大斷面過(guò)水箱涵下穿高速公路立體交叉設(shè)計(jì)比選研究

蔡?hào)|明 吳金剛

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100082)

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，原有水系已不能滿足多功能需求，通過(guò)片區(qū)擴(kuò)容，讓溝渠、水系連通，將區(qū)域內(nèi)溝渠連通起來(lái)發(fā)揮聯(lián)合效應(yīng)，增加區(qū)域內(nèi)溝渠排澇容積，實(shí)現(xiàn)區(qū)域防洪排澇達(dá)標(biāo)。水系連通、溝渠擴(kuò)容使溝渠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提高，過(guò)水?dāng)嗝婕哟?。近年?lái)，水利工程與區(qū)域內(nèi)的公路、鐵路交叉的情況越來(lái)越多。箱涵施工，是解決交叉高速公路工程施工時(shí)，由于措施不當(dāng)?shù)仍蛞鹇访嫣斐傻慕煌ㄖ袛喙こ淌鹿实闹饕胧?。有必要?duì)箱涵下穿方案進(jìn)行比選研究，選擇風(fēng)險(xiǎn)可控、質(zhì)量可靠、工期可行、經(jīng)濟(jì)合理的施工方案，保證高速公路安全運(yùn)營(yíng)。

1 工程概況

馬駒橋鎮(zhèn)五支溝起點(diǎn)馬橋干渠，經(jīng)北京通州物流產(chǎn)業(yè)園區(qū)東側(cè)及南側(cè)，向南穿過(guò)六環(huán)路，匯入鳳港減河，是物流園區(qū)防汛排水的主要通道。五支溝在物流園區(qū)東南側(cè)為1孔暗涵(下稱園區(qū)暗涵)，暗涵尺寸為3m×2m(寬×高)，園區(qū)暗涵出口與五支明渠相接處底高程約為19.5m；五支溝在穿六環(huán)路處為2孔暗涵，暗涵尺寸為3m×1.5m(寬×高)，暗涵底高程21.00m。由于上游高程低于下游高程，六環(huán)路下現(xiàn)況暗涵無(wú)法繼續(xù)使用，故根據(jù)物流園區(qū)排水規(guī)劃，在六環(huán)路下新增3孔4.4m×2.4m方涵，涵底高程18.54m。

六環(huán)路總寬47m，根據(jù)規(guī)劃，六環(huán)路遠(yuǎn)期拓寬后總寬度為62m。《公路安全保護(hù)條例》規(guī)定：公路建筑控制區(qū)的范圍,從公路用地外緣起向外的距離標(biāo)準(zhǔn)為高速公路不少于30m。故公路建筑控制區(qū)范圍為122m，此范圍內(nèi)不能存在永久地上建筑物。同時(shí)，六環(huán)路建設(shè)單位提出要求：為了盡量降低施工對(duì)六環(huán)路的影響及保證六環(huán)路安全和正常運(yùn)行，下穿箱涵結(jié)構(gòu)頂距離原始路面的豎向距離不得大于6m(見(jiàn)圖1)。

2 工程及水文地質(zhì)

工程位于永定河沖洪積扇平原區(qū)，地面高程約22～23m。場(chǎng)區(qū)主要為第四系全新統(tǒng)地層。按其形成年代、成因類型及物質(zhì)組成特征，各土層的巖性結(jié)構(gòu)(見(jiàn)表1)分為兩部分。

2.1 人工填土(Qs)

一般為黃褐色，稍濕—濕，松散—中密，以回填粉土和粉質(zhì)黏土為主，含砂、碎石和磚塊，層厚0.8～1.8m。場(chǎng)區(qū)局部地表分布雜填土。

2.2 第四系全新統(tǒng)沖洪積地層

a.粉質(zhì)黏土。褐黃色—黃灰色，稍濕—很濕，可塑—硬塑，在場(chǎng)區(qū)近地表此層大部分為稍濕狀態(tài)，隨著埋深增加含水量和密實(shí)度增大，濕度逐步呈稍濕至飽和狀態(tài)，含云母、氧化鐵和有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)含量約3.8%～6.8%。該層局部含粉砂夾層，一般層底高程約16～18m，層厚約3.2～5.5m左右。

b.黏土。灰色—黃灰色，濕—很濕，可塑—硬塑，局部為重粉質(zhì)粘土，含云母和有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)含量3.6%～5.4%。一般層底高程約12～13m，層厚一般約3.7～4.3m左右。

c.細(xì)砂?；尹S色—黃灰色，飽和，密實(shí)，含石英、云母。一般層底高程約6～7m，層厚一般約5.8～6.1m左右。

d.粉質(zhì)黏土。褐黃色—黃灰色，稍濕—濕，可塑，含云母、氧化鐵。一般層底高程約3～4m，層厚一般約2.8～3.1m左右。

e.粗砂。灰黃色，飽和，中密—密實(shí)，含石英、云母。

根據(jù)本次鉆孔勘探結(jié)果，工程區(qū)含一層地下水，水位埋深約8～9m，水位高程約13～14m，年變幅約1～3m，擬建場(chǎng)區(qū)自1955年以來(lái)最高地下水位標(biāo)高接近自然地面。

表1 土層主要物理力學(xué)指標(biāo)建議值

注( )表示平均值。

3 國(guó)內(nèi)同類工程實(shí)例調(diào)研

目前，大斷面隧道、箱涵下穿高速公路、鐵路類工程，一般采用的施工方法有頂推法和暗挖法。頂推法根據(jù)頂進(jìn)距離的長(zhǎng)短，可分為千斤頂頂推和頂管機(jī)頂推。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般頂進(jìn)長(zhǎng)度在50m以下且斷面較小時(shí)，采用千斤頂頂推造價(jià)低，工程上能實(shí)現(xiàn)；當(dāng)頂進(jìn)長(zhǎng)度大于50m甚至達(dá)到100m，并且斷面較大時(shí)，千斤頂頂推需要分段頂推，管節(jié)之間需要設(shè)置中繼間，結(jié)構(gòu)防水難以保證，實(shí)施起來(lái)比較困難。遇到長(zhǎng)距離、大斷面的工程，一般采用頂管機(jī)頂推，雖然頂管機(jī)造價(jià)較高、斷面適用性不強(qiáng)，但在控制高速公路沉降、變形方面有很大的優(yōu)勢(shì)。本工程屬于長(zhǎng)距離、大斷面頂推工程，同時(shí)，六環(huán)路對(duì)變形控制要求高，若采用頂推法最好采用頂管機(jī)頂推。

采用頂推法施工時(shí)，受頂管機(jī)的尺寸、工程經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)水平等限制，目前所了解到的世界最大矩形頂推工程為天津黑牛城地下人行通道與綜合管廊連接通道，斷面寬度10.42m，高度7.57m。暗挖法施工可以由一個(gè)斷面整體暗挖下穿。國(guó)內(nèi)同類工程調(diào)研實(shí)例見(jiàn)表2。

表2 國(guó)內(nèi)大斷面隧道下穿工程實(shí)例

4 五支溝暗涵下穿六環(huán)方案比選

4.1 頂推法

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，結(jié)合目前施工技術(shù)水平，在滿足同等過(guò)水?dāng)嗝娴那疤嵯拢瑢岛譃閮蓚€(gè)獨(dú)立斷面，每個(gè)斷面內(nèi)凈空均為寬×高=6.6m×2.4m，兩結(jié)構(gòu)中間間隔1m。在滿足六環(huán)路建設(shè)單位要求的前提下，箱涵建成后，兩側(cè)跌水井的最小距離為122m。施工期間，考慮滿足現(xiàn)況六環(huán)路保護(hù)距離即可，在六環(huán)路兩側(cè)分別設(shè)置始發(fā)井和接收井，箱涵頂推段距離為47m(布置見(jiàn)圖2)。

考慮到地下水位較高，位于結(jié)構(gòu)底以上，明挖段采用鉆孔灌注樁+旋噴止水的圍護(hù)方案，始發(fā)井和接收井采用地下連續(xù)墻進(jìn)行圍護(hù)，做好施工期間的止水、降水工作。

4.2 暗挖法

暗挖法采用淺埋暗挖技術(shù)，隧道斷面外尺寸為寬×高=15.54m×4.02m，下穿六環(huán)處采用超長(zhǎng)鎖扣管幕進(jìn)行超前加固，采用初期支護(hù)+二次襯砌復(fù)合式襯砌型式。由于斷面較大，采用分塊開(kāi)挖、封閉成環(huán)、循序漸進(jìn)的開(kāi)挖方式，同時(shí)做好六環(huán)路沉降監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)調(diào)整加固參數(shù)、開(kāi)挖進(jìn)度。在滿足六環(huán)路建設(shè)單位要求的前提下，箱涵建成后，兩側(cè)跌水井的最小距離為122m。施工期間，考慮滿足現(xiàn)況六環(huán)路保護(hù)距離即可，暗挖段長(zhǎng)度47m，兩側(cè)明挖段各41.1m，建成后暗埋段122m(布置見(jiàn)圖3)。

考慮到地下水位較高，位于結(jié)構(gòu)底以上，明挖段采用鉆孔灌注樁+旋噴止水的圍護(hù)方案，做好施工期間的止水、降水工作。

4.3 設(shè)計(jì)方案比選

4.3.1 橫斷面型式及尺寸

頂推法：閉合框架混凝土結(jié)構(gòu)，斷面尺寸寬×高=7.8m×3.6m，雙洞，混凝土量為24.48m3/m。

暗挖法：初期支護(hù)+二次襯砌組合而成的復(fù)合式襯砌，斷面尺寸寬×高=15.54m×4.02m，三孔，混凝土量30.79m3/m。

暗挖法采用了復(fù)合式襯砌，斷面尺寸較大，斷面混凝土量為頂推法的1.26倍。

4.3.2 工程規(guī)模

頂推法：頂推段長(zhǎng)度47m，始發(fā)井長(zhǎng)11m，接收井11m，兩側(cè)明挖段各30.1m，建成后暗埋段122m。

暗挖法：暗挖段長(zhǎng)度47m，兩側(cè)明挖段各41.1m，建成后暗埋段122m。

兩種工法建成后暗埋段總長(zhǎng)一致，由于工法不同，施工過(guò)程中暗挖段和明挖段長(zhǎng)度略有不同。

4.3.3 路面沉降控制

頂推法：根據(jù)土壓平衡原理，主動(dòng)土壓力處于動(dòng)態(tài)平衡，能有效地把持挖掘面穩(wěn)定，引起的地面沉降比較小，地面沉降可控，通過(guò)地面沉降觀測(cè)，動(dòng)態(tài)調(diào)整注漿及掘進(jìn)參數(shù)。

暗挖法：超前加固施工存在不確定因素，超淺埋隧道暗挖易在開(kāi)挖過(guò)程中造成塌陷，開(kāi)挖、支護(hù)及封閉成環(huán)施工轉(zhuǎn)換過(guò)程存在一定風(fēng)險(xiǎn)，地面沉降控制難度大。

4.3.4 施工難度及風(fēng)險(xiǎn)

頂推法：作業(yè)周邊土體處于頂管機(jī)和管壁支護(hù)下，只要采用合理的前方土壓力參數(shù)、出土頂進(jìn)速度，加強(qiáng)土體改良措施和管壁注漿，作業(yè)安全，安全風(fēng)險(xiǎn)可控。

暗挖法：洞內(nèi)開(kāi)挖作業(yè)，施工環(huán)境惡劣，機(jī)械化程度低，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，施工速度慢，施工難度相對(duì)較大，存在不確定性。

4.3.5 施工質(zhì)量

頂推法：管節(jié)結(jié)構(gòu)工廠化預(yù)制，標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，混凝土表觀可達(dá)到清水混凝效果，頂進(jìn)施工機(jī)械自動(dòng)化程度高，掘進(jìn)精度大，施工誤差可控。

暗挖法：人工洞內(nèi)施工，施工環(huán)境差，結(jié)構(gòu)分段澆筑，二襯施工模板支護(hù)難度大，施工質(zhì)量控制難度相對(duì)較大。

4.3.6 工期

頂推法：管節(jié)提前預(yù)制，減少前期準(zhǔn)備時(shí)間。頂進(jìn)階段，每天施工速度3～4.5m，工期短，總工期約為8個(gè)月(含前期準(zhǔn)備)。

圖2 頂推法平面及豎向布置(單位：m)

圖3 暗挖法平面及豎向布置(單位：m)

暗挖法：施工緩慢，每天施工速度1～1.5m，采用跳倉(cāng)法施工，工期長(zhǎng)，總工期14個(gè)月。

工程工期為理想狀況，還需考慮節(jié)假日及特殊會(huì)議等其他非技術(shù)性原因停工對(duì)工程的影響。停工期間，頂推法中矩形頂管機(jī)前方和掌子面貼合，能夠有效地維持掌子面穩(wěn)定，有利于路面沉降的控制。暗挖法中前方掌子面懸空且不存在有效支撐力，不能有效保證掌子面穩(wěn)定，不利于路面沉降控制。

4.3.7 造價(jià)

考慮頂管機(jī)的攤銷因素，估算兩種施工方法的造價(jià)。頂推法合計(jì)6311.20萬(wàn)元；暗挖法合計(jì)5911.39萬(wàn)元(見(jiàn)表3)。

表3 造 價(jià) 比 較

續(xù)表

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)該工程兩種設(shè)計(jì)方案從橫斷面、工程規(guī)模、路面沉降控制、施工難度及風(fēng)險(xiǎn)、施工質(zhì)量、工期、造價(jià)7方面進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，頂推法較暗挖法具有路面沉降控制好、施工風(fēng)險(xiǎn)小、施工質(zhì)量好、工期短且相對(duì)有保證等特點(diǎn)，推薦采用頂推法施工。目前，該工程處于設(shè)計(jì)階段，具體實(shí)施時(shí)要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)情況，對(duì)施工過(guò)程中的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以便更好控制地表沉降，保證六環(huán)路安全。