浅埋管幕预筑法钢管顶进与连通关键技术研究

作     者：马文青 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱筱俊

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 081403[工学-市政工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：管幕预筑法 超浅埋顶管 密排平行顶管 地表变形 钢管切割 

摘      要：随着地下空间的不断发展,实际工程中施工限制因素逐渐增多,施工工况愈发复杂,以往的施工方法并不能适应现在地下空间的发展。管幕预筑法作为一种新型施工方法,较其他施工方法而言具有地层适用性广、可建造的空间跨度大等优点,能适应限制条件较多的复杂工况。然而目前管幕预筑法的研究主要停留在工程应用阶段,数值模拟及地表变形计算方法尚未成熟。本文以大校场机场站南侧机场跑道下方地下空间开发项目为背景,根据本工程结构覆土浅、地表跑道为保护文物禁止开挖、地表变形控制条件严苛等工程特点选择管幕预筑法进行施工,结合工程实际,通过数值模拟及理论分析等手段对上覆机场跑道超浅埋工况下管幕预筑法中几个关键工序:单根钢管顶进、密排大直径钢管平行顶进、管间切割及连通以及管幕内顶板混凝土浇筑作业进行研究,分析上述工序引起的地表变形及结构内力的变化规律,主要研究内容和成果包括以下几个方面:(1)建立简化的单根钢管顶进有限元模型,对上覆机场跑道超浅埋工况下单管顶进过程进行研究。结果表明:单根钢管顶进引起顶进段轴线上方地表发生沉降变形,地表沉降横向影响范围为10D,纵向影响范围为8D,影响范围较其他工况更大;随顶进距离的增加,地表沉降最大值增大,钢管竖向收敛变形和钢管弯矩极值先增大后稳定。(2)利用有限元软件分析了单根钢管顶进时注浆参数、埋置深度等参数对地表变形的影响。结果表明:钢管顶进时同步注浆可以有效控制地表沉降,对比分析结果显示,注浆材料弹性模量取0.5MPa时地表沉降控制效果最好;地表沉降最大值随土体损失率和埋置深度的增大而逐渐增大。(3)基于土拱效应理论,得到合理拱轴线模型,考虑拱脚和拱顶强度控制条件,提出大直径平行顶管管间最优间距的计算公式,并结合工程实际情况对工程中顶管间距进行优化设计。结果表明:本工况利用土拱效应优化管间间距时,顶管埋深需大于4m。(4)通过有限元软件对上覆机场跑道超浅埋工况下大直径密排平行顶管顶进过程进行研究,分析了钢管间距和顶进顺序对地表变形的影响。结果表明:大直径密排平行顶管顶进完成时地表变形分布规律与顶进顺序有关,间隔顶进为最优工况;顶管完成时地表沉降随管间间距增大而增大。(5)基于温克勒地基梁模型与peck沉降理论,将土体上方混凝土跑道层简化为搁置在土体上的弹性地基梁,将不考虑跑道时的板底土体沉降等效为作用在地基梁上的分布荷载,提出该工况下钢管顶进引起的地表变形计算公式;对超浅埋工况下管间间距进行分类,并提出不同间距下平行顶管引起的地表变形的计算公式,并将公式计算结果与有限元模拟计算结果进行比对。结果表明,提出的公式可较好地计算该工况下单根顶管、平行顶管引起的地表变形。(6)建立两根钢管之间切割及连通模型,以纵向切割顺序、支撑纵向间距以及单次切割长度为参数,研究上述参数对结构受力及地表变形的影响规律。结果表明:管间切割及连通作业对地表变形及钢管竖向收敛变形影响较小,实际施工时管间单次循环切割长度不宜过大。建立简化后的钢管群间切割连通模型,分析管间切割顺序对地表变形的影响。结果表明:间隔切割引起的地表变形最稳定。(7)通过有限元软件建立管幕内顶板混凝土浇筑模型,分析顶板混凝土浇筑作业引起的地表变形;提出通过注浆的方式加固土体来控制地表变形,并分析加固深度对地表变形控制效果的影响。结果表明:顶板混凝土浇筑作业会引起较大的地表沉降;注浆加固后土体与注浆体形成复合受力体系,地表变形最大值随着加固深度增大先减小后稳定。本文通过数值模拟及理论分析等手段对上覆机场跑道超浅埋工况下的管幕预筑法中单根钢管顶进、密排大直径平行顶管、管间切割及连通以及管幕内顶板混凝土浇筑作业进行研究,弥补了现有研究的不足,为管幕预筑法的实际工程应用提供了参考和建议,为类似工程的推广应用奠定了基础。