管幕-箱涵法隧道穿越軟土地層沉降控制技術(shù)研究

劉金龍

（上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080）

0 緒論

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及城市交通系統(tǒng)建設(shè)的不斷深入，在地下工程施工中，對(duì)沉降的控制，對(duì)精度的要求、對(duì)環(huán)境的影響，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的控制等都提出了更高更嚴(yán)格的要求。對(duì)于上海這個(gè)國(guó)際大都市而言，研究適合軟土介質(zhì)的城市隧道或地下通道施工方法是對(duì)地下工程建設(shè)安全、經(jīng)濟(jì)、有效、快速的有力保障[1-2]。

1 工程概況

1.1 地道基本概況

田林路下穿中環(huán)線地道（中環(huán)線交通節(jié)點(diǎn)改善工程）新建工程位于徐匯區(qū)漕河涇開發(fā)區(qū)中部，是田林路上重要的交通節(jié)點(diǎn)，西起古美路，東至桂平路，并下穿中環(huán)線，全長(zhǎng)約1032.78m，工程地理位置如圖1所示。

圖1 田林路地道工程地理位置

田林路下穿中環(huán)線地道兩端為敞開段與暗埋段，采用明挖法施工。穿越中環(huán)線段采用管幕-箱涵法施工，始末里程樁號(hào)為K0+663～K0+749，穿越長(zhǎng)度86m。穿越段地道斷面布置為雙向3快2慢，箱涵斷面長(zhǎng)度19.8m，高度6.4m。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)詳勘階段地質(zhì)勘查報(bào)告，場(chǎng)地主要由飽和粘性土、粉性土、砂土組成，一般具有成層分布特點(diǎn)。上排鋼管幕處在③號(hào)淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，兩側(cè)和底排鋼管幕多處于④號(hào)淤泥質(zhì)粘土。中環(huán)線路面結(jié)構(gòu)層厚度1.1m，主要為：5cm厚瀝青層；12.5cm厚中?；炷翆?；36.5cm厚粗?；炷翆?；36cm厚混凝土層以及20cm厚礫石層，礫石大小約6cm×7cm。中環(huán)線路面下部有2.2m厚素填土層。

2 鋼管幕頂進(jìn)施工

2.1 頂進(jìn)時(shí)姿態(tài)控制

鋼管頂進(jìn)時(shí)，需要對(duì)累計(jì)偏差進(jìn)行嚴(yán)格控制，在累積偏差較大的情況下，如果未能及時(shí)采取有效的糾偏措施，會(huì)造成鋼管幕無(wú)法根據(jù)設(shè)計(jì)要求頂進(jìn)至正確位置。在比較嚴(yán)重的情況下會(huì)造成鋼管鎖口撕裂的問題，對(duì)于管幕密封性產(chǎn)生很大不利影響。因此，鋼管幕頂進(jìn)精度控制是工程成敗的一個(gè)關(guān)鍵因素[3-4]。

（1）確保導(dǎo)軌的制作及安裝精度，要求導(dǎo)軌四角的高程和軸線誤差小于3mm。

（2）增加洞口限位裝置，鋼管和機(jī)頭進(jìn)入洞口后，使鋼管與導(dǎo)軌密貼，鋼管位置精度可靠保證，如圖2所示。

（3）采用專用的泥水平衡頂管機(jī)施工保持開挖面穩(wěn)定，并采用計(jì)算機(jī)軌跡控制軟件指導(dǎo)施工。

（4）利用激光反射糾偏系統(tǒng)、傾斜儀傳感器和糾偏油缸行程儀傳感器等，在頂進(jìn)過程中有效提高掘進(jìn)機(jī)的頂進(jìn)精度。

（5）應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)開展監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)收集管幕鋼管頂進(jìn)時(shí)的軸線偏差和扭轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，保證鋼管穿越中環(huán)線過程中連續(xù)施工監(jiān)測(cè)及姿態(tài)可視化，確保及時(shí)糾偏，及時(shí)調(diào)整鋼管姿態(tài)。

（6）采用精細(xì)化施工，加強(qiáng)施工過程控制，根據(jù)頂進(jìn)過程中各項(xiàng)施工區(qū)域以及各項(xiàng)施工參數(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)糾偏。

通過上述措施，保證鋼管頂進(jìn)軸線偏差在±3cm之內(nèi)，扭轉(zhuǎn)偏差在±3°之內(nèi)。

圖2 洞口限位裝置

2.2 頂進(jìn)時(shí)沉降控制

（1）采用適用于③號(hào)及④號(hào)地層的泥水平衡鋼管幕專用頂管機(jī)。它采用改進(jìn)激光顯示及糾偏系統(tǒng)，操作人員實(shí)時(shí)糾偏，實(shí)現(xiàn)高精度的姿態(tài)控制，鋼管頂進(jìn)糾偏幅度較一般頂管要小得多。

（2）精細(xì)化的開挖面穩(wěn)定管理。除了采用變頻自動(dòng)控制進(jìn)排泥量，機(jī)頭水土壓力自動(dòng)平衡系統(tǒng)保證開挖面穩(wěn)定外，還可嚴(yán)格根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，人工調(diào)節(jié)進(jìn)排泥流量，控制泥水倉(cāng)壓力。

（3）針對(duì)性施工參數(shù)控制。為了有效地控制鋼管幕頂進(jìn)時(shí)，同時(shí)，在重要管線影響區(qū)域降低頂進(jìn)速度、加強(qiáng)管線監(jiān)測(cè)、及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)。

（4）特種觸變泥漿。管幕鋼管頂進(jìn)時(shí)，采用特種觸變泥漿作為潤(rùn)滑材料注入到頂進(jìn)管道與周邊土層之間的環(huán)狀空間中，泥漿不僅具有支撐土體的作用，同時(shí)，大大減少了鋼管鎖口對(duì)土體的擾動(dòng)。

3 箱涵推進(jìn)施工

大斷面箱涵推進(jìn)施工時(shí)，中環(huán)線地面交通不封閉，對(duì)地表和地下管線的沉降變形控制要求非常高，主要采用7大措施，如圖3所示。

圖3 大斷面箱涵穿越中環(huán)線沉降控制措施

3.1 箱涵推進(jìn)姿態(tài)控制

箱涵推進(jìn)過程中，由于掘進(jìn)機(jī)自身沒有糾偏能力，主要靠箱涵后部80只液壓油缸來(lái)進(jìn)行左右姿態(tài)糾偏。箱涵推進(jìn)施工時(shí)，應(yīng)用了包含7組液壓油缸的同步推進(jìn)控制系統(tǒng)，并采取了各自獨(dú)立的液壓泵站，分別對(duì)每組液壓缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。在箱涵的左側(cè)和右側(cè)，分別設(shè)置2臺(tái)激光測(cè)距儀，用于獲得箱涵行程差作為控制基準(zhǔn)，計(jì)算調(diào)整各泵站變頻器輸出頻率，實(shí)現(xiàn)箱涵推進(jìn)自動(dòng)同步控制。

除此之外，還將導(dǎo)向墩布置于工作井內(nèi)箱涵兩側(cè)。主要作用在于能夠在箱涵始發(fā)階段，有效控制其推進(jìn)始發(fā)過程中的中心偏差現(xiàn)象。

3.2 箱涵推進(jìn)開挖面穩(wěn)定管理

箱涵掘進(jìn)機(jī)為土壓平衡式，并具備PLC可編程序計(jì)算器。通過開挖面的土壓力計(jì)，能夠以自動(dòng)或手動(dòng)兩種方式，針對(duì)頂進(jìn)速度、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行合理調(diào)整，使得開挖面土壓力能夠保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上確保正面水土壓力的平衡。

掘進(jìn)機(jī)土壓傳感器對(duì)于維持開挖面穩(wěn)定具有關(guān)鍵作用，其中在土艙內(nèi)總共包含14處土壓傳感器，其中頂部與底部分別設(shè)置4處，而中間位置設(shè)置6處。土壓傳感器主要用于監(jiān)測(cè)正面土體壓力，從而平衡開挖面。

箱涵掘進(jìn)機(jī)正常掘進(jìn)速度為2-4cm/min，在進(jìn)行推進(jìn)施工時(shí)，如果土倉(cāng)當(dāng)中的某一部分局部土壓存在下降趨勢(shì)，同時(shí)下降的數(shù)值較小，此時(shí)系統(tǒng)能夠?qū)β菪龣C(jī)出土量做出自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得螺旋機(jī)內(nèi)土壓提高，從而能夠發(fā)揮對(duì)土倉(cāng)內(nèi)部土壓的調(diào)整作用，使其能夠繼續(xù)保持平衡狀態(tài)。而針對(duì)于土艙內(nèi)土體壓力過大的情況，此時(shí)需要對(duì)螺旋機(jī)排土量進(jìn)行提高。當(dāng)出現(xiàn)整體土倉(cāng)壓力變化時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)壓力變化值，螺旋機(jī)調(diào)整出土速度，保持土倉(cāng)內(nèi)壓力平衡。

根據(jù)地道埋深及土體容重，正常推進(jìn)時(shí)可保持前艙土壓0.18～0.2MPa。在此狀態(tài)下，是不考慮鋼管幕的截?cái)嘧饔?，因此，正常推進(jìn)情況下為輕微狀態(tài)下的悶頂，這對(duì)地下管線及中環(huán)線路面沉降控制是非常有利的。

3.3 箱涵推進(jìn)外周AB觸變泥漿

箱涵推進(jìn)過程中，擬就建立同步注漿（A漿）與補(bǔ)充注漿（B漿）分為兩個(gè)獨(dú)立的注漿系統(tǒng)，在漿液的配比、注漿設(shè)備的選擇、注漿控制要點(diǎn)等方面，A漿與B漿存在一定的差異。并且A漿與B漿的性能也有所區(qū)別，其中同步注漿（A漿）以管幕支撐好、保水性好為主，補(bǔ)充注漿（B漿）以潤(rùn)滑減摩為主。

同步注漿（A漿）系統(tǒng)，與掘進(jìn)機(jī)一起控制，在掘進(jìn)機(jī)操作室內(nèi)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)開始推進(jìn)時(shí)，同步注漿系統(tǒng)亦同時(shí)開啟。注漿漿液采用膨潤(rùn)土含量較高，流動(dòng)性相對(duì)較差，保水和支撐性較好的厚漿。

補(bǔ)充注漿系統(tǒng)（B漿），則設(shè)置補(bǔ)充注漿控制臺(tái)，在由專人另外控制。補(bǔ)充注漿的開啟和注漿位置則根據(jù)推力大小、箱涵頂部預(yù)埋泥漿壓力盒、沉降監(jiān)測(cè)等共同控制。補(bǔ)充注漿系統(tǒng)采用膨潤(rùn)土含量較低的稀漿，流動(dòng)性相對(duì)較好，保水和支撐性較差的稀漿。

3.4 箱涵首節(jié)試推

首節(jié)箱涵長(zhǎng)度僅為13.5m，此時(shí)箱涵掘進(jìn)機(jī)切口未至中環(huán)線，僅在中環(huán)線西側(cè)輔道下。因此，首節(jié)箱涵作為試推段，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)反饋信息，為后續(xù)地道穿越中環(huán)線，從理論和經(jīng)驗(yàn)上選取各項(xiàng)施工參數(shù)，對(duì)施工及時(shí)加以調(diào)整是非常必要的。

箱涵推進(jìn)過程中，對(duì)密封倉(cāng)土壓力、刀盤轉(zhuǎn)速及壓力，推進(jìn)速度，千斤頂推力，注漿壓力及注漿量等，分別采用幾組不同施工參數(shù)進(jìn)行試掘進(jìn)。在確定施工參數(shù)時(shí)，需要結(jié)合相關(guān)的測(cè)量數(shù)據(jù)以及地表沉降情況，以此指導(dǎo)全過程施工，但應(yīng)以符合地表沉降標(biāo)準(zhǔn)、管線沉降變形、掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)控制等要求為準(zhǔn)則。

圖4 首節(jié)箱涵試推

3.5 箱涵外周泥漿固化

在頂進(jìn)施工結(jié)束后，應(yīng)對(duì)箱涵與管幕中的泥漿進(jìn)行泥漿置換工作。置換泥漿配置上，應(yīng)采用水泥與占比30%的粉煤灰作為原料。在箱涵周圍形成水泥漿套承擔(dān)上部荷載。箱涵四周每隔6m有一道注漿斷面，水泥漿仍采用該注漿孔，由注漿壓力和注入量控制地表變形，使地面的隆起控制在3cm以內(nèi)，待水泥漿凝固后，相當(dāng)于每隔6m即形成一道橫向支撐梁，即使梁之間有部分泥漿未固化，由于管幕作用，可以把荷載傳遞至箱涵而不至于引起較大的工后沉降。

4 結(jié)論

管幕-箱涵工法在軟土地層中具有較為廣闊的應(yīng)用前景，尤其在密集的城市空間，對(duì)沉降要求、周圍環(huán)境要求等非常高的前提下，對(duì)施工精度、工藝改善和施工管理提出了新的要求，這就需要進(jìn)一步優(yōu)化和提供施工工藝和管理水平。結(jié)合田林路下穿中環(huán)線地道新建工程，對(duì)其中的幾個(gè)關(guān)鍵問題和技術(shù)措施進(jìn)行了闡述和總結(jié)。

（1）鋼管幕的精確施工是管幕-箱涵工法成敗的重要一環(huán)，其頂進(jìn)時(shí)的姿態(tài)控制又尤為重要，采用導(dǎo)軌搭設(shè)控制、洞口限位裝置、專用泥水頂管機(jī)、高精度激光糾偏系統(tǒng)、信息化網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)、精細(xì)化施工等多項(xiàng)措施保證鋼管幕施工精度。

（2）箱涵在鋼管幕內(nèi)推進(jìn)，間隙較小，對(duì)姿態(tài)控制要求非常高，主要采用同步推進(jìn)控制系統(tǒng)，精確控制箱涵水平姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)箱涵推進(jìn)自動(dòng)同步控制。

（3）為了實(shí)現(xiàn)大斷面箱涵推進(jìn)，地面及地下管線的沉降變形控制，主要采用合理的開挖面穩(wěn)定管理措施和箱涵外周泥漿系統(tǒng)，其中同步注漿應(yīng)以管幕支撐好、保水性好為主。

（4）封閉式箱涵掘進(jìn)機(jī)斷面較大，又由多個(gè)螺旋機(jī)出土，應(yīng)更加注意螺旋機(jī)出土之間的相互協(xié)調(diào)以及施工參數(shù)的合理選擇與控制。