利用小口径顶管机建造大断面地下空间一种新手段管幕工法.docVIP

　 摘 要 在简述管幕工法原理的基础上，总结管幕工法的特点和适用范围，重点对管幕工法的设计和施工要点进行了论述，提出管幕设计的方法和技术难点，最后，结合上海正在实施的管幕工程，阐述我国软土地区应用管幕工法的意义和可行性。 关键词 地下空间 隧道 暗挖技术 设计 顶管机 管幕法 1 引 言 随着城市化的进程不断加快，有限的城市空间与不断膨胀的人口数量的矛盾日益突出，地面建筑物及地下管线越来越密集，地下空间资源越来越紧张。因此，开发和利用城市地下空间成为当今世界各大城市一致的发展要求。然而，在城市市区采用明挖法建造隧道会对城市正常生活造成严重干扰，为了减少对周围环境的干扰，在诸如上海、北京等大城市，多采用盾构法进行掘进施工。对于大断面、短距离的公路隧道(如双向八车道)而言，采用盾构法施工显然是不经济的，因此，对于一些不可能采用明挖施工、采用盾构法又不可行的特殊隧道，可以采用一种新的施工方法——管幕工法。 2 管幕工法概述管幕工法系以单管顶进为基础，各单管间依靠锁口在钢管侧面相接形成管排，并在锁口空隙注入止水剂以达到止水要求，管捧顶进完成后，形成管幕，如图1所示。然后对管幕内土体进行加固处理，随后在内部边开挖边支撑，直至管幕段开挖贯通，再浇筑结构体。根据内部结构断面形状及土质条件，管幕可以为各种形状，包括半圆型、圆型、门字型、口字型等。管幕由相对刚性的钢管形成临时挡土结构，减少开挖时对邻近土体的扰动并相应减少周围土体的变形，达到开挖时不影响地面活动，并维持上部建(构)筑物与管线正常使用功能的目的。 图1 管幕完成后全景 管幕工法作为利用小口径顶管机建造大断面地下空间的施工技术，国外已有20年的发展历程，在 日本、美国、新加坡和中国台湾等应用于穿越道路、铁路、结构物、机场等，都取得了不错的效果，见表1，积累了一定的施工经验。在我国，目前尚未见有相关工程实例报道。 表1 管幕工法应用实例 3 管幕工法的特点与适用范围 作为一种地下通道的暗挖施工工法，管幕法具有其独特的特点，因此，在采用管幕法之前，首先应根据工程的具体情况，从技术、经济等方面进行可行性分析研究。归纳起来，管幕工法具有以下特点： (1)不影响地面的正常交通，地面道路不用改道； (2)无需进行道路改建，即不需开挖道路和重新铺设路面； (3)无需进行管线改接(指地面下5m以内的各种管线的移位、复位等)，从而不发生断电、断水、断煤气等影响市民生活的情况； (4)无需抽取地下水(井点降水)，故地面沉降较 (5)无需加固房屋地基和桩基； (6)施工时无噪声、无振动，可以24小时连续施工； (7)管幕钢管锁口注浆后可有效地防止渗漏水； (8)使用小型顶管机进行施工，要求顶管机具有较高的顶进精度和顶进速度； (9)埋人的钢管不能回收，成本相对较高； 该工法适用范围较广，从国外已有的工程实例看，管幕工法适用于回填土、砂土、粘土、岩层等各种地层，具有广阔的应用前景。 4 管幕工法设计 管幕设计主要根据隧道结构体的形状、尺寸、覆土深度及地质等条件，选择适当的钢管直径、管壁厚度、锁口类型与尺寸进行管幕配置。再根据管幕配置和环境保护条件计算确定开挖时临时支撑的形式和尺寸、开挖顺序并验算开挖面的稳定性、管幕内土体加固的必要性及其加固指标等，以满足工程安全性与经济性的要求。 管幕工法设计计算是以管幕的变形为主要设计依据，日本工法以变形量[δ]=5mm为设计标准[1，2]。工程实践表明，通常情况下，管幕变形量小于5mm时，地表沉降可控制在20mm以内。 管幕设计包括钢管的配置、支撑布置、开挖顺序、开挖边坡稳定性评价，、地表沉降分析与控制、土体加固设计等内容。 4．1 钢管配置 钢管配置设计取管幕施工过程中最不利工况组合，采用有限元方法进行计算，考虑双向开挖时，取以下两种工况进行计算： 工况一：双向开挖至最后—个开挖阶段，两端均已支撑完成，此时最后两道支撑间的最大间距为最大，如图2所示。 图2 工况一计算模式 工况二：开挖内部土体过程中，管幕一端土体己开挖，另一端仍未挖除，此时，开挖面处离最近一道支撑间距达最大值，如图3所示。 图3 工况二计算模式 根据不同工况计算结果，确定钢管的直径、管壁厚度等。 4．2 管幕内开挖支撑 图4为管幕内支撑布置示意图，管幕内开挖临时支撑系统的主要构件包含支撑、角撑及围檩。一般而言，管幕内隧道开挖后，临时支撑系统即承受开挖外侧之水土压力，临时支撑系统的设计关系整个开挖工程之安全，因此，设计时需对支撑、角撑和