按k=0.65。

4、結(jié)論

    通過網(wǎng)格前靜力觸探探頭實(shí)測端阻力，根據(jù)經(jīng)典球孔擴(kuò)張理論推導(dǎo)出換算公式，用它計算出的迎面土壓力結(jié)果分布規(guī)律與網(wǎng)格前靜力觸探探頭實(shí)測端阻力分布規(guī)律吻合較好。通過計算得到如下結(jié)論：

    (1)計算迎面土壓力在箱涵側(cè)壁和中隔墻附近較大，網(wǎng)格中部較小，平均值接近被動土壓力；切口中心(箱涵中隔墻處)的土壓力約介于主動土壓力和被動土壓力之間(約為：200～380kPa)：

    (2)通過計算，箱涵頂進(jìn)前端迎面總的土阻力基本在61000～64000kN之間，千斤頂推力增量基本來自箱涵側(cè)阻力；

　　(3)迎面土壓力與推進(jìn)距離有增加的趨勢，但波動較大。

參考文獻(xiàn)

[1]山添需，余村仁，高原好孝，等．近畿自勤卓道松原海南緣檜尾工事ESA工法

[2]金子益雄，柴田一之，加藤建治．工事[J]．土木施工，2003，1(4)：2-10

[3]熊谷鎰．臺北復(fù)興北路穿越松山機(jī)場地下道之規(guī)劃與設(shè)計[J]．福州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1997，25(S1)：56—60   

[4]上海市第二市政工程有限公司．中環(huán)線北虹路(虹橋路一虹古路)地道工程招標(biāo)文件[R]．上海：上海市第二市政工程有限公司，2003

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)