一种顶管施工下穿古城墙地基的管幕预加固保护方法

本发明涉及地下工程施工与文物保护，尤其是涉及一种顶管施工下穿古城墙地基的管幕预加固保护方法。

背景技术：

1、顶管法因对地面交通和周边环境影响小，被广泛应用于城市地下管网建设。当顶管下穿古城墙等不可移动文物时，施工诱发的土体扰动可能导致文物基础产生不均匀沉降甚至结构失稳，文物保护与工程建设的矛盾尤为突出。

2、古城墙类建筑通常具有外侧砖石砌体、内部夯土芯墙的复合结构，两者刚度差异可达数十倍至数百倍，对外部扰动极为敏感。顶管施工下穿此类结构时，砌体与夯土之间的差异沉降可能导致接触面脱空或剥离，进而引发不可逆损害。

3、目前，针对顶管下穿重要建筑物的地基预加固措施主要包括水平注浆加固、管棚、管幕等。其中，管幕法通过在开挖轮廓外预先顶入钢管并注浆形成支护结构，已被应用于部分工程。然而，现有管幕法多采用矩形或拱形大直径管幕，管幕顶进过程中群管施工的地层扰动叠加效应显著。同时，不同管幕形式、管径、壁厚及间距对加固效果的影响机理尚不明确，工程中通常依赖经验选取管幕参数，缺乏定量化的设计依据。此外，预加固措施本身的施工也可能对地层产生扰动，如城墙两侧施作桩基时，成孔及混凝土浇筑均可能引起地层应力重分布，反而增加变形风险。

4、综上，现有技术缺乏一种施工扰动小、加固效果可量化评估的管幕预加固方案，也缺乏针对管幕加固后地基刚度提升效果的定量计算方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种顶管施工下穿古城墙地基的管幕预加固保护方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种顶管施工下穿古城墙地基的管幕预加固保护方法，包括以下步骤：

3、步骤一、在顶管施工区域进行地质勘察，获取古城墙地基土层的物理力学参数；

4、步骤二、根据物理力学参数，利用地层等效法将古城墙砌体结构、芯墙夯土结构与地基土体进行面积加权等效，得到均一化的等效地层参数，等效地层参数包括等效弹性模量、等效压缩模量和等效泊松比；

5、步骤三、基于mindlin位移解和修正peck公式，计算顶管施工期间掘进机正面附加推力引起的城墙基础沉降、掘进机与周围土体之间摩擦力引起的沉降、后续管道与周围土体之间摩擦力引起的沉降以及施工因素引起的沉降，将上述四项沉降叠加得到顶管施工下穿古城墙期间的总沉降，并根据总沉降确定顶管施工的控制参数；

6、步骤四、根据步骤三确定的控制参数，在顶管开挖轮廓外预先施作圆形小管幕，圆形小管幕由多根钢管沿顶管开挖轮廓的外周排列构成，钢管内注浆，钢管之间注浆，形成硬壳防护罩；

7、步骤五、在硬壳防护罩的保护下进行顶管掘进施工，使顶管在圆形小管幕构成的防护罩内部穿越古城墙地基。

8、优选的，步骤二中，等效弹性模量和等效压缩模量分别按照古城墙砌体与地基土层的弹性模量和压缩模量以各自高度为权重的加权平均值计算；等效泊松比按照古城墙砌体与地基土层的泊松比以各自高度为权重的加权平均值计算，计算公式如下：

9、；

10、；

11、；

12、其中，为等效弹性模量，为古城墙砌体弹性模量，为地基土层弹性模量，为古城墙竖向高度，为地基土层竖向高度；为等效压缩模量，为古城墙砌体压缩模量，为地基土层压缩模量；为等效泊松比，为古城墙砌体泊松比，为地基土层泊松比。

13、优选的，步骤三中，施工因素包括注浆填充率、注浆压力比、偏心超挖率和掘进机俯仰坡度；修正peck公式采用刚度修正法对古城墙结构的刚度贡献进行修正，刚度修正法引入刚度修正系数对天然地面的沉降槽宽度参数进行修正，修正后的沉降槽宽度参数计算公式如下：

14、；

15、；

16、其中，为古城墙结构的截面剪切刚度。

17、优选的，步骤三中，顶管施工的控制参数包括偏心超挖率、顶管俯仰坡度、注浆填充率、注浆压力比、正面附加推力、掘进机与周围土体之间摩擦力和后续管道与周围土体之间摩擦力。

18、优选的，偏心超挖率≤0.2%，顶管俯仰坡度≤0.1%，注浆填充率≥1.0，注浆压力比≥1.04。

19、优选的，步骤四中，圆形小管幕的钢管直径、钢管壁厚和钢管间距根据管幕加固后地基等效弹性模量的取值确定，管幕加固后地基等效弹性模量按下式计算：

20、；

21、其中，为管幕复合体的等效弹性模量，为管幕覆盖面积，为天然地基土的排水弹性模量，为顶管施工影响范围的总面积，为顶管开挖断面面积。

22、优选的，管幕复合体的等效弹性模量的计算公式如下：

23、；

24、其中，为管幕钢管的截面积，为钢材弹性模量，为钢管内水泥砂浆的截面积，为水泥砂浆固化后的弹性模量，为钢管之间注浆固化土的截面积，为注浆固化土的弹性模量。

25、优选的，管幕覆盖面积、顶管开挖断面面积和顶管施工影响范围总面积的计算公式如下：

26、；

27、；

28、；

29、其中，为管幕加固范围的影响长度，为顶管外半径，为顶管拱顶埋深，为顶管施工影响范围的总长度。

30、优选的，钢管截面积、钢管内水泥砂浆截面积和钢管之间注浆固化土截面积的计算公式如下：

31、；

32、；

33、；

34、其中，为管幕钢管的数量；

35、管幕钢管的数量按下式计算：

36、；

37、其中，为管幕内侧管涵间隙，为钢管间距。

38、因此，本发明采用上述一种顶管施工下穿古城墙地基的管幕预加固保护方法，具有以下有益效果：

39、（1）本发明实现了管幕预加固效果的定量表征；现有管幕工程设计通常依赖经验选取管幕参数，本发明通过建立圆形小管幕复合体的等效弹性模量及管幕加固后地基等效弹性模量的计算方法，为管幕参数的优化设计提供了定量依据。

40、（2）本发明有效缩小了古城墙砌体与芯墙夯土之间的差异沉降；针对古城墙砌体与夯土刚度差异可达数百倍的复合结构特点，本发明通过圆形小管幕预加固显著提升地基整体刚度，使砌体与夯土之间的沉降差值由未加固时的数毫米缩小至1mm以内，避免了砌体与夯土之间的脱空或剥离。

41、（3）本发明施工扰动小，形成“硬壳防护罩”保障顶管安全掘进；相较于桩基加固和拱形大管幕加固，本发明采用的圆形小管幕法对地层扰动最小，在顶管开挖轮廓外形成封闭的防护结构，使顶管在其内部掘进，有效隔绝了施工对上部文物的影响。

42、（4）本发明给出了顶管施工控制参数的优选范围；本发明基于沉降预测模型反演确定了顶管施工的关键控制参数范围，包括偏心超挖率、顶管俯仰坡度、注浆填充率和注浆压力比等，为同类下穿工程提供了可借鉴的施工控制标准。

43、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

1.一种顶管施工下穿古城墙地基的管幕预加固保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种顶管施工下穿古城墙地基的管幕预加固保护方法，其特征在于，步骤二中，等效弹性模量和等效压缩模量分别按照古城墙砌体与地基土层的弹性模量和压缩模量以各自高度为权重的加权平均值计算；等效泊松比按照古城墙砌体与地基土层的泊松比以各自高度为权重的加权平均值计算，计算公式如下：

3.根据权利要求1所述的一种顶管施工下穿古城墙地基的管幕预加固保护方法，其特征在于：步骤三中，施工因素包括注浆填充率、注浆压力比、偏心超挖率和掘进机俯仰坡度；修正peck公式采用刚度修正法对古城墙结构的刚度贡献进行修正，刚度修正法引入刚度修正系数对天然地面的沉降槽宽度参数进行修正，修正后的沉降槽宽度参数计算公式如下：

4.根据权利要求1所述的一种顶管施工下穿古城墙地基的管幕预加固保护方法，其特征在于：步骤三中，顶管施工的控制参数包括偏心超挖率、顶管俯仰坡度、注浆填充率、注浆压力比、正面附加推力、掘进机与周围土体之间摩擦力和后续管道与周围土体之间摩擦力。

5.根据权利要求4所述的一种顶管施工下穿古城墙地基的管幕预加固保护方法，其特征在于：偏心超挖率≤0.2%，顶管俯仰坡度≤0.1%，注浆填充率≥1.0，注浆压力比≥1.04。

6.根据权利要求1所述的一种顶管施工下穿古城墙地基的管幕预加固保护方法，其特征在于，步骤四中，圆形小管幕的钢管直径、钢管壁厚和钢管间距根据管幕加固后地基等效弹性模量的取值确定，管幕加固后地基等效弹性模量按下式计算：

7.根据权利要求6所述的一种顶管施工下穿古城墙地基的管幕预加固保护方法，其特征在于，管幕复合体的等效弹性模量的计算公式如下：

8.根据权利要求7所述的一种顶管施工下穿古城墙地基的管幕预加固保护方法，其特征在于，管幕覆盖面积、顶管开挖断面面积和顶管施工影响范围总面积的计算公式如下：

9.根据权利要求8所述的一种顶管施工下穿古城墙地基的管幕预加固保护方法，其特征在于，钢管截面积、钢管内水泥砂浆截面积和钢管之间注浆固化土截面积的计算公式如下：