大管幕保護(hù)下的箱涵吃土頂進(jìn)技術(shù)在高速公路上的應(yīng)用

趙素潔

（河北省交通規(guī)劃設(shè)計院，河北 石家莊 050011）

0 引言

南水北調(diào)中線一期工程天津干線廊坊市段全長9.148km，期間與已建河北省保津高速公路交叉，并以現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)形式穿越保津高速公路。箱涵結(jié)構(gòu)斷面尺寸為三孔4.4m×4.4m，全寬15.6m，高5.9m。穿越工程全長150m，其中，箱涵頂進(jìn)段長70m，明挖段長80m。頂進(jìn)涵頂距離路面高度5.8m。

為確保頂進(jìn)過程中高速公路的正常運行，采用大管幕保護(hù)下的箱涵吃土頂進(jìn)的施工工藝，結(jié)合止水帷幕、大口井降水、路基注漿加固、高速路路基增設(shè)止水止?jié){墻以及邊坡邊溝護(hù)砌等措施，將施工對高速公路路面沉降影響降至最低。本工程頂進(jìn)涵橫斷面示意圖如圖1所示。

1 箱涵頂進(jìn)技術(shù)施工工藝和關(guān)鍵工序

頂進(jìn)涵工程總體施工工藝流程為：基坑支護(hù)→帷幕止水及進(jìn)出口門洞止水止?jié){墻→路基注漿加固→施工降水→管幕頂進(jìn)→箱涵頂進(jìn)→固結(jié)止?jié){。

圖1 頂進(jìn)涵橫斷面示意圖

1.1 基坑支護(hù)和帷幕止水

本工程灌注樁支護(hù)區(qū)段基坑支護(hù)主要采用間距1m的φ800mm C30鋼筋混凝土鉆孔灌注樁和間距0.4m的φ600mm的雙排深層水泥攪拌樁止水帷幕?；又ёo(hù)鋼筋混凝土灌注樁樁長分為9m、15m、20m三種。 其中，9m樁長灌注樁主要用于平行箱涵軸線方向基坑兩側(cè)以及其它支護(hù)高度不大于3.2m的部位。15m樁長灌注樁主要用于出土坡道、管幕頂進(jìn)后背等支護(hù)高度不大于5.8m的部位。20m樁長灌注樁主要用于與頂進(jìn)箱涵后背銜接處等支護(hù)高度不大于7.3m的部位。止水帷幕采用雙排水泥攪拌樁連續(xù)搭接，位于混凝土灌注樁之外，樁深按不同部位分別是10m、16m和20m。

1.2 注漿加固

1.2.1 注漿加固范圍

注漿工作分三次進(jìn)行。第一次加固為管幕實施前對高速路基下土體進(jìn)行加固，使其形成具有一定強度和整體性的殼性體。加固范圍為頂層管幕以上至高速路面以下2m，加固層厚度約為2.5m；第二次注漿加固為管幕實施后對管幕周側(cè)進(jìn)行加固，加固范圍為底層管幕下2m、兩側(cè)管幕外各5～8m；第三次注漿在箱涵頂進(jìn)完成后，范圍是箱涵周邊與管幕之間，主要目的是通過注漿填充頂進(jìn)施工擾動造成的箱涵外側(cè)與管幕之間的土體空隙，增強土體穩(wěn)定性，降低沉降風(fēng)險。注漿通過箱身預(yù)埋的減阻尼泥漿管進(jìn)行，順序由箱涵中間開始向兩邊后退。

1.2.2 注漿

壓力注漿布孔間距為0.8m，梅花形布設(shè)，鉆桿直徑為32mm，單根長度為1m（可連續(xù)接長），花管長度為1m。注入土體的水泥漿水灰比為1∶1，為42.5號普通硅酸鹽純水泥漿。漿液通過鉆桿底部花管上的噴漿嘴噴射進(jìn)入土體，注漿壓力在0.2～1MPa左右。達(dá)到預(yù)定孔深后，開啟注漿泵，旋轉(zhuǎn)鉆桿并向回撤，鉆頭噴嘴處的漿液旋轉(zhuǎn)切削破壞土體并經(jīng)拌和形成水泥土結(jié)構(gòu)，鉆頭附近局部注漿壓力可以通過向孔口返漿緩慢釋放。每步注漿的搭接長度為10cm。為保證注漿孔施工精度，采用從高速公路兩側(cè)對打，中間交錯搭接的方式。注漿孔以-2.5°～-3°向下鉆進(jìn)施工，注漿按跳孔間隔注漿方式進(jìn)行，可有效防止串漿。土體注漿加固后，土體無側(cè)限抗壓強度將大于0.5MPa。加固注漿液采用10%～15%水泥漿液，在正式注漿前，結(jié)合土層的性質(zhì)及其埋深確定通過現(xiàn)場試驗確定注漿壓力參數(shù)。注漿過程中，嚴(yán)密觀測路基變形情況，隨時調(diào)整注漿參數(shù)，防止因注漿引起路面起拱。

1.3 施工降水

從本工程基坑現(xiàn)有開挖面觀測來看，地下水位僅高于箱涵底板約1.5m左右，雨季地下水位最高，約高于箱涵底板2.1m左右，距高速公路頂面約10.2m。降水雖不是路面沉降的主要因素，但仍不可忽視。所以，施工時工作坑內(nèi)需設(shè)置大口井進(jìn)行降水。為確保將作業(yè)面內(nèi)對高速公路帶來的降水達(dá)到最低的影響，大口井分兩處進(jìn)行布置，一處位于封閉的止水帷幕內(nèi)，沿灌注樁內(nèi)側(cè)布置，間距為8m，深度為15m；另一處沿高速兩側(cè)30m范圍內(nèi)設(shè)置，間距為8m。止水帷幕內(nèi)降水井在土方開挖前15d左右形成并開始抽水，連續(xù)保持井內(nèi)的低水位，確保地下水位至建基面在50cm以下?？紤]到盡量縮短降水對高速公路的影響，高速公路兩側(cè)降水井于箱涵頂進(jìn)作業(yè)前15d開始降水，至頂進(jìn)結(jié)束，盡量縮短降水周期。

1.4 管幕工程施工

管幕使用φ970mm鋼管，頂進(jìn)涵上側(cè)16根，底板下16根，涵體兩側(cè)各5根，主要作用是為頂涵作業(yè)提供有利支撐，減少路面沉降。管幕工程是箱涵穿越已建高速公路的關(guān)鍵工序，與箱涵預(yù)制平行施工，管幕工作坑和箱涵工作坑分別位于高速公路兩側(cè)。φ970mm鋼管采用泥水平衡掘進(jìn)機為先導(dǎo)頂進(jìn)，施工順序是先頂排、后兩側(cè)、再底排。兩側(cè)管幕需隨工作坑開挖施工，底排管幕在工作坑開挖結(jié)束后施工。

1.4.1 管幕頂進(jìn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)

1.4.1.1 精度控制

選用原裝進(jìn)口泥水平衡掘進(jìn)機，該機安裝有自動糾偏軟件和主動糾偏系統(tǒng)，可在不同地質(zhì)條件下實現(xiàn)人機合一，隨時將盾頭前各種參數(shù)反饋控制艙，進(jìn)行動態(tài)糾偏。主頂采用4個150t千斤頂，鋼管受力更加均衡穩(wěn)定。在管幕鋼管推進(jìn)過程中通過監(jiān)視器觀察位于頂管機尾部光靶上的激光點，光靶中心即是頂管機中心，激光點是管道設(shè)計中心。在產(chǎn)生偏差時通過控制臺調(diào)節(jié)頂管機內(nèi)的兩組方向控制千斤頂，使頂管機能改變其姿態(tài)，向目標(biāo)方向靠攏。

1.4.1.2 減阻泥漿的選用

選用特種化學(xué)潤滑漿液（BIOS），該潤滑漿液具有遇水不分解，不被土層吸收，砂層中不滲漏，長時間不變粘稠，不變硬失效等特點，能夠在頂進(jìn)物周圍形成長效保護(hù)膜，有效減少頂進(jìn)阻力，防止由于頂進(jìn)阻力過大造成的頂進(jìn)精度不足甚至路面波形隆起。

頂進(jìn)時通過頂管機鉸接處及管節(jié)上預(yù)先焊接的注漿孔，向管內(nèi)外壁壓入一定量的減阻泥漿，在管道四周外圍形成一個泥漿套，改變原來的干摩擦狀態(tài)，減小管節(jié)外壁和土層間的摩阻力。頂進(jìn)時，頂管機尾部的壓漿孔及時跟蹤壓漿，始終保持頂進(jìn)過程中環(huán)狀間隙泥漿壓力大于土應(yīng)力，對周圍土體起到支撐作用，確保形成完整有效地泥漿套。為提高減阻泥漿的保壓和潤滑效果，在注漿管路上安裝穩(wěn)壓罐，通過穩(wěn)壓罐上的減阻泥漿可消除柱塞泵造成的脈沖壓力，穩(wěn)壓罐上的傳感器控制注漿泵的開啟。

1.4.1.3 頂進(jìn)過程中的控壓保壓

為確保管幕頂進(jìn)過程中管周的保壓，在進(jìn)、出洞口處采用20mm厚天然橡膠制作的橡膠墊圈對洞口進(jìn)行封閉，同時制作止水圈梁，確?？卓诜忾]效果。

1.4.1.4 固結(jié)漿置換潤滑漿

一根管幕鋼管頂進(jìn)就位后，及時利用水泥固結(jié)漿置換潤滑漿，從管幕鋼管中部開始進(jìn)行置換注漿，當(dāng)兩側(cè)流出的漿液均為純水泥漿液為止。

1.4.2 管內(nèi)充填混凝土

為加強管幕鋼管剛度，減少撓曲變形，在幕管頂進(jìn)結(jié)束后對管內(nèi)進(jìn)行C30無收縮細(xì)石混凝土填充。為保證充填飽滿，在封閉的兩端管頂設(shè)排氣管，排氣管高出幕管0.5m。在混凝土初凝不在流動時，進(jìn)行二次素水泥漿補充注漿。

1.5 箱涵頂進(jìn)

頂進(jìn)段箱涵長度為70m，在管幕施工的同時進(jìn)行預(yù)制，管幕完工后，預(yù)制頂進(jìn)涵強度達(dá)到設(shè)計強度100%后進(jìn)行頂進(jìn)作業(yè)。頂進(jìn)采用先頂后挖、隨頂隨挖、緩慢推進(jìn)施工工藝，邊頂進(jìn)邊出土，箱體底、側(cè)、頂刃腳始終吃土頂進(jìn)。箱涵頂進(jìn)是本項目穿越津保高速的最后一道主要程序，其穿越效果直接關(guān)系到本項目的成敗。

1.5.1 頂進(jìn)精度控制

在每個箱涵洞內(nèi)設(shè)置固定激光靶，洞外設(shè)置自動觀測站，觀測站內(nèi)有自動攝像頭與激光靶形成映射，每頂一鎬，將箱涵的軸線偏移、高程變化等數(shù)據(jù)傳輸至電腦自動處理系統(tǒng)，并形成監(jiān)控曲線，以此作為箱涵各項位移指標(biāo)變化依據(jù)。并描繪出頂程與頂力關(guān)系曲線和頂程與方向高差的關(guān)系曲線，用控制圖控制頂進(jìn)質(zhì)量。

1.5.2 吃土深度控制

頂進(jìn)作業(yè)最小吃土深度為0.5m，在施工過程中，根據(jù)頂力變化及路面高程變化情況確定最大吃土深度范圍，然后在頂進(jìn)涵內(nèi)壁上畫2道紅線，前端線為最小吃土深度線，第二條線為最大吃土深度線，挖土過程中控制好挖土量和掌子面坡度。始終確保吃土量位于2條線之間，確保吃土頂進(jìn)。

1.5.3 頂進(jìn)開挖過程中的注意事項

若頂進(jìn)開挖過程中，發(fā)現(xiàn)開挖面含水量大，影響到前端土體自穩(wěn)性時，在開挖面上設(shè)置水平的排水管。排水管采用φ108鋼管，鋼管上交錯布置滲水孔。為了不影響正常挖土，在每個方涵下邊角設(shè)置一根排水管將水導(dǎo)入排水溝中。若開挖面遇到砂質(zhì)土?xí)r，由于自穩(wěn)性差無法保持開挖面穩(wěn)定，采用小導(dǎo)管注漿法加固開挖面，導(dǎo)管使用φ42鋼管，每次加固長度可達(dá)3～5m，漿體采用水泥-水玻璃混合漿。導(dǎo)管與孔口處采用密封措施進(jìn)行壓力注漿，使?jié){體向孔外擴散。初凝后拔出導(dǎo)管。

1.5.4 頂進(jìn)中箱涵的姿態(tài)控制

為防止箱涵方向偏移，在箱涵兩側(cè)對稱設(shè)置20個導(dǎo)正墩，保證箱涵進(jìn)洞前軸線不發(fā)生偏移。當(dāng)發(fā)生偏移時可調(diào)節(jié)相應(yīng)位置千斤頂數(shù)量和時間來調(diào)整箱涵方向。糾正方向時需要挖土配合。首節(jié)箱涵進(jìn)土后及時開始注漿以減小摩擦力。

1.5.5 注漿減阻

減阻注漿對減小頂進(jìn)阻力和路面下沉至關(guān)重要。沒有減阻泥漿箱涵與土體摩擦阻力很大，頂進(jìn)過程中不斷把箱涵周圍土體帶走，特別是頂部土體不斷下沉補充，頂程越長下沉量越大，路面沉降量越大。如使用減阻泥漿，箱涵帶走的是泥漿，而泥漿可以不斷補充，保證了土體的穩(wěn)定，減阻泥漿還有加壓、保壓作用，使土體維持原來壓力不變或更大，從而避免和減小地面沉降。為確保潤滑減阻效果，本項目頂涵減阻泥漿采用與管幕鋼管相同的進(jìn)口潤滑漿。

2 結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，路網(wǎng)、水系等規(guī)劃建設(shè)不免交織，對穿越已建項目如公路、鐵路、機場等類事例會越來越多。本文所述的大管幕保護(hù)下的箱涵吃土頂進(jìn)技術(shù)，在不影響被穿越項目運營的情況下，能將施工對現(xiàn)有高速公路路面或鐵路沉降影響降至最低，具有重要參考價值和社會經(jīng)濟效益。