管幕法施工的简介

管幕法作为穿越道路、铁路、机场等的非开挖技术，在日本、美国和中国台湾都取得了较好的效果。管幕钢管锁口相连，管幕形成后在锁口处注入止水剂或者砂浆，形成密封的止水管幕。然后在管幕的保护下，对管幕内土体加固处理后，边开挖边支撑，直至管幕段开挖贯通，再浇筑结构体；或者先在两侧工作井内现浇箱涵，然后边开挖土体边牵引对拉箱涵。日本在箱涵顶进方面研究较早并开发出许多工法如：esa（endlessself-advancing）,fj(frontjacking)工法等。根据台北市政府工务局新建工程处“松山机场地下道工程简介”，1989年台北松山机场地下通道工程由日本铁建公司承建，采用管幕结合esa箱涵推进工法施工，长100m，箱涵宽22.2m，高7.5m，水平注浆法加固管幕内土体。1991年日本近几公路松原海南线松尾工程采用esa工法推进大断面箱涵，箱涵宽26.6m，高8.3m，长121m[1]。2000年大池成田线高速公路下大断面箱涵长度47m,宽19.8m，高7.33m，采用管幕结合fj工法施工，注浆加固管幕内土体[2]。在软土地层中，以上工法和工程如位于软土地层均要对网格工具管开挖面前的土体进行加固以维持土体的平衡。管幕法是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管子，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，在此空间内可修建地下建筑物。比较早期采用管幕法的工程是1979年的比利时antewerp地铁车站的修建[3]，以后日本逐渐发展并普遍应用管幕工法，中国香港及台湾地区、新加坡、马来西亚已逐渐应用[4][5]。实测和理论分析均表明具有一定刚度的管幕能显著减小地表变形，增加开挖面稳定性[6]~[8]。上海市中环线北虹路下立交工程是中环线的重要组成部分，其轴线基本呈南北走向，沿虹许路穿越虹桥路、西郊宾馆接入北虹路，为大断面长距离浅埋式地道工程。（见图1）由于虹桥路上交通繁忙，地下有许多管线。西郊宾馆的环境又比较重要。因此经方案反复论证和优化，形成了创新的管幕结合箱涵顶进的施工工法。（rbj工法）[9]。2工程概况2.1结构参数1）南北二座工作井尺寸：l×b×h＝24.6m×41m×17m工作井采用地下连续墙法施工b＝0.8m，h=31m2）南北二座工作井的出洞段土体加固范围：l×b×h＝8m×38m×18m加固强度：qu=0.8mpa3）钢管幕：80根φ970×10带锁口的钢管，形成口字形管幕。锁口材料为角钢100×80×10，管幕段长度126m。4）箱涵：矩形双孔钢筋混凝土结构，为双向八车道。结构外包尺寸：34.2m×7.85m，顶板厚度1.3m，底板厚度1.4m，侧墙厚度1.0m，中隔墙厚度0.8m。箱涵共分8节，前两节分别为18m，第三节为4m，第四～第七节为17.5m，第八节为15.2m，第三节箱涵以后改为柔性接头5）管幕顶部覆土层厚度：4.5m~5.0m。2.2工程地质和水文地质管幕和箱涵位于③1灰色淤泥质粉质粘土和④灰色淤泥质粘土层，为饱和软土。含水量大、承载力低、渗透系数小。3总体施工工艺流程4rbj工法的特点1）适用于软土地层浅埋式大断面长距离非开挖地道工程。2）依靠网格工具头稳定开挖面，对管幕内土体可不进行加固处理。3）用已构筑的暗埋段结构提供足够的后靠力，不需对工作井后的土体进行加固。4）用顶进法取代对拉法，使受力体系更简化。5）在管幕与箱涵之间形成完整可靠的支承润滑介质。既可减少箱涵顶进过程中的地表沉降，又能降低箱涵推进阻力。6）用底排钢管幕作为箱涵顶进的基准面。7）可降低工程投资费用，缩短工期，且安全可靠。5关键施工技术5.1钢管幕顶进施工技术为了缩短工期，采用八台泥水平衡顶管掘进机同时由北工作井向南工作井顶进，平均每台掘进机日推进约30m。80根钢管施工工期为140天。对带锁口的钢管顶进，关键施工技术是掘进机的高精度姿态控制，包括轴线偏差和旋转偏差的控制[10]。5.1.1钢管幕顶进高精度姿态控制技术本工程的钢管幕顶进姿态控制，在原来的顶管技术上进行了改进和创新，取得了满意的效果，具体措施如下：1）高程和水平偏差控制措施a采用轨迹示踪可视化软件指导纠偏操作b采用泥水平衡掘进机施工保持开挖面的稳定以利于纠偏控制c为掘进机装备rsg激光反射诱导装置，使操作人员能够预知掘进机偏差趋势d在掘进机内设置倾斜仪传感器和纠偏油缸行程仪传感器，即时显示机头的姿态数据。e采用特殊构造措施，一是提高机头长径比，二是在机头后方紧跟三节过渡钢管。钢管之间以可以产生微小空隙的铰相连，形成多段可动的铰构造，这样在纠偏油缸的作用下，可以带动后续钢管，达到纠偏和导向的目的f通过设计合理的钢管顶进顺序，可以控制管幕的累积偏差在允许的范围内。本工程中，钢管先顺序顶进，当累积偏差不能满足精度要求时，则增加基准管，同时对闭合钢管根据测量结果，用异形锁口来封闭。g用机头姿态曲线图指导纠偏操作和确定偏差报警制度等。2）机头旋转控制措施a设置机头偏转传感器，即时显示机头的偏转姿态数据。b依靠过渡钢管之间的防转块来控制机头的旋转。c通过刀盘逆转使正面土体对刀盘产生反向力矩来纠正偏转。d通过单侧压重来纠正偏转。5.1.2施工后的钢管幕姿态曲线1）单根钢管纵向姿态曲线（取第12号管幕为例）2）横截面总体姿态曲线（取距北井49m处的上下二排管幕为例）单根钢管偏差可控制在30mm以内，整体管幕偏差可控制在40mm以内。能够满足下一步对箱涵与管幕之间的建筑空隙确定要求。5.2箱涵顶进施工技术5.2.1网格工具头的设计钢网格的作用是切土和维持开挖面土体稳定，即在不加固管幕内土体的情况下，要确保开挖面土体平衡，另外要在顶进过程中把地面的变形控制在允许的范围内，为此在顶进的过程中，把土体对工具管的土压力控制在静止土压力附近变动。1）计算简图把网格工具头看作是双向网格梁，承受网格前端土压力。2）设计荷载网格前端的土压力按底排管幕处计算，本工程取300kpa设计。3）网格尺寸根据计算，网格尺寸为：大网格尺寸水平共分20格，净间距中间两格为1500mm，其余各格为1300mm；竖向共分3层，从下到上净间距依次为第一层1715mm，第二层1400mm，第三层1435mm；大网格的长度为（伸入土内）1300mm。4）实际施工表明，本工程网格工具头设计满足强度和刚度要求，并且在大网格状态下能使开挖面土体保持稳定。5.2.2箱涵出洞工艺1）出洞段土体加固范围的稳定性计算大断面箱涵出洞时，由于要凿除连续墙，为保证洞口土体的稳定性，管幕施工前对工作井外侧土体进行加固。出洞段土体进行8m范围的加固，其中靠近工作井3m范围采用水泥土搅拌桩，另5m采用压密注浆加固[11]。a参数取值[12]b计算结果计算采用简化毕肖普条分法，根据试验结果，当管幕承担上部土体自重时，开挖面稳定安全系数为fs=1.2。可以保证开挖面土体的稳定性。2）洞口地下连续墙的拆除当网格工具头和首节箱涵在工作井下的推进平台上制作安装完成后，将其向前推进到洞口止水装置内，并距地下连续墙为0.8m处，然后利用预先钻孔，装药的爆破系统快速拆除地下连续墙。3）8m加固区的的挖掘当网格工具头出洞推进到加固区时，这时为大网格状态，由挖掘机直接在网格内挖土。4）实际施工表明，箱涵出洞过程始终处于安全受控状态。5.2.3箱涵的顶力控制1）箱涵顶进阻力计算总的计算推进阻力为：t＝126800＋75000＝201800kn箱涵启动时，需克服箱涵与隔离层的粘结力，迎面阻力的增加值和箱涵外壁附加阻力，因此总的推进阻力需考虑1.25倍安全系数。2）后靠结构局部承压验算（按c30验算）б＝2500×8/2.4×1.4=5952kn/m230000kn/m23）200m暗埋段可提供的摩阻力验算：f5＝a4f2=84×200×20＝336400kn4）顶进油缸布置根据总的推进力，布置112只2500kn主顶油缸，分成14组，每组8只5）箱涵顶进实测顶力曲线每节箱涵的起步推力为最大值，起始与结束时的推力差值约为40000～50000kn。第八节箱涵的起始推力为250000kn，结束推力190000kn。6）本工程顶力控制可归纳如下：a暗埋段作为后靠，使得受力体系更加安全可靠；b112台250t千斤顶布置在箱涵底板处是合理的，同时总的装备推力为28000t也是合理的；c泥浆套起到了非常明显的减阻作用。5.2.4箱涵顶进的姿态控制1）箱涵水平姿态控制措施a计算机液压同步推进系统该系统通过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，从而控制油缸推进速度达到同步推进的目的。b在工作井的箱涵两侧设置导向墩在箱涵初始推进阶段，通过在工作井的箱涵两侧设置导向墩对控制箱涵的水平姿态是非常有效的。c通过实测成果实时修正推进参数箱涵每推进50cm即进行一次姿态测量，测量成果反馈至计算机液压同步推进系统，修正推进参数，使得箱涵水平姿态得到有效控制。2）箱涵的高程姿态控制措施箱涵是贴着底排管幕前进，但在挤土状态下，箱涵切口易上抬，实际施工表明，如果适当地挖除部分底排网格内的土体，可以有效地遏制切口上抬趋势，并满足箱涵高程控制的目的。3）箱涵顶进中姿态偏差曲线箱涵水平及高程偏差均可控制在40mm以内。5.2.5箱涵的地表变形控制1）地表变形控制措施a开挖面的稳定性控制由于开挖面多是淤泥质粘土，呈饱和状态，且有水平多层粉砂。自由水的压力有可能使网格开挖面失稳，引起水土坍塌现象。针对性措施一是合理的网格工具头的设计来满足开挖面的稳定条件。二是当一节箱涵推完后，把网格内的封门板全部插上。到下一节箱涵推进时再开启封门板。b通过网格内挖土工艺直接调整地表变形c通过信息化施工技术（地表变形监测、管幕变形监测等）来不断修正推进参数，控制地表变形。d泥浆的固化箱涵顶进完成后，立即在箱涵与管幕间压注固化泥浆材料。使得箱涵与管幕之间的触变泥浆材料被及时固化，可明显减小地表后期沉降。2）实测地表变形第三节箱涵推进后实测横断面及纵断面地表变形曲线，在箱涵正常推进情况下，地表变形可以控制在40mm以内。6结论在软土地层中，修建大断面管幕法隧道，采用管幕－箱涵推进工法（rbj工法）是合理可行的。1影响地表变形的主要因素是钢管幕的顶进精度和尽可能减小管幕和箱涵间的建筑空隙。2采用高精度方向控制技术措施，钢管幕的姿态可以控制在±30mm，对下一步箱涵推进创造有利条件。3箱涵开挖面在大网格状态下可以维持稳定，不需要加固内部土体。4特种复合泥浆及其整套施工技术不仅明显降低推进阻力，而且对减小地表沉降具有一定作用。5利用暗埋段作为顶进后靠使推进系统更加安全可靠。6箱涵同步推进计算机控制系统成功地实现了对112只顶进油缸的远程有效控制,箱涵姿态是受控的。参考文献1山添喬，余村仁，高原好孝，池田亨,藤田義教，安藤進，近畿自動車道松原海南線桧尾工事―esa工法による大断面ボックスカルバートの推進施工[j],土木施工1991,32(12):1～122金子益雄、柴田一之，加藤建治,フロンテジャッキング工法による高速自動車道直下の大断面トンネルの施工―大成田線トンネル工事[j],土木施工,2003,1(4):2～103g.musso.,jackedpipeprovidesroofforundergroundconstructioninbusyurbanarea[j],civilengineering—asce,1979，11（49）：79-824bito,yasuhisaconstructionmethodsofthestructurespassingthroughunderrailwaylines[a].japaneserailwayengineering,1987，4（26）：6-95coller,philipj.,abbott,davidg.microtunnelingtechniquestoformaninsitubarrieraroundexistingstructures[a].in:highlevelradioactivewastem