屈永強(qiáng)

（天津市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，天津 300204）

南水北調(diào)中線一期工程天津干線 （以下簡(jiǎn)稱天津干線）在樁號(hào)XW135+859處穿越京滬高速公路，該處高速公路樁號(hào)AK56+709。為保證穿越施工時(shí)高速公路運(yùn)行安全，本穿越工程采用鋼管帷幕保護(hù)下的箱涵頂進(jìn)施工方案。

1 概況

1.1 地形地質(zhì)條件

天津干線穿越京滬高速公路工程地處河北沖積-海積平原，地形平坦、開闊，地面高程在4.8 m左右，穿越處路基高程9.44 m。

工程區(qū)域地層為第四系松散堆積物，下部為全新統(tǒng)下段（Q41）沖積堆積層，以淺黃、桔黃色壤土為主；中部為全新統(tǒng)中段（Q42）淺海、湖沼堆積層，淺海堆積層由灰色、淺灰色壤土組成，含有機(jī)質(zhì)和貝殼碎屑，湖沼堆積層由灰黑色、灰綠色、灰黃色黏土組成，局部為淤泥質(zhì)黏土、壤土；上部為全新統(tǒng)上段（Q43）沖積堆積層，為黃褐色、灰黃色壤土。地下水為第三系孔隙潛水，主要賦存于第四系全新統(tǒng)黏性土層，地下水埋深0.4～1.6m。

1.2 工程概況

天津干線穿越京滬高速公路工程全長(zhǎng)200 m，分進(jìn)口段、路基段和出口段三部分。其中，路基段長(zhǎng)62 m，為3孔4.4 m×4.4 m C35鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)，箱涵分3節(jié)，2節(jié)長(zhǎng)21 m，1節(jié)長(zhǎng)20 m，邊墻厚70 cm，中墻厚50 cm，頂板厚70 cm，底板厚80 cm，底板頂高程為-3.949 m。進(jìn)、出口段采用敞開式明挖法，這里重點(diǎn)介紹路基段采用的管幕頂進(jìn)施工。管幕設(shè)計(jì)按箱涵外包尺寸15.6 m×5.9 m呈“口”字形布置，涵頂及兩側(cè)設(shè)28根Φ970×16 mm鋼管，底部設(shè)39根Φ325×11.2 mm鋼管，相鄰鋼管由鎖口連接。

京滬高速公路系國(guó)家高速公路網(wǎng)G2號(hào)高速公路，是天津港外部配套工程港口南通道重要組成部分。穿越處路基高程9.44 m，橫斷面布置為0.75 m（波形護(hù)欄）+19.75 m（行車道）+3.0 m（中央分隔帶）+19.75 m（行車道）+0.75 m（波形護(hù)欄），全寬 44 m。公路邊坡1∶1.5，放坡長(zhǎng)度7.3 m。

2 管幕支護(hù)施工

2.1 管幕法簡(jiǎn)介

管幕法，亦稱排管頂進(jìn)法，是一種新型地下構(gòu)筑物施工技術(shù)。其原理是在始發(fā)基坑與接受基坑之間利用小型頂管機(jī)頂進(jìn)鋼管到土體中，以單根鋼管頂進(jìn)為基礎(chǔ)，各鋼管間依靠鎖口相連，并在鎖口空隙注入止水劑形成密封的止水帷幕作為超前支護(hù)。然后，在管幕支護(hù)下，進(jìn)行地下構(gòu)筑物施工。管幕法施工，可以顯著減少地面沉降，增強(qiáng)開挖掌子面穩(wěn)定性。在高地下水情況下，管幕隔離作用可以有效減少地下水對(duì)施工的影響。

2.2 管幕法施工工藝流程

天津干線穿越京滬高速公路工程管幕法施工工藝流程如下：①在公路兩側(cè)施工鋼管頂進(jìn)基坑和接受基坑，并在頂進(jìn)基坑設(shè)置導(dǎo)坑、導(dǎo)軌和后靠背，在接受基坑設(shè)置接受導(dǎo)軌；②利用小型頂管機(jī)按設(shè)計(jì)軸線依次頂入鋼管，在鋼管鎖口注漿形成封閉管幕；③箱涵頂進(jìn)工作坑基坑降水，施工基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，開挖基坑，做好后背土體加固，澆筑后背梁混凝土，安裝頂進(jìn)設(shè)備和觀測(cè)設(shè)備，做好滑板基礎(chǔ)處理，筑造滑板，敷設(shè)潤(rùn)滑隔離層；④依次澆筑鋼筋混凝土箱涵；⑤箱涵試頂；⑥箱涵正式頂進(jìn)，直至施工結(jié)束。

2.3 管幕施工

2.3.1 鋼管頂進(jìn)

根據(jù)本工程地質(zhì)以及水文地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)要求，為保證管幕施工精度、滿足地面沉降控制和最大頂推力要求，天津干線穿越京滬高速公路工程選用具有國(guó)際領(lǐng)先水平的日本RASA公司生產(chǎn)的DH-800型泥水平衡盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)Φ970鋼管、DT-325型泥水平衡盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)Φ325鋼管。考慮土體壓力、機(jī)頭摩阻以及鋼管側(cè)摩阻等，經(jīng)計(jì)算管幕頂進(jìn)最大推力為1 570 kN。

該盾構(gòu)機(jī)由設(shè)備主體、后方頂進(jìn)裝置、泥水平衡和輸送系統(tǒng)、操作系統(tǒng)四部分組成。設(shè)備主體從前端開始，依次布置條幅式刀盤及其驅(qū)動(dòng)裝置、方向控制千斤頂、液壓動(dòng)力站、電氣控制臺(tái)、方向指針和儀表板以及電視攝像機(jī)，下部設(shè)送排泥管。后方頂進(jìn)裝置采用三段等推力構(gòu)造，最大總推力2 000 kN，系統(tǒng)可通過液壓回路在0～2 000 kN間實(shí)現(xiàn)推力的無級(jí)調(diào)節(jié)。盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)最大速度為100 mm/min。通過頂進(jìn)面壓力和排泥流量調(diào)節(jié)頂進(jìn)速度，一般控制在50～100 mm/min，以控制地面沉降。頂進(jìn)過程中泥土的排出，由以送排泥泵為動(dòng)力的泥水輸送系統(tǒng)進(jìn)行。操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遙控操作，由控制電纜和同軸電纜分別將機(jī)內(nèi)電氣和圖像信號(hào)傳送至工作坑內(nèi)操作臺(tái)儀表盤或屏幕上，操作員根據(jù)情況操作設(shè)備主體、后方頂進(jìn)裝置和泥水輸送系統(tǒng)。

鋼管頂進(jìn)精度是本工程成敗的關(guān)鍵，否則易引起鋼管鎖口變形或脫焊，嚴(yán)重者導(dǎo)致管幕無法閉合，甚至后續(xù)箱涵頂進(jìn)無法實(shí)施。因此，鋼管頂進(jìn)采取了嚴(yán)格的精度控制措施：

（1）設(shè)置基準(zhǔn)頂管：?jiǎn)胃敼懿皇苕i口約束，頂進(jìn)時(shí)先行頂進(jìn)多根基準(zhǔn)管，控制基準(zhǔn)管頂進(jìn)精度在±3 cm，在此基礎(chǔ)上可有效提高管棚整體頂進(jìn)精度。

（2）建立方向誘導(dǎo)糾偏系統(tǒng)：盾構(gòu)機(jī)配備激光誘導(dǎo)裝置，使得頂進(jìn)嚴(yán)格控制在正確方向上，實(shí)現(xiàn)高精度頂進(jìn)作業(yè)，最大軸向偏差要求控制在±25 mm。

（3）嚴(yán)格控制頂進(jìn)速度：開始頂進(jìn)和結(jié)束頂進(jìn)之前速度不宜過快，頂進(jìn)過程中頂進(jìn)速度應(yīng)逐步提高，并盡量保持均衡，減少波動(dòng)。同時(shí)，頂進(jìn)速度要適應(yīng)注漿要求。一般正常頂進(jìn)條件下，控制頂進(jìn)速度在50 mm/min左右，遇障礙物或地基加固土體則將頂進(jìn)速度控制在10 mm/min以內(nèi)。

（4）旋向糾偏：由于本工程選用盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭較小、重量較輕，頂進(jìn)過程中易發(fā)生偏轉(zhuǎn)位移，導(dǎo)致鎖口扭曲受損。施工中，要在洞口設(shè)置約束鋼管軸向旋轉(zhuǎn)的加固裝置，在洞外管與導(dǎo)軌間設(shè)置限制鋼管旋轉(zhuǎn)控制裝置。頂進(jìn)過程中，根據(jù)情況不斷改變刀盤旋轉(zhuǎn)方向控制鋼管旋向偏轉(zhuǎn)，同時(shí)配備偏轉(zhuǎn)傳感器并在盾構(gòu)機(jī)一側(cè)疊加配重。上述措施可有效控制旋向偏差。

頂進(jìn)施工過程中，為減小頂進(jìn)阻力，需要向管外環(huán)狀間隙壓入適量減阻泥漿。減阻泥漿在管外壁與土體之間形成泥漿套，避免了干澀摩擦，減小了管壁與土體間的摩阻力，頂進(jìn)力可大大減小。另外，施工中控制減阻泥漿壓力大于土應(yīng)力，可起到對(duì)周圍土體的支撐作用。

鋼管內(nèi)間隔10～12 m布置1組注漿孔，每組2孔，間隔布置在兩側(cè)鎖口一上一下。采用螺桿泵通過注漿孔和盾構(gòu)機(jī)鉸接處壓漿，壓漿與頂進(jìn)同步進(jìn)行，保證管外環(huán)狀間隙基本處于穩(wěn)壓狀態(tài)。注漿壓力基本保持在管頂覆土壓力的2.5倍以內(nèi)，頂部注漿壓力為0.2～0.4 MPa，底部注漿壓力為0.3～0.6 MPa。減阻泥漿質(zhì)量要穩(wěn)定，要求不失水、不沉淀、不固結(jié)，具有良好的流動(dòng)性和一定稠度，保證足夠的運(yùn)動(dòng)黏滯度，以達(dá)到潤(rùn)滑-支撐雙重作用。

2.3.2 管幕注漿

由于京滬高速公路穿越工程地下水位較高，為了保證止水效果、提高管幕整體性，鋼管頂進(jìn)完成后應(yīng)置換減阻泥漿，并對(duì)鋼管鎖口進(jìn)行注漿。

（1）減阻泥漿置換：當(dāng)左右相鄰2根鋼管頂入后，進(jìn)行減阻泥漿置換。置換材料采用純水泥漿，要求其凝固體強(qiáng)度介于5 000～1 000 kPa之間，既保證足夠連接強(qiáng)度，又不會(huì)在箱涵頂進(jìn)時(shí)產(chǎn)生太大阻力。置換注漿采用后退式注漿，即自管幕中間開始注漿，按一定間距設(shè)置出漿孔，出漿口排出泥漿中見水泥漿后關(guān)閉出漿口，加壓后停止注漿。再以此出漿口為進(jìn)漿口，設(shè)下一出漿口，依次類推，直至全部間隙充滿水泥漿。注漿置換率不低于90%，注漿壓力控制在減阻泥漿注漿壓力1.5～2倍之間，即0.2～0.6 MPa，瞬間壓力不超過1 MPa。

（2）鋼管鎖口注漿：減阻泥漿置換完成后，需對(duì)鋼管鎖口進(jìn)行注漿。注漿口預(yù)留在鎖口母口一側(cè)，注漿材料選用聚氨酯，注漿應(yīng)保證密封良好的止水效果。

2.3.3 鋼管充填

為增強(qiáng)管幕整體剛度、防止鋼管銹蝕后造成地面沉降，管幕頂進(jìn)施工結(jié)束后需對(duì)鋼管內(nèi)充填無收縮、免振搗混凝土。充填材料選用具有良好流動(dòng)性和自密實(shí)性能的細(xì)石混凝土，采用自封閉端后退式泵送灌注，以鋼管體積和灌注量判斷填充密實(shí)程度。

2.4 箱涵頂進(jìn)施工

天津干線京滬高速公路穿越工程路基段采用3節(jié)箱涵分別進(jìn)鎬頂進(jìn)方案?；娱_挖完成后，施工雙排1.2 m直徑鋼筋混凝土灌注樁后背墻，樁距1.4 m。后背墻與千斤頂間設(shè)置1.2 m×1.0 m鋼筋混凝土后背梁。同時(shí)，預(yù)制3節(jié)鋼筋混凝土箱涵，節(jié)間設(shè)置中繼間。

考慮土體壓力、箱涵四周摩阻等因素，第1節(jié)箱涵最大頂力為2 800 t，第2、3節(jié)最大頂力為3 000 t。中繼間和后背處均采用10個(gè)500 t千斤頂，油泵采用ZK500型超高雙級(jí)軸向柱塞泵。箱涵頂進(jìn)采用吃土頂進(jìn)，即在箱涵首部設(shè)置鋼刃角，鋼刃角要始終插入土體，然后挖土、頂進(jìn)，循環(huán)往復(fù)。頂進(jìn)和開挖過程中，要保證掌子面穩(wěn)定，且嚴(yán)禁超挖，始終保證鋼刃角對(duì)前方土體的支撐作用，以免背側(cè)土體流失引起沉降。必要時(shí)，對(duì)開挖面進(jìn)行超前注漿加固。

箱涵頂進(jìn)過程中，采用了以下糾偏措施以控制箱涵姿態(tài)：①箱涵外表面和鋼刃角涂抹潤(rùn)滑劑，減少頂進(jìn)阻力。②頂進(jìn)基坑、進(jìn)洞口箱涵兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)正墩，進(jìn)洞口箱涵頂板與側(cè)壁設(shè)置滾軸支點(diǎn)臺(tái)車，保證進(jìn)洞前軸線不發(fā)生偏移。③保證所有千斤頂同步頂進(jìn)，盡量不發(fā)生偏移。頂進(jìn)過程中，隨時(shí)采用定位儀器監(jiān)測(cè)箱涵偏移情況。發(fā)現(xiàn)偏移，則調(diào)節(jié)相應(yīng)千斤頂進(jìn)行糾偏，糾偏有效后方可正常頂進(jìn)。④頂進(jìn)基坑內(nèi)滑板應(yīng)平整，滑板表面光滑，并噴涂潤(rùn)滑劑，滑板高程誤差控制在±3 mm，頂面預(yù)留2%抬頭坡度以控制箱涵下沉?；宓? m以內(nèi)土體進(jìn)行注漿加固，避免滑板沉降。

頂進(jìn)結(jié)束后，通過箱涵外壁預(yù)留注漿孔，對(duì)箱涵與外側(cè)土體間隙注入水灰比1∶1的水泥漿，注漿完成后封堵注漿孔。

3 結(jié)語

天津干線京滬高速公路穿越工程采用鋼管帷幕支護(hù)下的箱涵頂進(jìn)施工工藝，對(duì)周圍土體干擾小，能有效控制地面沉降，施工安全可靠，保證了施工期高速公路運(yùn)行安全和輸水箱涵順利實(shí)施，為大型引調(diào)水工程穿越高等級(jí)公路、重要鐵路等設(shè)施提供了一套切實(shí)可行的新型施工技術(shù)。