管幕内顶进箱涵上部钢管幕变形探究

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1、管幕内顶进箱涵上部钢管幕变形探究　　摘要：根据在管幕内顶进大断面箱涵的施工原理，分析了箱涵顶进过程中土体的卸荷区域及管幕的承载作用。由于箱涵开挖面前方土体松动，管幕下方形成卸荷区，该区域上部土压力直接由钢管幕承担。根据力学平衡条件，取箱涵前方土体松动的最不利情况对钢管幕进行分段研究；再根据该区域钢管幕的不同受力状态，分别按照弹性力学中两端固定梁及弹性地基梁两种模型进行分析，并分别推导出在箱涵正常顶进过程中及临近贯通时管幕最大竖向变形计算公式。最后，根据实例对公式进行验证，验算结果表明该公式计算过程正确合理。关键词：箱涵；

2、管幕；弹性地基梁；变形；计算公式中图分类号：TU94；文献标志码：A1引言管幕内顶进箱涵是新型的建造地下空间暗挖技术，可以用于地质条件差的砂性土或软粘土地区，特别适合于地表沉降控制要求高的城区地下暗挖枢纽工程[1]。该方法的显著特点是具有一定刚度的管幕支撑上部土体，提高开挖掌子面的稳定性，能有效减小地表沉降。8上海市中环线虹许路北虹路下立交工程设计采用管幕(口字型)内顶进箱涵的施工方法，这是我国第一次引进管幕法工艺施工的工程，也是世界上在饱和含水软土地层中施工的横断面最大的管幕法工程[2]。肖世国等人就该工程背景进行了诸

3、多相关研究。比如：对管幕内箱涵前端网格内壁土压力的分布情况进行了研究，为箱涵顶进过程中个结构的受力分析打下了重要基础[3]。基于上述研究成果，肖世国进行了管幕内顶进箱涵的前端网格长度的设计研究，最终在保证管幕允许竖向位移的情况下，根据作用在箱涵网格上土压力的分布情况，提出了设计合理网格长度的计算方法[4]。另外，在顶部管幕竖向变形预测的研究中得出结论认为箱涵施工顶进中，上部管幕的竖向变形主要来自两个方面的荷载作用：一方面是箱涵前端土体向前的滑动，另一方面是注浆压力顶推上部钢管幕，最终得出可以预测上部钢管隆起变形值的计算方

4、法[5]。朱合华等人从土力学的基本原理出发，利用箱涵网格内土体稳定时摩擦力与土压力的相互关系建立平衡微分方程，并由该方程推导出其他指数方程，最终计算得到维持开挖掌子面的工具管网格临界长度，并建立起网格几何尺寸之间的定量关系[6]。8然而，在箱涵整个顶进过程中为有效控制地表沉降，应预测并严格控制钢管幕的竖向变形。本文以管幕内顶进矩形箱涵为背景，推导出箱涵顶进过程中，管幕在最不利情况下的竖向变形公式；该研究成果可以为类似工程钢管幕的设计及优化提供参考及理论基础。2背景工程及基本假定本文以上海市中环线虹许路北虹路下立交工程为背

5、景。该工程的箱涵采用矩形双孔钢筋混凝土结构,为双向八车道，钢管幕由钢管组成，钢管通过锁口连接形成“口”字形[15]。结构具体参数由未知数代替，管幕及箱涵结构如图1、图2所示。图1土体及支护结构横剖面示意图图2土体及支护结构纵剖面示意图3受力及位移分析在实际箱涵顶进法施工中，在进行箱涵顶进之前，首先将钢管幕打入预定的地层，并且将管幕两端固定在工作井壁的地下连续墙上面；随后在上部管幕的保护下将箱涵以比较缓慢的速度顶进，并挖出掌子面的多余土体。在箱涵的顶进过程中上部土体的沉降与钢管竖向位移协调变形，土压力与管幕结构处于静力平衡

6、状态。因此，取出最不利状态进行位移及受力分析，并推导出在规定允许的沉降位移内最大钢管布置间距，最终达到安全、经济的目的。8根据管幕的设计特点，为了防止渗水、流土，钢管之间采用横向锁口连接，但是钢管的抗弯刚度远远大于锁口的抗弯刚度，因此假定锁口不参与受力，上方土压力主要由相邻钢管承担。将任一钢管作为研究对象，分析其上部土压力作用下的受力及位移，本文暂不计地表活荷载对管幕受力的影响。如图3所示，在箱涵顶进过程中，最不利情况为：段下部土体松动并与管幕脱空，上部土压力全部由管幕承担。根据管幕受力情况及变形机理，可将段钢管看着是受

7、均布荷载作用下的两端固定梁；及看着是端部受集中荷载作用下的弹性地基梁。钢管最大挠度应为两端固支梁最大挠度与弹性地基梁端部挠度之和。图3箱涵上方土体及管幕示意图由图1及图2可以看出，上部管幕承担的土体总重应为两滑移面所包围的梯形部分土体自重与滑移面剪切阻力的差值。按照摩尔-库仑强度准则，按最不利情况假设滑动面竖直方向夹角为：；其中为土体内摩擦角。如图所示横剖面梯形面积为：(1)另外，同样根据摩尔-库仑强度准则取最不利情况进行计算。由图3可以看出，箱涵前端管幕下卸荷部分土体的长度为：(2)由式（1）、（2）可以得管幕上部土体

8、自重为：(3)其中为上覆土体重度，其余参数含义如图1、图2及图3所示。8上部土体发生松动产生滑移时，受到滑动面的剪切阻力。其中，剪切面上任意点的剪切力为：(4)其中：(5)式中，、分别为一点处主应力，为土体粘聚力。因此，由式（3）~（5）可得管幕承担上部荷载合力为：(6)取一根钢管作为研究对象，因此可以将总压力平均分