管棚在下穿铁路立交桥工程中的应用与分析.pdf

・隧道／地下工程・管棚在下穿铁路豆交桥工程中的应用与分析陈勇军（中铁二十四局集团有限公司上海２０１８０５）摘要以南昌洛阳路下穿铁路立交桥工程为背景，介绍了管棚的超前支护作用和管棚合理间距确定方法：采用弹性地基梁理论，建立分析模型，系统地研究了管棚的力学作用：研究认为：在管棚的支护作用下，可以有效防止对周围土体的扰动影响，快速、安全地完成箱涵顶进施工＝关键词管棚支护弹性地基梁下穿铁路箱涵顶进中图分类号ｕ４４９．５２文献标识码Ｂ文章编号——１００９４５３９（２０１４）增ｌ一０２４９０４１工程概况洛阳路下穿框架桥工程位于南昌市火车站北端，穿越南昌火车站既有１６股道，下穿施工区域有道岔４组，４个站台：框架桥中心线与京九铁路上’行线法线斜交２。４６，交点里程为京九线Ｋ１４４４＋４０３．２。框架桥全长１６２．２４ｍ，全宽２７．２５ｍ，总高度８．３ｍ，其中需顶进的框架桥为１１５ｍ，覆土１．ｏ～１．５ｍ。由于需穿越站场道岔区和站台，无法架设便梁顶进施工，因此采用了管棚支护盾构中继间法顶进箱形桥施工技术。线路支护采用口子形管棚超前支护体系结合盾构梁与子盾构切土推进系统，将明挖开槽顶进改为地下暗挖推进箱涵，有利于沉降控制，减低了施工对行车的影响。在首节顶进箱前端安装盾构结构，利用子盾构切土５０ｃｍ，随后开挖盾构下５０ｃｍ范围内土体，逐节中继问推进箱涵，直至全部框架顶进就位：该工程所穿地层为第四系土层，自上而下分别为：……杂填土、黏土、粉质黏土、粉砂、中砂、砾砂、园砾，框架基底位于中砂层。框架桥底标高＋１２．５ｍ，地下水稳定水位标高在＋１０．３８～＋１２．２０ｍ之间。２管棚超前支护体系在箱涵上方按３２ｃｍ间距，沿框架桥顶进轴线方向将巾２７３×１０的钢管水平铺设在土体里，使箱涵同上覆土体隔开，以保证箱涵顶进的顺利进行。在框架桥两侧与底部滑道采用由９７０×１４钢管，间距１．８ｍ，每侧４根，底部滑轨６根。管棚内均灌筑Ｍ３０水泥浆加强刚度。在管棚的进出口位置设置钢筋混凝土门框架。另外在各线问及站台处设置钢筋混凝土横向连系梁，把顶部管棚连接成整体。框架桥顶进时采用东西两侧对顶施工，在二站台处设置湿接缝连接。以西箱顶进为例说明管棚的具体布置，见图１。顶部书２７３管棚选用ＦＤＰ一２８水平“”定向钻机，采取一次性跟管钻进工法施工。两侧和底部由９７０管棚选用ＤＨ一８００型顶管机，采取泥水平衡顶管工法施工：３管棚支护作用分析由于有了大刚度管棚的保护，箱涵顶进时采用全断面开挖，开挖面按ｌ：０．５放坡，每次进尺０．５ｍ，箱涵随之顶进０．５ｍ。这样就形成一个循环，西面箱涵顶进共计３６个循环。如此循环至箱涵就位。那么这种施工方法是否安全，需要验算以下内容：在０．５ｍ开挖进尺内管棚的强度是否满足要求，地层或地表的沉降是否满足要求。——收稿日期：２０１４０３１７铁道建筑技术ＲＡ『ＬｗＡｙＣＯ～Ｓ丁开ＵＣ丁ｆＯ～丁ＥＣＨ～ＯＬＯＧｙ２０１４ｆ增ＴＪ２４９万方数据・隧道／地下工程・遣溃Ｉｎ卜、譬仝一站台壹１Ｉ１ｆ｝．量二站台。．｝斗勺ｒｌｄ勺ｒ１爿一。，，｝．．．．，№２７３顶部管棚挖孔桩‘。心／西面顶进箱湿接缝／．１８００ｂ．纵断面图１管棚支护（单位：ｃｍ）３．１基本假定文献［１］结合隧道与地下工程实例论述了管棚和格栅支护体系的棚架原理，提出了管棚的设计计算方法；文献［２］结合首都国际机场滑行道下箱涵顶进施工，分析了箱涵顶进施工中的管棚力学作用机理。在此基础上结合下穿铁路箱涵顶进施工的特点，对箱涵顶部管棚建立纵向的平面简化模型进行计算，并有如下假定：（１）箱涵以较慢的速度顶进并开挖土体过程中，箱涵前端处于主动土压力状态或者超挖情况。超挖范围内管棚上方的土体在管棚的支护下保持稳定，并认为管棚间距足够小，土体不会挤出管棚，因而不计管棚上覆土体损失。（２）假定箱涵上部钢管下面的土体满足Ｗｉｎｋ－ｌｅｒ条件，即将钢管视为置于ｗｉｎｋｌｅｒ地基上的弹性地基梁。（３）假定每根钢管承受自身范围内的竖向荷载，即荷载均匀分布于每根钢管。由于箱涵上覆土较薄，竖向荷载取为箱涵顶上全部土柱重量，并考虑列车活载产生的竖向压力和施工荷载。（４）管棚将开挖区释放的荷载通过自身的梁效应传递到顶进的框架结构和工作面前方的土体中。框架结构支护刚度的计算方法是选取纵向单位长２５０铁道建筑技术度的横向框架截面，在中孔跨中施加竖向单位荷载，计算支护结构的竖向变形，从而计算出支护结构的刚度。（５）管棚端部固定在门框架上，考虑门框架可承受的弯矩有限，按固定铰支座考虑。（６）管棚计算时忽略框架前端盾构梁的支护作用，将其作为顶进时遇到大块混凝土障碍物清理时的安全储备。选择埋深１．５ｍ（最大）的位置，横向框架中孔跨中的一根管棚进行计算，取２个工况：工况１，开挖完第５段土体，钢管一端支承于门框架上，另一端支承于开挖面前方土体的连续弹性地基梁，悬空段共计４．５ｍ。工况２，开挖完第２１段土体，钢管一端支承于顶进框架结构上的，另一端支承于开挖面前方土体的连续弹性地基梁，悬空段共计４．５ｍ。３．２工况１计算（１）计算模型（见图２）＾笪Ｑ＾墨ｌｌ５５Ｑ』图２工况１计算模型（单位：ｃｍ）（２）计算参数箱涵顶上全部土柱压力为２８．５ｋＰａ，按《铁路桥涵设计基本规范》４．３．４条计算得箱顶列车竖向活载作用为４１．２５ｋＰａ，竖向主动荷载组合值为１．２×２８．５＋１．４×４１．２５＝９２．０ｋＰａ。钢管所承担的荷载宽度为０．３２ｍ，因此钢管上的线载为２９．４ｋＮ／ｍ。土的基床系数取为３００００ｋＰａ／ｍ，则未开挖区的弹簧刚度Ｋ．＝３００００×０．３２×１＝９６００ｋＮ／ｍ。钢管内注Ｍ３０水泥浆，按钢管一砼组合截面考虑，砼刚度折减系数取为Ｏ．８。（３）管棚内力与变形计算在以上认识和假设条件的基础上，采用Ｗｉｎｋｌｅｒ地基上的弹性地基梁理论及杆系有限元方法，来计算顶进施工过程中管棚的内力和位移。计算结果如图３所示。（４）管棚强度验算按照《钢管混凝土结构技术规程》（ＤＢＪ—１３５１ＲＡｌＬｌ～ＡＹｃＯＮｓＴＲＵＣＴ｜ｏＮＴＥｃＨＮｏＬＯＧＹ２０１４Ｉ增１｛万方数据・隧道／地下工程・一２０１０）５．３．１条计算得注浆管棚的抗弯承载力Ｍ。＝１４４．３ｋＮ・ｍ，由５．４．１条计算得注浆管棚的抗剪承载力ｙ。＝３３０４．４ｋＮ。。觋嘧秘掣严ａ．弯矩（单位：ｋＮ・ｍ）ｂ．剪力（单位：ｋＮ）ｃ．竖向位移（单位：ｍｍ）图３工况１管棚受力结果根据以上计算管棚最大弯矩Ｍ＝６８．４ｋＮ・ｍ＜Ｍ。．＝１４４．３ｋＮ・ｍ，管棚最大剪力ｙ＝６８．８ｋＮ＜Ｋ＝３３０４．４ｋＮ，因此管棚抗弯和抗剪强度均满足要求。（５）管棚变形验算根据铁路部门的控制要求，要求轨面沉降不超过２０ｍｍ。以上计算得管棚的最大挠度／＝１０．２２ｍｍ，小于允许值，满足要求。３．３工况２计算（１）计算模型（见图４）顸进框架支护区开学区未开挖区Ⅱ．皿．Ｉ８ＱＱ：＾箜！＾２５Ｑ＾图４工况２计算模型（单位：ｃｍ）（２）计算参数仅需计算框架支护结构刚度憋，其他参数与工况１相同。选取纵向单位长度的横向框架截面，在中孑Ｌ跨中施加竖向单位荷载Ｐ，计算支护结构的竖向变形５，从而计算出支护结构刚度心＝Ｐ／Ｉｓ。支护结构的变形计算采用荷载一结构模型平面杆系有限元法，将结构离散为足够多的等厚直杆梁，用布置与各节点上的法向只受压弹簧来模拟土体与结构的相互约束。按此计算得如＝３９４００ｋＮ／ｍ。（３）管棚内力与变形计算采用Ｗｉｎｋｌｅｒ地基上的弹性地基梁理论及杆系有限元方法计算，计算结果如图５所示。铁道建筑技术ＲＡ『ＬｗＡｙＣＯ～Ｓ丁开ＵＣ丁ｆＯ～丁￡－ｃＨ～０ＬＯＧｙａ．弯矩（单位：ｋＮ・ｍ）ｂ．剪力（单位：ｋＮ）、：靳ｑ．２１ｃ．竖向位移（单位：ｍｍ）图５工况２管棚受力结果（４）管棚强度验算根据以上计算管棚最大弯矩Ｍ＝５０．９ｋＮ・ｍ＜肘。＝１４４．３ｋＮ・ｍ，管棚最大剪力矿＝７３．１ｋＮ＜Ｋ＝３３０４．４ｋＮ，因此管棚抗弯和抗剪强度均满足要求。（５）管棚变形验算以上计算得管棚的最大挠度，＝８．４７ｍｍ，小于允许值２０ｍｍ，满足要求。３．４监控量测顶进施工过程中通过在线路内布置的电水平尺，在室内利用数据采集器和电脑就能对铁路轨道沉降进行２４ｈ实时监测，可以方便各方及时了解框架桥顶进过程中线路的变化情况，以更好地指导施工，确保铁路运营的绝对安全。西面箱体顶进过程中测得轨面的最大沉降为７ｍｍ，实测数据与理论计算值较为接近。４管棚合理间距确定４．１管棚间距计算公式本框架桥两侧各打设一组由９７０管棚，以保证箱涵顶进开挖时箱体两侧土体稳定。管棚间距大小是工程关心的主要问题之一：间距过小则会造成工程投资浪费，也给施工带来较大的困难；当管棚“间距相对合适时，依靠管棚间土体形成的微拱作”“用，土体不至于滑出；而随着管棚间距增大，微拱”效应不断减弱，一旦当管棚间距大于某一个值时，土体将从管棚间挤出或者绕着管棚滑动，管棚无法再起到有效的挡土作用。因此，选择合理的管棚间距将有利于达到充分利用材料性能，并节省造价。由文献［３］微拱模型分析得：２压ｄｔａｎ（手＋孚）（ｔａｎｄ＋肛）…≤——２一可亡石；万一（１）’２０４ｆ增ＴＪ２５１万方数据・隧道／地下工程・其中一群盏则管棚最大容许间距：…ｆ。。、＝ｍ：ｎ（ｆ。。．，Ｚ：）（３）“在式（１）～式（３）中：为土体与管棚的摩擦系数，当缺乏实验数据时可近似取肛＝ｔａｎ（ｊｂ；咖为土体摩擦角，ｃ为土层的黏聚力；ｑ为管棚所受土压力；ｄ为管棚的直径。取最下层两根管棚间距中点处的土压力进行管棚最大间距计算。土体容重７＝１９ｋＮ／ｍ３，土层总厚度日＝８．４ｍ，咖＝１８。，ｃ＝５２ｋＰａ。土压力按静止土压力计算，ｑｌ＝研Ｈ＝０．５×１９×８．４＝７９．８ｋＰａ。列车活载引起的水平土压力Ｐ＝翔ｈ＝０．３×１６５／（２．５＋８．４）＝４．５ｋＰａ。因此，ｑ＝７９．８＋４．５＝８４．３ｋＰａ。管棚直径ｄ＝０．９７ｍ；土体与管棚之间的摩擦系数肛＝０．３２；分别将参数代人式（１）和式（２），可以求得Ｚ。删＝４．５２∞ｍ，ｚ。＝２．０ｒ７ｍ，即最大容许距离为ｆ。。。＝２．０７ｍ。本工程中采用的管棚间距为１．８ｍ，与计算结果相近，工程实践表明箱体两侧土体稳定性及地面线路变形都得到较好的控制，故所选用的管棚问距是合理的。４．２管棚间距影响因素分析由式（１）和式（２）可知管棚间距影响因素主要有土层性质、土层与管棚摩擦系数、管棚直径以及土压荷载有关。以ｚ。。＝ｆ。垃为例，分析各种因素对管棚最大容许间距的影响。分别取管棚直径ｄ＝０．９７ｍ、黏聚力ｃ＝５２ｋＰａ、摩擦角咖＝１８。、肛＝０．３２、ｇ＝８４．３ｋＰａ，在其它因素不变的条件下，分析各个参数的变化对管棚最大容许间距的影响，如图６。由图６ａ、６ｂ可见，管棚容许间距随着管棚直径和黏聚力的增加而不断增大，且都呈线形关系；由图６ｃ知，管棚容许间距随着摩擦角的增加而不断增大，且图中管棚容许间距与摩擦角的关系曲线向上弯起，表明随着摩擦角的不断增大，它对间距的影…响越来越敏感；由图６ｄ知，管棚容许间距Ｚ与摩擦系数肛值也成正比关系，但是曲线逐渐趋向缓和，这说明随着摩擦系数值的增大，它对管棚间距的敏感性影响逐渐降低。以上结果表明，增大摩擦角、管棚直径和土体的黏聚力有利于管棚周围土体形成２５２铁道建筑技术微拱作用。ｌｚ）２魁ｌ妻，舶暴舡目昌Ｉ盈皑星出礴晕啦粘聚力ｃ／ｌ【Ｐａ摩擦角西／ｏ摩擦系数口ｃ．与摩擦角西关系ｄ．与摩擦系凯关系图６管棚容许间距１。。。与各影响因素关系５结论通过以上对管棚的研究，可以得出以下结论：（１）以弹性地基梁理论为基础，建立了顶部管棚在箱涵顶进开挖过程中的力学计算模型，计算结果表明管棚对下穿铁路顶进施工的支撑加固效果非常明显，能有效控制地面变形，是实现顶进箱涵微扰动施工的必不可少的辅助手段。（２）采用荷载一结构方法和弹性地基梁模型对管棚进行理论分析的方法是可行的。这种分析方法对管棚施工方案的确定和开挖阶段沉降的预估具有现实意义。“”（３）通过分析管棚与土体之间的微土拱效应建立的管棚容许间距计算公式，在本工程的应用进一步证明了其合理性。（４）经过本工程实践，管棚支护达到了预期目的，保证了工程的顺利进行，并为顶进箱涵提供了良好的条件，其作为一种超前支护形式在下穿铁路工程中将得到越来越多的应用。参考文献［１］周顺华，董新平．管棚工法的计算原理及其应用［Ｍ］．上海：同济大学出版社，２００７．［２］陈佑新．箱涵顶进施工中管棚力学机理分析［Ｊ］．铁道—建筑技术，２００７（ｓ１）：５７６０．［３］徐明星．浅埋大断面管棚一箱涵法关键技术研究［Ｄ］．上海：同济大学，２００８．ＲＡ儿¨，ＡｙＣＯ～Ｓ丁开ＵＣ丁『Ｏ～丁ＥｃＨ～０￡－０Ｇｙ２Ｄ７４ｆ增７Ｊ里万方数据