浅埋隧道的设计与施工特性研究—以马来西亚的PLUS南北公路为例--论文翻译.docx

武汉科技大学本科毕业论文外文翻译Challenging features in design and execution of a low overburden underpass - A case history from Malaysia: PLUS North-South HighwayR.R.Osgoui , A. Poli , M. Pescara TA-AITES World Tunnel CongressUnderground spaces in the service of a sustainable society and the 37th ITA-AITES General Assembly20-26 May, 2011, Helsinki, Finland浅埋隧道的设计与施工特性研究以马来西亚的PLUS南北公路为例R.R.Osgoui , A.保利 , M.派斯卡 ITA-AITES世界隧道大会为可持续发展社会服务的地下空间和第37届ITA-AITES大会2011年5月20日至26日，芬兰赫尔辛基浅埋隧道的设计与施工特性研究以马来西亚的PLUS南北公路为例R.R.Osgoui , A. 保利 , M. 派斯卡 , Geodata Engineering SpA. 意大利摘要：近年来，地下和地面结构之间的相互作用问题迅速增加，特别是在城市地区。本文通过管幕法（管屋顶）处理浅埋隧到的设计和施工，以保证面部的稳定性，尽量减少表面沉降和避免交通限制。案例正在马来西亚PLUS南北高速公路项目中建设，位于巴东贝萨与怡保之间的新电气双轨隧道。管幕法是通过微型挖掘实现的管顶技术实现的，所以重点关注屋顶管拱设计的主要方面和施工难点，具有3-5米厚度残留土层的Berapit双轨隧道的长度为70米，每个隧道由一系列直径为780毫米的钢管预支撑。从操作的角度来看，管拱技术的实施涉及到诸多困难和风险，包括地面条件差，覆盖困难，几何结构复杂，现有结构的存在，施工质量以及复杂工作中的不确定性等。关键技术，主要程序和相关困难在下文中详细说明。通过现场观察数据对该方法的机理和结果进行了检验。关键词：地下通道 钢屋顶管拱法 预支撑法 管顶技术 微型隧道 沉降 PLUS高速公路1、工程概述挖掘浅埋隧道，可以使用隧道顶升法，切割和覆盖法，表面开采与地面开挖相结合法等适当的技术。 采用这些方法进行施工，会受到一些要求限制，特别是对于主干道或高速公路，是不能停止工作的。 在这种情况下，唯一可能的解决方案是对预支撑技术（钢管幕）和隧道面或入口（玻璃纤维元件）的地面加以改进后再进行开采。 一般来说，管幕法是通过将钢管插入前进面而制成预支撑的技术，如图1所示。在隧道的顶部纵向安装一些大型钢管或混凝土管时，可通过微型挖掘技术（顶管）进行挖掘。 根据地面条件，这种技术可以通过微管道钢管的管屋顶实现。 考虑到结构作用，它是一种在隧道开挖方向纵向梁作用的预支撑系统2。在隧道上方安装的钢管相互连接，形成屋顶状结构，称为管道屋顶。 这些互锁的空间被具有刚性和防腐性的混凝土所密封。 为了提高管顶的强度，将混凝土注入中空管内。随着开挖的进行，形成了通过管顶的纵向梁支撑上覆载荷的机构。此外，地面损失控制是开挖地下通道的最重要的问题，地面变形是一个主要问题，因为如果不受控制，将会导致地面沉降的积累。 要尽量减少地面沉降，首先要削减地面损失。 这可以通过利用恒定面压力的微型焊接管屋顶技术来实现。 此外，这种技术还保证了前进面的纵向跨度的稳定性，并且减小了软土地面中的主支撑件上的载荷。Microtunnelling允许较大的钢管惯性，其定向挖掘允许的能力也可以长时间穿透而不偏离理想轴，因此，尽管相当昂贵，但是微型挖掘技术的应用也在不断增加1。图 1钢管屋顶法1.1、管幕法的发展情况由于管幕法被划分为所谓的管式方法，因此简要回顾了该方法的创新和过去经验。 管幕法的发明和成功应用首先在意大利和日本。 隧道在恶劣的地面条件下，或者如果在隧道顶部上方有浅层地面，则需要在面前加强岩石或土体。 管幕法是一种地面加固技术，其中在开始挖掘之前放置隧道段的全部或部分支撑。 管幕法通常在以下条件下使用2：（1）隧道以上有浅层覆盖层的存在，（2）需要限制地面沉降，（3）地面条件恶劣。许多研究人员研究隧道面稳定性与城市浅层隧道地表沉降相关的问题。 在土壤地面条件下，采用纵向玻璃纤维管道灌注到地面时，需要采用预先加固的核心，在需要控制面部稳定性的地面条件下开挖隧道3， 4，5。 这种技术通常与预先切割的技术，钢管幕（管顶）或喷射灌浆拱结合，可以进行头部和台面或全面开挖。管幕法的成功应用之一是在意大利米兰建造的大型地下威尼斯火车站，宽度有22.8米，而覆盖层仅有4米6。TanRanjith 7通过使用2-D有限差分法（FLAC2D）研究了管屋顶幕对隧道腔收敛，面变形和表面沉降的影响。 这种分析结果表明，由钢管形成的隧道屋顶对隧道诱发位移提供了抑制作用，有助于减少隧道变形和相应的地表沉降。直接在地面上方的地面沉降可以减少所产生的沉降物的40-50，而不需要任何管道加固。森田等8已经在日本的五个不同的项目中采用浆体屏蔽微TBM的管幕应用。其中一例，他们使用有限元法对大洞穴顶部的钢管屋顶进行了建模。与实际工况相比，考虑到每个管道的土壤条件，顶推力，顶升速度以及每个管道屋顶开挖后的最大表面沉降情况。Ahuja和Sterling 9通过使用FLAC3D的3-D有限差分法研究了微型隧道辅助管道屋面。对每个管道屋顶的挖掘和安装造成的地面损耗进行了建模和分析。在三维建模中考虑了模型设置，管道屋顶安装和隧道掘进的顺序。最近，Poli等人1将地下通道的解决方案与风险管理方法相结合，包括设计，连续监测和施工跟踪。这种全面的方法已被证明在成功的通行证解决方案中最有效。这些情况表明，在困难的地面条件下进行隧道掘进的管幕技术已经成为隧道工程成功的关键部分。2、地质力学条件建成高速公路隧道的地面是土层和岩层之间的混合。 花岗岩基岩预计距离右侧管反射一小段距离，由冲积土壤沉积物和残余土壤层叠，由于风化花岗岩，岩土力学性质差。 在上部的PLUS高速公路上，有一个路堤。 在这个地区，水位一般位于地表附近，保持堤防处于干燥状态。设计中使用的岩土参数见表1。表1数值分析中使用的岩土参数3、PLUS南北高速公路隧道Brapit 双孔隧道的总长度为2900m，单孔面积为50-60，在具有不同程度的风化和压裂的花岗岩介质中进行挖掘。上覆层在110米到220米之间变化。 在这条双层钻孔隧道236.6km处应在残余土壤和花岗岩床岩内的PLUS高速公路下通过。 地下隧道开挖与液压涵洞相互作用，扩大了工作问题。 地下隧道和现有结构的布局如图2所示。地下双隧道在土壤中由重型支护段类型分配，如图3所示。图 2地下隧道和现有结构的布局图3 用于地下通道的重支撑段类型4、数值分析由于可用的管幕法分析解决方案不能提供有关地面变形和表面的更详细信息计算，数值模型的使用变得不可避免。 数值分析的主要目的是调查隧道的稳定性，验证隧道支护的充分性，预测塑性区和隧道收敛的程度，最后预测PLUS高速公路的地表沉降，这是主要关注的问题。 为了达到这一目标，使用软件PHASE2 10，采用2维平面应变弹塑性有限元数值模型，其全局视图如图4所示。图4全局视图的数值模型4.1模型定义为了精确模拟双隧道的挖掘步骤，研究每个开挖步骤中地基的应力，位移和塑性变化，所以需要进行多阶段开挖。因此，为了模拟挖掘阶段，共考虑了14个步骤。按照步骤1和2分别与地面和交通负荷的地静位置状况相关联，步骤3至8和9至14分别属于第一和第二隧道的挖掘。分段模型应能够模拟在安装支撑措施之前发生的变形。因此，为了使隧道逐渐收敛，使用等效模数的方法11。隧道边界内的地面区域的初始模量逐渐降低（包含材料），允许隧道会聚，直到支撑措施安装。对应于30的松弛的减小的模量，类似于实现通过玻璃纤维元件的面增强的前进状态。在数值模型中，为了模拟埋在喷浆混凝土层内的钢筋的存在，使用了由Carranza-Torres 12开发的等效梁配方。数值分析中使用的支持措施的特点如表2所示。表2 管幕法和支撑元件在数值模式下使用的特点主要支持（喷浆混凝土+钢丝绳）在放松30后成立。根据Kavvadas公式，该值为30松弛（Pi / P0 = 0.7）与等效模量19.7MPa相关11。 在这种情况下，逐渐挖掘，面部的3-D效应以及所用的玻璃纤维元件的效果是非常好的。 为了减少地面运动，在隧道表面附近注入混凝土，防止隧道向上流动并控制隧道倒置的位移。4.2地面沉降由于地下道路建设的重大关切是尽量减少地面沉降，使所有阶段都应该引起沉降沉降。 第14阶段的总诱导沉降计数器及其横截面分别如图5和图6所示。最大表面沉降获得约6.7 mm，因为PLUS公路的允许沉降定义为adm= 20 mm。 使用这些值可以定义与表面沉降测量相关的注意力和报警极限，如表3所示。为了缓解施工可能造成的高风险，必须遵循基于风险管理方法的组织良好的施工方案。图 5 第14号隧道开挖后的隧道位移和定居点图 6 双隧道开挖引起的横向地表沉降剖面图表3要考虑的注意/报警限值5、实施管拱解决方案采用管道顶压技术，采用泥浆微型掘进方式安装了每套包括277个屋顶管的钢管拱。每根管子直径78厘米，厚10mm，长6米（图7（1）。管拱的左孔在PLUS高速公路上大约59m，右孔约为62.5m。因此，为了完成每个驱动器，一系列6m管道使用插口焊接在一起。为了初始化管道屋顶，建造了一个发射坑，用于每个驱动器的发射泥浆屏蔽和顶升目的（图7（2）。构建了在每个驱动器末端检索浆料屏蔽机的接收坑。为了保持坑的稳定性，在发射和突破的入口处建立了微孔壁。通过海瑞克AG AVN 500型浆液屏蔽机（图7（2）进行管顶。起重机的有效作用力约为3000kN。起重轴尺寸为9m15m，接收轴尺寸为4m15m。图7（1）通过顶管实现屋顶管道（2）在发射坑开始微隧道（3）PLUS高速公路下方的管顶（4）管道损坏5.1管幕法施工中的特性问题5.1.1与液压涵洞相互作用现有的液压双箱涵洞与右隧道相交。 为了允许管道顶升执行，有必要部分拆除现有的涵洞。 为了转移现有涵洞的现有水源，采用微型挖掘技术挖掘了直径为3.0m的三联管。 在拆迁开始之前，为了在拆除涵洞后保留地面，并且安置了临时混凝土结构，以支撑现有的涵洞屋顶和上述公路，进行了侧面固结。图8显示工作顺序排列。图 8关于拆除和改善现有液压涵洞的工作顺序5.1.2管道导向精度使用屋顶管道方法的主要问题是管道布置的方向精度。通过微型挖掘使用管顶方法可以通过控制转向系统来最小化管道放置的偏差。顶起力的偏心或转向错误导致管顶上升的中断，特别是在焊接接头处的管道断裂。由于管道破裂，2010年2月27日上升管道N.6时出现了这样的问题（图7（4）。问题的原因不是立即知道的;然而，在清洗泥浆之后，当切割头和转向部件仍在PLUS高速公路下方时，已经意识到在第二和第三管道之间的焊接接头上管道被破坏。首先意识到管道的拉回是不可能的，另外还有一些解决方案，如：（1）通过磨削两个刀具零件从接收坑中通过稀混凝土填充管道和钻孔; （2）通过打桩开挖挖掘刀具部件的检索是可行的。然而，由于经验，TBM驾驶专家组作为实践解决方案，提供了管道，然后切割头以及立即使用膨润土回填恢复。造成这种问题的主要原因是错误地操控了起重机。6、地面沉降监测在管幕法施工期间，隧道开挖开始前，地面沉降已经通过位于PLUS高速公路上不同位置的几个监测点进行连续测量。为了处理监控数据，采用了基于Web-GIS概念的GDMS（Geodata Management System），并能够对在线信息进行处理。这种监测数据已被证明对于管理施工过程面对可预见的一组异常情况非常有效。图9演示本项目使用的GDMS系统主窗口。通过不同监测点确定的沉降措施表明，PLUS高速公路（监测点M7）中心发生的最大沉降超过了注意限制（14mm），接近20mm，为报警极限（图10）。这种沉降归因于（1）连续钢管之间没有特殊连接夹的操作工作，（2）顶管和回采操作期间管道断裂，（3）盾牌TBM浆料面压不确定等。图 9 用GDMS测量PLUS高速公路的地面沉降图10 监测点M7处测量的最大垂直位移7、总结通过常规挖掘方法建造隧道，无需从表面进行干预，需要将设计方法与施工风险工作相结合。由于隧道设计和施工的普遍复杂性，风险管理计划在很大程度上是不可避免的。这个事实在巴塞隆隧道Padang Rengas门口附近兴建PLUS高速公路隧道中充分证实，涉及：（1）避免对PLUS高速公路上的交通产生干扰；（2）采用顶管技术执行管幕法的解决方；（3）现有液压双箱涵盖部分的拆除改良；（4）在涵洞交叉口设计临时结构；（5）床岩位置的不确定性问题。 与设计阶段相反，PLUS高速公路的表面沉降由于现场作业的缺陷而超过设计值。为了减少与这样复杂工作相关的潜在风险，应采用有效的风险管理办法，并遵循以下项目：（1）设计必须考虑可用数据并考虑所有可能的情况；（2）监测并观测地面行为：在这个情景下，对意想不到的情况的反应时间是至关重要的。监测不仅要频繁（可能是机械化挖掘时通常发生的实时性），而且还可以由有经验的技术人员进行持续的分析和“评估”，这些技术人员能够及时下令采取应对措施；（3）对策：在设计阶段，风险应对措施必须明确；在施工阶段必须采取有经验的技术人员管理现场工作，将总体设计建议转化为有效的详细解决方案。PLUS高速公路的地下通道证明，风险管理方法（选择经验丰富的技术员进行设计，监督和建设跟踪）的总和是有效的，可以应用于今后的其他项目。这种方法的主要优点是可以在非常复杂的系统中发挥其灵活性。这些限制条件，不仅在设计层面上而且在施工中都必须充分考虑，并提出相应的解决措施，从而保证工程项目的安全性。致谢感谢Riccardo Perlo和Davide Agnella提供现场的数据。参考文献1 POLI.A，PERRONE。 L和XU。 “低覆盖层设计与施工”城市地下通道 - 一些例子“，ITA WTC城市和环境安全隧道，布达佩斯（匈牙利），2009年23-28.2 MURAKI，Y.“隧道中的管幕法”.博士硕士论文，麻省理工学院。 1997年.3 CARRIERI，G.，DE DONATI，A.，GRASSO，P.，MAHTAB，A.，AND PELIZZA，S.意大利维罗纳附近Lonato路隧道快速推进的地基改善.第八届加拿大隧道大会，“九十年代的隧道”，Vancover。 1990. pp.243-254.4 PELIZZA，S。 PEILA，D。“土壤和岩石加固隧道”. 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