新東路下穿京港澳高速箱涵施工技術(shù)

周 勇

(湖南省交通科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410015)

1 簡(jiǎn)介

箱涵頂推是一種非開挖的穿越道路、鐵路、機(jī)場(chǎng)等的地下施工技術(shù)，這種技術(shù)最早于1971 年出現(xiàn)在日本的穿越鐵路的通道工程中。在國(guó)內(nèi)，由于現(xiàn)在地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變，具有更多的不確定性，施工過程就變得更加不確定，不利因素就會(huì)更多，但是由于箱涵頂推施工具有很多優(yōu)勢(shì)，利用自身的優(yōu)勢(shì)可以彌補(bǔ)施工過程中問題的不足，從而大大的增加了施工的進(jìn)度和安全性，如無需開挖、不中斷交通、與地面施工干擾小等，所以這種技術(shù)已在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用，并且取得了更大效益。然而箱涵施工過程中，監(jiān)測(cè)也是必不可少的環(huán)節(jié)，通過監(jiān)測(cè)可以時(shí)刻地觀察到整個(gè)施工過程中信息與不利因素，然而信息化施工就是利用監(jiān)控測(cè)量和信息反饋技術(shù)對(duì)施工過程進(jìn)行控制，為施工期間優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)提供可靠情報(bào)，對(duì)后續(xù)施工方案提出建議，預(yù)測(cè)施工過程可能出現(xiàn)的險(xiǎn)情并采取預(yù)防措施。在國(guó)內(nèi)外，很多學(xué)者都對(duì)箱涵進(jìn)行了研究、分析與探討，都取得了一定成果，然而本項(xiàng)目的施工環(huán)境較為特殊，地表沉降控制要求嚴(yán)格、頂進(jìn)距離長(zhǎng)、地下水位高、地質(zhì)條件差。通過這個(gè)項(xiàng)目，為研究在復(fù)雜條件下的箱涵施工控制技術(shù)，對(duì)箱涵在頂進(jìn)施工過程中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、滑行道沉降、箱涵的空間姿態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)反饋監(jiān)測(cè)結(jié)果，為后面的施工過程提供可靠的依據(jù)。

2 工程概況

本工程為湖南株洲歐洲工業(yè)園新東路下穿京港澳高速相交工程，線路中線相交于京港澳高速K1540 處。采用正交箱涵，兩孔單箱單室箱框長(zhǎng)45 m，寬2×15 m，箱涵內(nèi)凈寬13 m，凈高5.2 m。軸線與高速公路斜交夾角89°。箱涵采用中繼間法(無縫帶土頂進(jìn))，頂進(jìn)箱涵分三節(jié)預(yù)制，每節(jié)長(zhǎng)度分別為:13、15、17 m，節(jié)與節(jié)之間設(shè)一道3 cm 的沉落縫，箱涵頂板至高速公路路面為2.1 ～1.8 m。箱涵位于粉質(zhì)粘土中，箱涵底處土層為粉質(zhì)粘土，但根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，該處含水量極為豐富，地基承載力180 ～200 kPa，可作為基礎(chǔ)持力層。本箱涵頂進(jìn)穿過京港澳高速公路，施工的工作坑及施工預(yù)制場(chǎng)地均布置在高速公路的東側(cè)位置，箱涵在工作坑內(nèi)順向預(yù)制。

3 箱涵頂推的檢算

3.1 已知計(jì)算條件

本箱涵15 m 寬，每延米箱涵體積:44.5 m3;

C40 砼容重:γ=2.6 t/m3;

每延米箱涵質(zhì)量:44.5 m3/m×2.6 t/m3=115.7 t/m;

每節(jié)箱涵質(zhì)量:115.7 t/m×15 m+300 t(“鋼盾構(gòu)”重量)=2 035.5 t。

3.2 箱涵最大頂力計(jì)算

箱涵最大頂力計(jì)算公式:

式中:P 為最大頂力，t;K 為安全系數(shù)，取值1.2;N1為箱涵頂面上荷重(由A1+A2+A3三部分組成)。

A1汽車荷載:由高速公路橫斷面設(shè)計(jì)圖中知箱涵頂進(jìn)時(shí)最多時(shí)有3 條車道，其中兩條行車道，一條應(yīng)急車道(按兩條重型車道計(jì)算)。高速公路設(shè)計(jì)荷載為汽－超20，掛－120?？紤]到高速公路上所行駛車輛的實(shí)際重量，取用超載系數(shù)1.1;

土層厚僅2.1 ～1.8 m，取沖擊系數(shù)1.2。

所以最不利汽車荷載為:

A1=2×55 t×1.1×1.2=145 t;

A2土體重:(15 m×15 m×2 m)×2.1 t/m3=945 t;

A3鋼盾構(gòu)頂板上土體重:10 m×15 m×2 m×2.1 t/m3=630 t;

則:N1=A1+A2+A3=1 720 t。

f1為橋涵頂上表面與頂上荷重的摩擦系數(shù)，取f1=0.3;

N2為箱涵身重，經(jīng)以上計(jì)算N2=2 035.5 t;

f2為箱涵底板與基底土的摩擦系數(shù);根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及本工程采取的一系列減阻措施，f2取值0.7;

E 為兩側(cè)土壓力，按計(jì)算公式:E=1/2(e1+e2)×HL;

箱涵頂土壓:e1=ξrH1=0.3×1.8 t/m3×2 m=1.08 t/m2;

箱涵底土壓:e2=ξrH2=0.3×1.8 t/m3×10.1 m=5.454 t/m2;

其中ξ 為靜土壓力系數(shù)，ξ=0.3;r 為填料容重，京港澳高速公路在該段為填土路堤，取r=1.8 t/m3;H1為路面至箱涵頂高度，H1=2 m;H2為路面至箱涵底板底高度，H2=10.1 m;

所以:E=1/2(1.08 t/m2+5.454 t/m2)×8.1 m×15 m=396.9 t;

f3為箱涵側(cè)向摩擦系數(shù):根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及本工程采取的一系列減阻措施，f3取0.7。

R 為鋼刃角的正面阻力;

A 為鋼刃角正面積;

由于本工程采取的特殊方案，RA=0;

故:

3.3 所需油頂臺(tái)數(shù)

頂進(jìn)采用320 t 油頂，單臺(tái)320 t 油頂實(shí)際頂力:P1=320 t×70%=224 t(單臺(tái)油頂按額定頂力的70%計(jì)算)。

N=4 440.61 t/224 t=19.8 臺(tái)，故所以需320 t油頂20 臺(tái)，為了施工現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)應(yīng)急需要，備用油頂2 臺(tái)，共22 臺(tái)。

4 施工過程的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 路基加固及安全防護(hù)處理

箱涵施工安全的進(jìn)行主要還是要考慮到其他的因素，整個(gè)項(xiàng)目安全完工關(guān)系到整個(gè)施工過程中的每個(gè)環(huán)節(jié)，然而路基的加固和安全防護(hù)措施是第一要?jiǎng)?wù)，要做好排水系統(tǒng)，在此項(xiàng)目的東西面沿高速公路方向各做一條排水溝，將路面雨水引至路基坡腳排出，并對(duì)邊坡進(jìn)行覆蓋引水，減少雨水在頂進(jìn)過程中帶入對(duì)路基的浸泡;頂進(jìn)施工過程中，根據(jù)施工進(jìn)度的需要，為確保施工安全及路面行車安全，對(duì)高速公路的車輛進(jìn)行限速引導(dǎo)，限速60 km/h，在施工段內(nèi)嚴(yán)禁超車和變道，以預(yù)防任何意外事故的發(fā)生。

4.2 箱涵的預(yù)制

整個(gè)箱涵頂進(jìn)的過程都需要依靠整個(gè)箱涵的涵身，所以箱涵的預(yù)制就尤為重要，并且其施工完成后要保證其在整個(gè)施工過程中的完好性，防止在施工過程中出現(xiàn)開裂、脫節(jié)的情況，所以箱涵的制作也是關(guān)鍵的因素之一，首先先間隔綁扎箱涵墻身部位的水平鋼筋，隨混凝土灌筑時(shí)再逐一綁上，便于混凝土的震搗;箱身底板鋼筋焊接時(shí)應(yīng)在施焊地點(diǎn)鋪設(shè)一塊石棉板，隨著焊接位置而移動(dòng)，以免燒壞隔離層。內(nèi)外模板均采用1.5 m×1.2 m 的大塊鋼模，邊墻倒角采用特制的整塊角模，以保證混凝土澆灌質(zhì)量和外觀;箱涵外模板支架采用鋼管支柱式支撐，內(nèi)模板支架采用承插型扣式鋼管支架，頂板及實(shí)體段橫向間距60 cm，底板及立墻處的橫向間距為90 cm，箱涵的縱向間距均為60 cm，步距120 cm，剪刀撐用φ 48×3.5 mm 的鋼管搭設(shè)，整個(gè)支架的橫向、縱向和水平方向都用剪刀撐加固。每一塊模板設(shè)4 根Ф 14 的對(duì)拉螺桿將內(nèi)外側(cè)支撐鎖緊，確保模板支立直順平整，不得出現(xiàn)鼓肚、錯(cuò)茬現(xiàn)象。當(dāng)箱涵制作完成之后應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)，如果沒有達(dá)到規(guī)定的要求，應(yīng)該要求重新進(jìn)行預(yù)制，一定要達(dá)到施工的要求，并且做好施工記錄，以防后面箱涵的預(yù)制出現(xiàn)類似的問題，杜絕犯第二次錯(cuò)誤。

4.3 箱涵頂進(jìn)施工流程

在進(jìn)行頂進(jìn)涵施工過程中，需先在頂進(jìn)的一側(cè)挖工作坑，然后在坑內(nèi)做一滑板，滑板上預(yù)制鋼筋混凝土箱涵，再在離箱涵尾部不遠(yuǎn)處打入板樁修筑后背，在后背與箱涵底板之間安裝千斤頂，千斤頂借后背的反力將橋涵頂入路基，后背是重要的施工組成部分，承受著頂進(jìn)時(shí)的全部水平頂力，雖然是臨時(shí)結(jié)構(gòu)，但直接影響工程的質(zhì)量和進(jìn)度。

箱涵頂進(jìn)施工是工程中的重點(diǎn)、難點(diǎn)工程，采用盾構(gòu)法頂進(jìn)施工，它屬于切削泥土，人力定位出土，帶公路坡比頂進(jìn)。掘進(jìn)時(shí)，各掘進(jìn)機(jī)構(gòu)相繼推進(jìn)20 cm 后，將箱涵底板前滯后的坡比土轉(zhuǎn)出相同距離，并推進(jìn)箱涵為一工作循環(huán)，轉(zhuǎn)運(yùn)土方與頂進(jìn)工作循環(huán)交替進(jìn)行。上部土方由掘進(jìn)機(jī)構(gòu)前刃切割下落。開頂前，應(yīng)進(jìn)行試頂，做好路基的檢查、頂進(jìn)設(shè)備的檢查。基底處理完畢后即刻頂進(jìn)，基底暴露時(shí)間不宜過長(zhǎng)。頂進(jìn)過程中應(yīng)根據(jù)上一循環(huán)制定出的糾偏措施，積極實(shí)施糾偏。頂進(jìn)施工工藝流程如圖1 所示。

圖1 頂進(jìn)施工工藝流程圖

由于盾構(gòu)殼體與框構(gòu)套連成一個(gè)整體并一起作用運(yùn)動(dòng)，主體利用22 臺(tái)320 t 油壓頂布置于頂進(jìn)箱涵的末端按合力的軸線方向布置，設(shè)置糾偏千斤頂來推動(dòng)整個(gè)箱涵的前進(jìn)。中繼間共設(shè)一套液壓系統(tǒng)，利用后節(jié)箱涵作后背來推動(dòng)前節(jié)箱體的前進(jìn)，并隨時(shí)調(diào)節(jié)中繼間的油頂數(shù)量，中繼間的油頂分別由一套液壓操縱臺(tái)來控制。計(jì)算好頂進(jìn)過程中的合力的作用線，設(shè)置糾偏千斤頂，按照力的分解線來調(diào)整油頂?shù)奈恢谩?/p>

4.4 箱涵頂進(jìn)控制措施

當(dāng)所有的準(zhǔn)備工作做好之后，接下來要做的就是箱涵的頂進(jìn)，然而在箱涵頂進(jìn)的過程中要先確定好應(yīng)該要采取哪些措施去控制其達(dá)到合理的要求，并且要預(yù)估施工過程中可能出現(xiàn)的問題，并做好應(yīng)對(duì)措施。箱涵頂進(jìn)施工過程中，基底處理完畢后即刻頂進(jìn)，基底暴露時(shí)間不宜過長(zhǎng)。箱涵頂進(jìn)過程中應(yīng)觀測(cè)油泵的工作壓力數(shù)值，如有異樣，則應(yīng)停止頂進(jìn)，查找問題，以防止頂進(jìn)設(shè)備損傷及其他事故發(fā)生，解決問題后，再行頂進(jìn)。頂進(jìn)過程中應(yīng)根據(jù)上一循環(huán)制定出的糾偏措施，積極實(shí)施糾偏。左右糾偏為利用油頂非均勻布置來完成，在頂進(jìn)過程中，盡量使整個(gè)箱涵受力均勻，左右頂程保持一致，勤觀測(cè)和檢查，找出偏差趨勢(shì)和出現(xiàn)偏差原因，及早處理。

油頂?shù)奈恢帽仨毞胖脺?zhǔn)確，在頂進(jìn)過程中，油頂按箱涵受力的軸線均勻布置于箱涵底板尾部，使整個(gè)箱涵受力均勻，左右頂程保持一致，挖土應(yīng)兩側(cè)對(duì)稱，勤觀測(cè)和檢查，找出偏差趨勢(shì)和出現(xiàn)偏差原因，及早處理，其處理方法為(以沿頂進(jìn)方向?yàn)闇?zhǔn)):當(dāng)左側(cè)偏移時(shí)，千斤頂?shù)淖髠?cè)緩慢頂進(jìn)，而右側(cè)的千斤頂鎖定油壓，直到符合測(cè)量的中線為止，右側(cè)則相反;同時(shí)在頂進(jìn)過程中控制好底部基礎(chǔ)的挖土，可以適當(dāng)采取超挖的辦法來進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，采取欠挖基礎(chǔ)土方或通過對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行一定的處理，并采用調(diào)節(jié)前盾構(gòu)座底板的挖土來消除出現(xiàn)的偏差。

在施工過程中監(jiān)測(cè)是必不可少的環(huán)節(jié)，并且是重中之重的環(huán)節(jié)，它提供的數(shù)據(jù)可以人為的最好的防止出現(xiàn)不必要的隱患，施工過程本就是一個(gè)復(fù)雜多變的過程，所以要做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)檢查，校對(duì)糾偏。在頂進(jìn)過程中應(yīng)該進(jìn)行控制及建立人工記錄與觀測(cè):在后背以后的某一位置設(shè)立觀測(cè)儀器，每頂完一個(gè)行程，且不得超過2 m，對(duì)框架進(jìn)行中線和水平的檢查，并作好記錄;在盾構(gòu)的前后設(shè)置一水平中線點(diǎn)，框箱每進(jìn)一個(gè)行程對(duì)其進(jìn)行水平、中線的監(jiān)測(cè)，并對(duì)測(cè)量成果予以分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)及解決問題，做好“鋼盾構(gòu)”行走軸線圖記錄;在公路上左右兩幅框架橋?qū)?yīng)的位置共設(shè)置12 個(gè)觀測(cè)樁點(diǎn)，每天3 次觀測(cè)公路的沉降變化情況;在頂進(jìn)中注意觀察油壓的變化情況，并作好記錄，對(duì)出現(xiàn)異常情況予以分析解決;在中繼間建立觀測(cè)點(diǎn)，注意箱體前后節(jié)標(biāo)高及位移的變化，以便對(duì)施工頂進(jìn)方案進(jìn)行調(diào)整。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)在高速公路的建設(shè)越來越迅速，高速公路的建設(shè)也越來越重要，然而現(xiàn)在公路的施工環(huán)境也變得越來越復(fù)雜多變，很多因素都會(huì)影響整個(gè)施工過程，從而影響整個(gè)施工的進(jìn)度、安全和成本，對(duì)甲方或者乙方都是不必要的損失，而箱涵頂推的施工有效地解決了這個(gè)難題，雖然隨著時(shí)代的發(fā)展，許多施工方法也越來越多越來越先進(jìn)，除了一些專門的施工方法外，但是高速公路中更多的采用的是箱涵頂推施工，本文主要是根據(jù)一個(gè)完整的施工項(xiàng)目，通過理論計(jì)算和施工過程中的箱涵的安裝，介紹了在施工過程中的理論和重要的技術(shù)的應(yīng)用，為同類工程提供一個(gè)比較好的理論基礎(chǔ)和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，使之在今后的施工過程中提供重要的技術(shù)支持。

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