管幕箱涵頂進施工中迎面土壓力研究

萬敏　白云　陳文財

同濟大學　上海200092　上海城建集團　上海200032　上海大學　上海200072

引言

    隨著經(jīng)濟發(fā)展、人口增加以及城市的不斷擴張，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、采用盾構施工又不經(jīng)濟的特殊隧道，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在擬建的地下建筑物四周頂入鋼管或其他材質的圓管，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。它是一項利用小口徑頂管機建造大斷面地下空間的施工技術。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)展處于領先地位，管幕有鋼管、方形空心鋼梁和縱向可施加預拉力方形空心混凝梁(PRC．method)，同時日本結合箱涵頂進研究開發(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，采用管幕結合FJ工法施工，注漿加固管幕內(nèi)土體。l989年臺北松山機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)，采用管幕結合ESA箱涵推進工法施工，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。

    在箱涵頂進施工中如何正確監(jiān)測箱涵頂進時迎面土壓力的大小、分布變化情況，是值得關注的問題。因為迎面土壓力的大小和分布直接反映了箱涵推進對前方土體的擾動影響，并且和箱涵頂進前方土體位移變化密切相關。對迎面土壓力進行監(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，最終計算推導出實際迎面土壓力。在此基礎上，本文分析了箱涵迎面土壓力的分布情況、迎面土壓力與頂進速度的關系及迎面土壓力與推進阻力的關系。

1、實驗及實測數(shù)據(jù)監(jiān)測方案

    本文結合上海北虹路下立交工程首先對管幕箱涵頂進前端靜力觸探探頭端阻力進行了實測，該工程管幕段長達l25m，管幕結構寬度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。在頂進過程中量測土對探頭的阻力，探頭測試系統(tǒng)使用前在實驗室事先標定。應變傳感器信號通過DH3815N靜態(tài)應變測試系統(tǒng)自動連續(xù)采樣記錄，通過計算機實時監(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))：將圓孔擴張理論發(fā)展至適用大變形問題。在總結比較了數(shù)種錐尖阻力的計算理論后，認為探頭推進擠土過程與球孔擴張相似，圓孔擴張理論模擬錐尖貫人時周邊土體受力情況比較準確。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強度準則；球孔擴張前，土體具有各向等同的有效應力。

　　圍繞球形孔的球形區(qū)域將由彈性狀態(tài)進入塑性狀態(tài)。塑性區(qū)隨P的增大而不斷擴大，塑性區(qū)以外的土體仍保持彈性狀態(tài)。擴張過程如圖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為擴張后半徑，Rp為塑性區(qū)最大半徑，Pu為相應的孔內(nèi)壓力值，σr為徑向正應力，σθ為切向正應力。

圖4探頭及球形孔擴張示意圖

　　2.2探頭迎面土壓力公式

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

3、迎面土壓力實測與分析

　　3.1迎面土壓力分布

    箱涵采用網(wǎng)格擠土方式推進，箱涵切口網(wǎng)格前方各測點端阻力部分實測數(shù)據(jù)。圖中3月6日6：17前數(shù)據(jù)為箱涵勻速頂進時實測結果，3月6日6：17后為箱涵停頂(下頂塊時)實測結果(頂推力為140000 kN、總頂進距離為81．56 m)。當箱涵頂進時，靠近中隔墻的測點l3的端阻力最大(達到750～800 kPa)；靠近箱涵東側壁的測點8也較大(為600～650 kPa)；處于箱涵兩側壁中間的3個測點端阻力較小(在400～450 kPa之間)，測點7最小。各測點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)格擠土與圓孔擴張相似，根據(jù)圓孔擴張理論，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。測點安裝在鋼網(wǎng)格上，測點處迎面土壓力只能代表測點所在網(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迎面土壓力進行折減。

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

4、結論

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

    (1)計算迎面土壓力在箱涵側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阻力；

　　(3)迎面土壓力與推進距離有增加的趨勢，但波動較大。

參考文獻

[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．臺北復興北路穿越松山機場地下道之規(guī)劃與設計[J]．福州大學學報(自然科學版)，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：陜西省土木建筑學會  文徑網(wǎng)絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)