管幕箱涵頂推法在市政道路下穿高速公路中的應用

高法啟 胡寶成 楊濤 魏斌

1.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司 武漢 430010

2.中鐵上海工程局集團有限公司 200000

引言

城市道路建設(shè)受征地拆遷影響、自然障礙物阻隔等因素限制，經(jīng)常存在一些斷頭路、瓶頸段等情況。這些未通節(jié)點嚴重影響路網(wǎng)整體功能的發(fā)揮，降低路網(wǎng)運行效率和服務品質(zhì)，也給沿線交通出行造成很大不便，采取建設(shè)地下通道穿越障礙物消除交通瓶頸是目前較為常見的方法［1］。地下通道的施工方法有很多，如頂管法、盾構(gòu)法、管幕箱涵法等，其中管幕箱涵法具有獨特的優(yōu)勢。

管幕箱涵工法是在擬頂推箱涵的周圍預先頂入鋼管，鋼管之間采用鎖口連接并注入防水材料而形成密性地下空間，然后在此空間內(nèi)頂推預制箱涵的方法［2］。管幕箱涵工法具有以下優(yōu)點：不中斷地面交通；地面沉降較小；可以連續(xù)施工；適用于各種土層。

湖北荊門市泉水大道建設(shè)工程下穿襄荊高速公路時采用管幕箱涵工法，在不中斷高速交通的情況下順利穿越，高速公路地面沉降在允許范圍內(nèi)，證明了此工法的優(yōu)越性。

1 工程概況

泉水大道是荊門市北城區(qū)的重要通道，為雙向六車道，設(shè)計車速50km／h，在與襄荊高速交叉位置下穿通過，該段長度約49m。

下穿襄荊高速段具有以下特點：下穿施工時不能中斷襄荊高速通行；為保證道路縱坡，下穿結(jié)構(gòu)頂部覆土較淺；襄荊高速公路對沉降要求較高；下穿結(jié)構(gòu)斷面寬度較大，總寬度達40m；施工工期緊。

上述特點要求本工程設(shè)計方案必須可靠，施工必須保證安全且進度要快，對周邊的影響降到最低。

2 工程地質(zhì)條件

工程地貌簡單，地形有一定起伏，地下水對建設(shè)工程影響較小，地表排水良好，場地基本穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)作用，較適宜該工程的建設(shè)。

根據(jù)巖土工程勘察報告，箱涵頂推所穿越的主要土層基本情況如表1 所示。

表1 巖土層基本特征表Tab.1 Basic characteristics of rock and soil layer

3 總體設(shè)計方案

3.1 施工方法選擇

根據(jù)地質(zhì)條件、埋設(shè)深度、斷面形狀及尺寸、施工條件及工期要求，可選擇的施工方案主要有淺埋暗挖法、管幕箱涵頂推法。

淺埋暗挖法沿用新奧法基本原理，初次支護按承擔施工期間全部荷載設(shè)計；初次支護和二次襯砌共同承擔使用期間全部荷載。本項目由于橫斷面過大，覆土為填土且厚度過淺，采用淺埋暗挖法地表變形大，風險高。

管幕箱涵頂推法是管幕工法和箱涵頂推工法的結(jié)合。采用管幕箱涵工法在管幕的保護下施工箱涵，可以減少施工時地面的沉降。適合于周圍環(huán)境敏感、淺覆土、大斷面非開挖隧道。

根據(jù)以上分析，本項目下穿襄荊高速公路采用管幕箱涵頂推法施工。

3.2 箱涵結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.箱涵橫斷面

泉水大道由雙向六車道機動車道與兩側(cè)人非混合車道構(gòu)成，頂推箱涵可布置單箱四孔斷面、雙箱兩孔斷面和四箱單孔斷面3 種斷面形式，單箱四孔斷面寬度大、施工風險高、造價較小，雙箱兩孔斷面施工風險可控、造價適中，四箱單孔斷面寬度小、施工風險較小，造價高，綜合比選頂推箱涵斷面采用雙箱兩孔斷面。

根據(jù)下穿箱涵建筑限界及頂上覆土層厚度與荷載，對結(jié)構(gòu)進行受力分析計算，確定箱涵頂板、底板、邊墻及中隔板厚度。單個頂推箱涵斷面寬度19.6m，高度7.6m，其中結(jié)構(gòu)頂板厚1.1m，底板厚1.2m，側(cè)墻厚0.9m，中墻厚0.6m，左右幅凈距0.8m。如圖1 所示。

圖1 箱涵結(jié)構(gòu)橫斷面（單位： mm）Fig.1 Cross section of box culvert structure（unit：mm）

2.結(jié)構(gòu)分析

箱涵結(jié)構(gòu)計算采用荷載-結(jié)構(gòu)模式，按彈性地基上的閉合框架進行分析，地基反力采用壓彈簧模擬。結(jié)構(gòu)安全等級為一級，構(gòu)件的重要性系數(shù)1.1。考慮施工和使用階段可能出現(xiàn)的最不利荷載組合，按承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)的進行設(shè)計。

3.防水設(shè)計

結(jié)構(gòu)防水等級為二級，混凝土抗?jié)B等級不小于P8，箱涵結(jié)構(gòu)外表面噴涂石蠟兩層，內(nèi)外表面噴涂滲透結(jié)晶材料。

節(jié)段間接縫采用1 道遇水膨脹橡膠＋1 道三元乙丙橡膠密封墊進行防水，遇水膨脹橡膠和三元乙丙橡膠的接頭處須錯開500mm 以上，同時與節(jié)段底板中繼間處的開槽、鋼插銷處開洞等錯開。

3.3 管幕設(shè)計

1.管徑及節(jié)長

從提高支護強度的角度考慮，管徑越大，管幕能提供的強度越高。但隨著管徑的增加，需要提供的最小覆土厚度也增大。結(jié)合國內(nèi)外同類項目的調(diào)查，考慮到本項目施工期間襄荊高速不中斷交通，地面荷載較大，變形控制嚴格，管幕采用鋼管，直徑采用245mm，壁厚10mm。根據(jù)場地情況及施工條件，鋼管節(jié)長采用5m。

2.覆土厚度

由于管幕法屬于比較新的非開挖工藝，在我國起步較晚，目前國內(nèi)還沒有正式出臺相應的規(guī)范。參考德國非開挖協(xié)會ATV-A125 的相關(guān)規(guī)定，覆土厚度不應小于2 倍頂管直徑，最小值為1m。當在鐵路或者公路下面進行頂推施工時，最小覆土厚度應大于2.5 倍頂管直徑＋0.5m。《頂管施工技術(shù)及驗收規(guī)范》1.0.8 條規(guī)定［3］，頂管的附土厚度不小于3m。結(jié)合本項目的特點及平縱線型，箱涵頂部覆土厚度取4.3m ～4.65m。

3.鎖口設(shè)計

箱涵頂部及左右側(cè)鋼管之間采用鎖口連接，鎖口采用四塊∠75 ×75 ×8 角鋼與鋼管焊接而成。鎖口的主要作用是增強鋼管幕之間的橫向連接，并可以密封止水，堵塞自上而下的水流路徑，以減小地面沉降［4］。該種接頭抗彎剛度較大，制作時易于加工，管幕頂推時易于控制，如圖2所示。

圖2 管幕鎖口示意（單位： mm）Fig.2 Schematic diagram of pipe curtain lock（unit：mm）

4.填充設(shè)計

為了提高管幕的剛度，管幕出土完成之后，在出露端封堵并焊接混凝土灌注管，同時安設(shè)排氣管，管口要求高于管幕10cm，鋼管內(nèi)高壓灌注M30 水泥砂漿，直到壓力達到0.5MPa，并穩(wěn)定5min，灌滿后封堵端口。

5.管幕與箱涵間隙尺寸

管幕與箱涵之間所預留空隙的大小對地表沉降的影響較為明顯。根據(jù)已有工程經(jīng)驗，一般有兩種預留方式：其一，留較大的空隙尺寸，使箱涵頂推中箱涵與管幕之間的土體能保留，比如臺北松山機場下穿跑道的頂推箱涵工程預留頂部285mm、側(cè)部431.5mm的空隙。其二，留較小空隙尺寸，箱涵頂推中不保留空隙中土體，代替以加壓的潤滑漿液，上海中環(huán)線虹許路一北虹路地下立交通道工程采用該種方式，頂部和兩側(cè)預留了100mm的空隙，推進的同時向空隙加注潤滑漿液［5］。根據(jù)施工中的經(jīng)驗當留土厚度小于0.5m時，頂推過程中往往會出現(xiàn)空隙之間的土體隨頂推向前擠密，繼而后部形成孔洞的問題，易造成管幕局部較大下沉。而采用小間隙的方案時如果做好潤滑漿液的填充和保壓，就能較好的控制鋼管下沉進而減小地面沉降。但小間隙方案對管幕施工設(shè)備也提出了較高的精度要求?？紤]到頂管施工過程中的誤差、頂管下沉量以及與兩端環(huán)框梁的連接問題，本項目采用第二種預留孔隙方式，在箱涵頂部預留了200mm 的空隙，兩側(cè)預留233mm 的空隙，左右幅之間預留278mm的空隙。

3.4 后靠背設(shè)計

箱涵頂推過程中，為了將頂推力均勻、有效的作用在所頂推的箱涵上，后靠背結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵。本工程后靠背采用承受水平荷載的承臺樁基的形式，樁基采用D1200 灌注樁，樁長5m，沿頂推方向設(shè)置3 排，每排11 根。樁頂承臺為1.4m厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土板。

3.5 滑板設(shè)計

預制場地既是隧道節(jié)段預制區(qū)，又是隧道節(jié)段頂推滑行面，要求頂推滑面平整，并應采取措施保證滑板穩(wěn)定，不被前頂?shù)乃淼拦?jié)段帶走。

滑板采用300mm 厚C25 鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)，其上依次設(shè)20mm 厚M10 水泥砂漿抹面，石蠟（摻25%機油）一層，滑石粉一層，2mm 厚薄鋼板；滑板寬40.6m，縱向沿頂推后背至隧道洞口范圍鋪設(shè)，滑板中心線應與路線中心線一致，滑板坡度可根據(jù)頂推施工控制需要略緩于道路坡度；滑板底部設(shè)縱橫錨梁，滑板上部設(shè)置方向墩；滑板頂面平整度誤差不得大于2mm，預制每節(jié)箱涵前須復核滑板的標高和平整度。

頂推節(jié)段在頂推時容易出現(xiàn)‘扎頭’和‘抬頭’的現(xiàn)象，其調(diào)整比較困難，因此，推薦采用在隧道節(jié)段底預鋪滑行軌道的技術(shù)方案?；墤蓪I(yè)施工隊伍施工，保證其縱向偏差不超過2cm?；夁€必須具有較大的強度和剛度，確保其在施工期間不變形，不移位。

3.6 中繼間設(shè)計

箱涵節(jié)與節(jié)之間設(shè)中繼間，中繼間頂端、兩側(cè)設(shè)鋼板護套，防止四周土體落入箱涵內(nèi)。箱涵體內(nèi)底板設(shè)擋土鋼板，防止箱涵內(nèi)運土落入底板鎬窩。鋼護套位于箱體外側(cè)，防止頂推時土進入箱體內(nèi)，造成頂推困難，底板護套鋼板一次安裝到位，在綁扎鋼筋前，按設(shè)計位置安放到位并焊好錨固筋，兩側(cè)護套鋼板一次到位困難且精度難以確定，采用預埋鋼板后焊接的方法拆除。中繼間千斤頂根據(jù)箱涵頂推情況確定是否設(shè)置。

3.7 鋼插銷設(shè)計

鋼插銷在頂推過程中，對防止箱體錯臺有著十分重要的作用，鋼插銷采用兩根P50 鋼軌制作，單幅箱涵頂板設(shè)4 個，兩側(cè)墻各設(shè)2 個。鋼插銷一端預埋入先施工的箱涵結(jié)構(gòu)內(nèi)，另一端伸出結(jié)構(gòu)外，外露長度不小于頂程加40cm。后施工一節(jié)箱體在相應位置預留孔洞，孔洞內(nèi)預埋10mm厚鋼銷套，鋼插銷與孔洞留有活動間隙，確保鋼插銷伸縮自如，如圖3 所示。

圖3 鋼插銷與鋼銷套（單位： mm）Fig.3 Steel pin and steel pin sleeve（unit：mm）

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 管幕施工

為防止管幕頂推過程中造成高速路面沉降，采用導向頂管跟進螺旋出土工法進行施工，該施工工藝能夠有效的控制地層沉降。主要施工設(shè)備為液壓系統(tǒng)，施工中振動和噪音較小，即采用液壓頂推系統(tǒng)，螺旋鉆桿在管幕鋼管內(nèi)出土，根據(jù)沉降控制標準和地層情況及測量數(shù)據(jù)，可以通過調(diào)整控制方向系統(tǒng)，調(diào)整鉆頭與鋼管的相對位置，做到超前成孔或滯后出土，將φ245 鋼管頂入設(shè)計位置，直至全部鋼管鋪設(shè)完成。因鉆頭直徑略小于管幕鋼管直徑，管幕鋼管對周圍土體有擠密作用，且未采用通常水循環(huán)大擴孔方法，對地層擾動小，施工過程中不會導致地層沉降，可以在完成4 ～5 根管幕鋼管鋪設(shè)后，管幕鋼管內(nèi)填充水泥漿或無收縮水泥砂漿，用來提高管幕鋼管剛度和防止管幕鋼管因土壓力及腐蝕后造成地層空洞影響結(jié)構(gòu)安全。

在打設(shè)φ245 管幕之前，先打設(shè)一根φ402 的定位鋼管，鋼管直徑較大，可提高管幕施工進度。定位鋼管打設(shè)原理如圖4 所示。

圖4 導向頂管跟進螺旋出土示意Fig.4 Schematic diagram of guide pipe jacking

4.2 箱涵頂推

1.頂推設(shè)備

（1）千斤頂。下穿箱涵均采用320t 油壓千斤頂，每節(jié)段箱涵布置30 個，2 個備用，頂長1.8m，設(shè)計行程1.2m，有效行程1.0m，見圖5。

圖5 千斤頂布置橫斷面（單位： mm）Fig.5 Cross section of jack arrangement（unit：mm）

（2）鋼盾構(gòu)。高速公路路面以下、箱涵頂部土體采用管幕、鋼盾構(gòu)分割土體支護技術(shù)，穩(wěn)固掌子面；同時將鋼盾構(gòu)刃腳做成斜面型，以適應土體自身穩(wěn)定坡面，最大限度防止土層正面失穩(wěn)，控制地表沉降。

組合式卷鋪隔離鋼板盾構(gòu)主要由以下系統(tǒng)組成：土體支擋系統(tǒng)、子盾構(gòu)掘進開挖支擋系統(tǒng)、隔離卷板卷鋪系統(tǒng)、箱涵頂推減阻和覆蓋層防擾動系統(tǒng)、箱涵頂推系統(tǒng)。

（3）頂鐵及傳立柱。頂鐵采用鋼板及型鋼焊接，外形尺寸為500mm ×500mm ×200mm，傳力柱采用鋼筋混凝土預制，混凝土強度等級為C30，尺寸為1000m ×600mm ×500mm，其中每個千斤頂計劃使用60 塊傳力柱及5 塊頂鐵。

2.頂推施工

先頂推右幅三節(jié)箱涵，再頂推左幅三節(jié)箱涵，頂推采取中繼間法提供頂力，鋼盾構(gòu)法提供安全支護，箱涵頂推過程如圖6 所示。

圖6 箱涵頂推照片F(xiàn)ig.6 Photo of box culvert jacking

3.土方開挖

開挖掌子面被鋼盾構(gòu)網(wǎng)格劃分為三大部位：子盾構(gòu)區(qū)土方開挖、墩柱區(qū)土方開挖、箱室土方開挖。如圖7 所示。

圖7 土方開挖順序示意Fig.7 Schematic diagram of earthwork excavation sequence

施工工藝流程為：第①部開挖→子盾構(gòu)頂推→第②部開挖→鋼盾構(gòu)頂推→第③部開挖→核心土開挖。土石方主要由人工開挖掘進，小型挖掘機裝車，4t自卸車外運。

4.通風除塵

頂推開挖作業(yè)過程中，會產(chǎn)生大量粉塵，土石方運輸機械產(chǎn)生大量有害尾氣，因此箱涵尾端設(shè)置兩臺11kW軸流通風機，鋪設(shè)送風管道，輸送新鮮空氣到開挖掌子面。在鋼盾構(gòu)內(nèi)部每個立柱、子盾構(gòu)里，設(shè)置噴霧除塵裝置。

5 沉降監(jiān)測

箱涵頂推過程中在襄荊高速路面布置16 個監(jiān)測點，對路面沉降進行監(jiān)測。通過監(jiān)測沉降量數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整頂推速度、注漿參數(shù)，不斷優(yōu)化施工方案，保證高速公路安全通行。

各監(jiān)測點路面沉降量隨時間變化的曲線如圖8 所示。

圖8 路面沉降量監(jiān)測曲線Fig.8 Pavement settlement monitoring curve

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，箱涵頂推過程中襄荊高速公路路面沉降量均控制在20mm以內(nèi)，滿足變形控制要求，保證了高速安全通行。

6 結(jié)語

泉水大道采用管幕箱涵頂推法下穿襄荊高速，自2020 年11 月9 日開始頂推，2021 年1 月12 日順利穿越。本項目的基本情況如下：

1.右幅箱涵平均每天頂推約1.5m，左幅箱涵平均每天頂推約1.8m，表明管幕箱涵頂推工法的施工進度可以得到保證。

2.頂推過程中襄荊高速路面沉降均在20mm范圍以內(nèi)，保證了高速公路正常通行，表明管幕箱涵頂推法可以有效控制沉降變形。

3.通過對管幕、頂推等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行精心設(shè)計、規(guī)范施工，能夠確保工程安全順利實施。