软土地层管幕–箱涵顶进工具管网格自平衡设计理论研究

目前，国外在软土地区箱涵顶进施工中均对箱涵顶进工具管开挖面前的土体进行加固，以保证在箱涵高度范围内的土体能够自立稳定。为降低工程造价，上海市中环线虹许路—北虹路地下立交隧道工程是世界上首次在软土地区采用不加固软土方法进行管幕–箱涵顶进施工的工程，为维持开挖面土体平衡，工具管网格的合理设计是工程成败的关键。以此工程为背景，从力学原理出发，利用网格内土体在稳定的前提下摩擦力与土压力始终平衡—— 自平衡原理，建立平衡微分方程，推导出工具管内土压力、土–钢板接触面正应力、剪应力随工具管长度的分布及衰减规律—— 指数方程，由此方程可解出维持开挖面稳定所需的工具管网格临界长度，并建立网格的长、宽和高之间应满足的定量关系。影响网格长度的主要因素有网格前的土压力、土与网格壁的摩擦特性和土体性质等，分析表明，网格临界长度随土压力的增大而增大，随摩擦系数的增大而减小，为对数方程，所建立的公式可为工程设计提供理论依据。     

软土地层管幕内顶进箱涵前端网格工具头设计

上海市中环线虹许路-北虹路下立交工程是目前世界上在饱和含水软土地层中施工的横截面最大的管幕法工程之一。为降低工程造价，首次在软土地区采用不加固软土方法进行管幕一箱涵顶进施工，为维持开挖面土体平衡，工具管网格的合理设计是工程成败的关键。以工程为背景，对网格结构形式的选择，工具头基本尺寸的确定，网格工具头的荷载分析，切口及网格梁的计算简图进行了箱涵阐述。工程实践表明所采用的网格设计方法是合理可行的。     

软土地层大断面箱涵网格开挖面稳定性分析

上海市中环线虹许路-北虹路下立交通道是世界上首例采用不加固管幕内软土进行箱涵顶进的管幕法工程，箱涵宽34．2m，高7．85m，长126m。首先对工程所处地层的物理力学性质进行室内试验，结果表明，在土层含水量降低的情况下，箱涵推进过程中开挖面土体完全能够保持稳定。然后对网格受力机理和网格内壁土压力分布规律进行了研究，借此对网格进行设计，从而保证开挖面的稳定。     

管幕内顶进箱涵前端网格内壁土压力分布模式

上海市中环线虹许路北虹路下立交工程是目前世界上在饱和含水软土地层中施工的横截面最大的管幕法工程。在管幕内顶进大断面箱涵(前端嵌固钢板制网格框架)的施工过程中,随着网格后端土体的开挖,作用于网格内壁各面的土压力发生调整,其特点是在距开挖面不同位置处有不同的大小。根据力学平衡条件分析,重新达到平衡状态后,作用于内壁顶面与底面的土压力沿网格纵向呈指数函数分布,内壁侧面的土压力则为沿网格长度方向(纵向)的指数分布与沿高度方向(竖向)的线性分布的叠加,直到在网格前端仍保持相应的原始状态为止。这就为网格尺寸的合理设计打下了重要基础。最后,用室内试验验证了理论计算方法并给出了实例工程网格内壁土压力的具体分布模式。     

管幕箱涵顶进施工中迎面土压力研究

管幕法是在始发井与接受井之间,利用微型顶管技术在拟建的地下建筑物四周顶入钢管或其他材质的圆管,钢管之间采用锁口连接并注入防水材料而形成水密性地下空间,在此空间内采用开挖或箱涵顶进方案修建地下建筑物的一种新型暗挖技术。管幕箱涵顶进工法是管幕法与箱涵法的结合。上海市中环线虹许路—北虹路地下立交隧道工程是世界上首次在软土地区采用不加固软土方法进行管幕箱涵顶进施工的工程,由于该工程采用常规方法监测箱涵顶进前端迎面土压力非常困难,所以笔者将静力触探探头进行改装,水平固定于网格前端实测端阻力,并采用经典球孔扩张理论推导换算公式,用以计算迎面土压力。通过实测和计算分析,得到迎面土压力在箱涵侧壁和中隔墙附近较大,平均值接近被动土压力等规律。     

软土地层管幕内大断面箱涵顶进姿态控制

上海市中环线虹许路一北虹路下立交通道是世界上首例采用不加固管幕内软土的管幕法工程，也是中国大陆首次采用管幕法工程，该工程由80根妒70钢管通过锁口连接而成口字形管幕。箱涵宽34．2m，高7．85m，长126m。通过网格工具头挤土推进维持开挖面的稳定性。为了确保大断面箱涵在推进中左右水平偏差和上下高程偏差在容许的范围内，水平姿态采用导向墩装置及计算机液压同步推进系统进行控制；采用弹性地基梁理论分析箱涵高程姿态，结果表明，网格内挖土方式能有效地调整网格工具头的高程姿态。     

管幕内顶进箱涵的前端网格长度合理设计

上海市中环线虹许路北虹路下立交工程是目前世界上在饱和含水软土地层中施工的截面最大的管幕法工程。为保证在管幕内顶进大断面箱涵(前端嵌固钢板制网格框架)的施工过程中开挖面的稳定性,在网格横截面尺寸一定的情况下,设计合理的网格长度就十分重要。在考虑箱涵上部管幕允许沉降变形的基础上,根据作用于网格内壁土压力的分布模式,并兼顾考虑实际操作的可行性,给出了网格长度的较为合理的设计计算方法,详细计算出了较为合理的网格长度,较好地满足了各主要控制因素。     

软土地层管幕法隧道箱涵顶进开挖数值模拟

上海市中环线虹许路-北虹路地下立交隧道工程是我国首次采用管幕法箱涵推进工法施工,为研究管幕的作用,及管幕内土体变形及土压力分布规律,采用二维弹塑性有限元模拟网格内土体开挖过程.计算结果表明:随着网格内土体开挖,管幕下沉,网格前端11 m范围内土压力明显降低,最大降幅约为原压力的31%.同时,网格前端11～30 m一段范围内竖向略有增大;随着开挖进行,网格前端土体水平位移持续增加、水平应力相应减小;土体松动范围逐渐扩大,松动区的范围约为箱涵高度的2.5～3倍,形状为顶端与底端小,中间大.开挖结束时,最大水平位移达到了6.3 cm,水平应力最大降低了约40%.     

管幕作用下矩形大断面开挖面稳定模型试验研究

管幕箱涵工法因其施工过程环境扰动较小的特性非常适合建设下穿通道。进行砂土地层中重力场非相似模型试验,探究管幕结构在维持开挖面稳定和限制环境扰动方面的作用,通过控制开挖面板位移模拟开挖面失稳破坏过程,采用压电薄膜监测开挖面三维土压力分布形式、DIC双目相机监测地表三维位移和分布式光纤监测模型管幕变形将传统监测从点拓展到线和面。对比分析开挖面荷载大小及分布、地表沉降大小及分布和管幕结构变形随开挖面位移变化规律,揭示管幕作用下矩形开挖面稳定及环境影响机制。管幕结构能够阻断滑动面向地表延伸及滑动块上方土体塌落,最终承担部分松动土压力并维持上覆土中土拱结构稳定,有效降低矩形开挖面荷载并显著限制环境扰动。模型试验研究结论对管幕箱涵工法发展具有指导意义。     

管幕内顶进箱涵顶部管幕承载作用的分析

上海市中环线虹许路北虹路下立交工程是目前世界上在饱和含水软土地层中施工的横截面最大的管幕法工程。根据地面沉降限制要求,并按照以较缓慢速度顶进箱涵且开挖土体过程中前方土体滑动的极端不利情况分析了顶部钢管幕的承载作用,针对钢管不同部分的受力状况不同,主要按两端固定梁以及弹性地基梁2种模型分情况对钢管的不同部分进行计算分析,并对该工程的情况进行了具体的计算。结果发现在箱涵顶进过程中,管幕起到相当大的力学作用,上覆土体的重量有一定量被顶部管幕承担而不向其下面传递,有助于提供箱涵前端网格尺寸经济而合理的设计。     

管幕内顶进箱涵前端网格横截面尺寸确定

上海市中环线虹许路北虹路下立交工程是目前世界上在饱和含水软土地层中施工的横截面最大的管幕法工程。为保证在管幕内顶进大断面箱涵(前端嵌固钢板制网格框架)的施工过程中开挖面的稳定性,设计合理的网格横截面尺寸十分重要。根据对网格后端开挖面处的土拱效应分析,采用静力平衡条件与土体的剪切强度条件作为基本控制条件,并结合土体的自稳条件,给出了网格横截面尺寸的合理计算方法,以使网格横截面尺寸设计更加合理,最后以实例说明了具体计算过程。     

管幕内箱涵顶进中顶部管幕竖向变形预测

上海市中环线虹许路北虹路下立交工程是目前世界上在饱和含水软土地层中施工的横截面最大的管幕法工程。针对实际箱涵顶进施工过程中顶部管幕出现的以隆起为主的竖向变形，根据对箱涵前方滑动土体及箱涵体的力学分析，确定作用于顶部管幕下的附加荷载，进而将顶部中间部分的钢管视为在该附加荷载作用下的倒置于Winkler地基上的弹性地基梁，以此模型预测分析顶部中间部分钢管幕的竖向变形，并同实测结果进行比较，发现二者在规律及大小上都较为接近，说明该预测分析方法具有一定的合理性。     

高覆盖土大跨度箱涵顶进质量控制

以京九线-穿铁路线排污箱涵工程为背景，详细介绍了影响高覆盖土箱涵顶进质量的原因，通过三个阶段的模型测试，在调整摩擦系数和解决箱涵前方土体塌方的基础上，成功实施了相关质量控制方案，确保了工程的顺利完成。     

管幕内顶进箱涵时外表面摩擦系数的试验研究

上海市中环线虹许路北虹路下立交工程是目前世界上在饱和含水软土地层中施工的横截面最大的管幕法工程。箱涵外表面与附近浆土混合物或钢管之间的摩擦系数对于箱涵在顶进过程中合理设计千斤顶的顶进推力十分重要。采用室内试验的方法研究了混凝土与配制的5种由膨润土触变泥浆和实际工程中的粘性土形成的浆土混合物之间以及混凝土与钢管之间的摩擦系数,研究结果表明,在纯粘性土时该2种摩擦系数均最大,而随着触变泥浆与粘性土的质量比的增大,摩擦系数则逐渐减小,在纯触变泥浆时摩擦系数则达到或接近最小值。     

箱涵顶进施工安全监测与控制技术研究

针对在软弱土层中超浅埋深大体积箱涵顶进技术所出现的问题,提出一套箱涵姿态全程自动数字监测系统方案.该系统可在箱涵顶进的过程中对箱身的轴线、进程、涵端土压力以及后背变形进行全程的、实时的跟踪监测并通过系统的软件处理及时采取相应的措施.通过对箱涵顶进施工过程信息化、智能化,不但能有效地解决在软弱土层中超浅埋深大体积箱涵顶进技术所出现的问题,而且能够大大节省人力、财力、物力.     

软土地层管幕-箱涵推进工法阻力计算研究

上海市中环线北虹路下立交工程是目前世界上在饱和含水地层中施工的截面最大的管幕法工程.箱涵推进中推进阻力估算正确与否是工程成败的关键因素之一.基于摩擦及土体的极限平衡理论,分析了在管幕存在的条件下箱涵顶进中推进阻力的构成及计算方法,并根据不同的挖土工况给出相应的计算公式.计算结果和实测阻力进行对比,结果较为接近,可为同类工程提供参考.