近接地下箱涵頂進(jìn)施工技術(shù)研究

滿建泰

（中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100018）

隨著我國城市化快速發(fā)展，地下箱涵與地鐵線路交叉施工的情況頻繁出現(xiàn)，在地下箱涵上穿既有地鐵線路常采用頂進(jìn)施工。

在箱涵頂進(jìn)應(yīng)用方面，最早可追溯至1957年德國奧芬堡市的2.5m×2.4m 鋼筋混凝土箱涵下穿既有鐵路線的頂進(jìn)施工，至20 世紀(jì)末，波士頓25m×12m 的3 座當(dāng)時世界上截面和施工難度最大的預(yù)制箱涵頂進(jìn)就位，標(biāo)志著箱涵頂進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用在歐美國家達(dá)到頂峰。另外，日本也于1970 年代開始了對箱涵頂進(jìn)施工的研究，并相繼研發(fā)了FJ（front jacking）、URT（Under Railway Tunneling）等工法，其中FJ 工法在47m×19.8m×7.33m 的大斷面箱涵頂進(jìn)施工中得到成功應(yīng)用。我國箱涵頂進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用與研究起步于20 世紀(jì)60 年代初期，經(jīng)過60 余年的發(fā)展，已成功克服單倉箱涵下穿既有管線、雙倉箱涵下穿河床等施工難題，并在箱涵應(yīng)力、支護(hù)變形、既有管線沉降等不同工況下因箱涵頂進(jìn)引起的各類變形規(guī)律進(jìn)行了理論分析研究。但是針對上穿既有地鐵線路的兩個近接地下箱涵先后頂進(jìn)施工的工程實(shí)例及相關(guān)研究鮮有報道，因此，本文以近接箱涵頂進(jìn)為研究對象開展相關(guān)研究以期為后續(xù)類似工程的施工提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

北京某地下箱涵總長996m，其中40m 長度范圍內(nèi)的箱涵需穿越既有地鐵線的雙線盾構(gòu)區(qū)間，穿越既有地鐵線路的上下行線隧洞投影的長度為21m，箱涵底板與既有地鐵線隧洞頂部的凈距離為3.96m，為防止明挖基坑、地下水對既有地鐵線路結(jié)構(gòu)造成上浮，40m 長度范圍內(nèi)采用預(yù)制箱涵頂進(jìn)施工方案，先后頂進(jìn)的地下箱涵間距500mm，箱涵與既有地鐵線路位置關(guān)系如圖1 所示。

圖1 箱涵與既有地鐵線路位置關(guān)系圖

施工場地地處潮白河沖積洪積扇中下部，整體地形較平坦，表層0.50～5.30m 以粘質(zhì)粉土素填土、粉質(zhì)粘土素填土及房渣土等人工堆積而成，其下為新近沉積的粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)粘土，粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土及重粉質(zhì)粘土、粘土；粉砂、細(xì)砂及粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土。場地內(nèi)不良地質(zhì)主要為地震液化，液化土層：粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土②1 層及粉砂、細(xì)砂③層，其液化等級為輕微～中等，局部嚴(yán)重。

施工場地地下主要為第一層潛水和第二層承壓水，潛水普遍分布于場區(qū)內(nèi)，水位標(biāo)高為8.48～11.59m。主要存于粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土②1層，粉砂、細(xì)砂③層，細(xì)砂、粉砂④1 層，細(xì)砂、中砂④層和中砂、細(xì)砂⑤層中，該層地下水受周邊大量在建工程的降水影響，穩(wěn)定水位在本工程范圍內(nèi)存在較大幅度的下降，對本工程有利。

2 施工難點(diǎn)

1）土體加固可能存在盲區(qū) 頂進(jìn)施工段范圍內(nèi)的地層主要為粘質(zhì)粉土和砂質(zhì)粉土，易液化，在頂進(jìn)過程中，因注漿加固可能存在盲區(qū)而發(fā)生土體流動對箱涵產(chǎn)生擠壓。

2）既有地鐵線路保護(hù)要求高 既有線路長期變形控制值為：豎向上浮預(yù)警值為1.4mm、報警值為1.6mm、控制值為2mm；橫向變形預(yù)警值為1.4mm、報警值為1.6mm、控制值為2mm；變形速率小于0.2mm/h。施工中對既有線路土體產(chǎn)生的擾動影響范圍大，頂進(jìn)過程持續(xù)時間較長。

3 工藝原理

預(yù)制箱涵時，以一側(cè)后頂進(jìn)箱涵為例進(jìn)行說明，如圖2 所示，分別在先頂進(jìn)和后頂進(jìn)箱涵底板臨近的一側(cè)預(yù)埋1#、2#錳板，為防止頂進(jìn)過程中巨大的摩擦力使錳板脫落，在錳板上焊錨筋與箱體底板連接牢固。

圖2 箱涵錳板預(yù)埋示意圖

在后頂進(jìn)箱涵預(yù)埋的2#猛板上均勻焊接工字鋼，工字鋼長度為2 個箱涵間距，在工字鋼的另一端同樣焊接一塊3#錳板，尺寸同先頂進(jìn)箱涵底板預(yù)埋的1#錳板一樣。

頂進(jìn)過程中在1#和3#錳板上涂抹潤滑劑，借此為來弱化后頂進(jìn)箱涵因2 塊錳板相互摩擦而產(chǎn)生的摩阻力，使近接箱涵在頂進(jìn)過程中始終保持固定的間距，保證后頂進(jìn)箱涵在頂進(jìn)過程中不會發(fā)生偏移。箱涵頂進(jìn)施工示意圖如圖3 所示。

圖3 箱涵頂進(jìn)施工示意圖

4 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

施工工藝為：施工準(zhǔn)備→工作坑施工→箱涵預(yù)制→預(yù)埋錳板→制作滑動裝置→頂進(jìn)施工。

4.1 施工前操作要點(diǎn)

施工前必須對既有線隧道破裂角范圍的土體采取袖閥管注漿工藝進(jìn)行加固，加固厚度1 960mm，以增強(qiáng)土體的自穩(wěn)能力和固結(jié)性，減少頂進(jìn)過程中對隧道結(jié)構(gòu)的擾動，注漿加固達(dá)到強(qiáng)度值后進(jìn)行工作坑施工，然后進(jìn)行后頂進(jìn)箱涵的預(yù)制，頂進(jìn)前在箱身的前后口兩側(cè)設(shè)置高程觀測點(diǎn)，在中間設(shè)置中心線偏差觀測點(diǎn)，用于高程和位移觀測。

4.2 施工時操作要點(diǎn)

頂進(jìn)時，為避免土方開挖卸載對既有地鐵線的影響，在40m 的頂進(jìn)長度內(nèi)采用單個353mm×295mm×1 430mm 鋼錠進(jìn)行補(bǔ)充差重，通過對后頂進(jìn)的箱涵結(jié)構(gòu)和開挖的土體進(jìn)行荷載計算確定鋼錠的配重量。

箱涵頂進(jìn)開挖的土方重量為

其中，M1為開挖的土方重（t）；V1為開挖土方的體積（m3）；ρ為土密度（t/m3）。

箱涵結(jié)構(gòu)重量為

其中，M2為箱涵結(jié)構(gòu)重（t）；V2為箱涵體積（m3）；ρ為箱涵密度（t/m3）。

需補(bǔ)充的鋼錠重量為

在箱涵底板上共均勻布置1 484 個單重為1.03t 的鋼錠。

頂進(jìn)過程中，用全站儀和水平儀進(jìn)行跟蹤測量，每頂進(jìn)一次測量一次，方向測量隨時進(jìn)行，根據(jù)方向調(diào)整好頂鎬頂力，隨時糾偏。糾偏方法以調(diào)節(jié)兩側(cè)頂力為主。為防止頂桿過長失穩(wěn)，應(yīng)將頂鐵用高強(qiáng)螺栓連接，每4m 頂柱安裝1 個頂梁，并用挖出的土方進(jìn)行碾壓覆蓋，再依次頂進(jìn)施工，直至頂進(jìn)到位，以提高橫向穩(wěn)定性。頂進(jìn)作業(yè)允許偏差見表1 所示。

表1 箱涵頂進(jìn)允許偏差表 (單位：mm)

4.3 施工后操作要點(diǎn)

箱涵頂進(jìn)進(jìn)行到后期，由于前方邊坡未進(jìn)行處理，造成阻力減小，前方刃角處很容易產(chǎn)生側(cè)向塌方，此時應(yīng)盡量減少吃土量，但也不能超挖。刃角前方少挖，挖出一鎬的距離頂一鎬。

5 質(zhì)量控制及安全措施

5.1 頂進(jìn)施工質(zhì)量控制

1）箱涵“抬頭” 預(yù)防措施 控制平整度及坡度，保持頂進(jìn)力水平，并在上方設(shè)置管棚，避免出現(xiàn)抬頭現(xiàn)象。

2）箱涵“扎頭” 預(yù)防措施 先對地基進(jìn)行注漿加固，增加地基的承載力，預(yù)留刃角吃土頂進(jìn)，底部預(yù)留20cm 土體進(jìn)行人工基底清平。

3）開挖掌子面及側(cè)壁質(zhì)量控制 掌子面按照1∶1 坡度開挖。將每一頂程長度嚴(yán)控在0.5m 以內(nèi)，減少側(cè)壁暴露時間。

5.2 頂進(jìn)施工安全措施

1）后頂進(jìn)箱涵抬頭和扎頭處理措施 當(dāng)箱身“抬頭”量不大時，可將箱身前開挖面挖到與箱底面平或稍做超挖；“抬頭”量較大時，則需多超挖一些，在頂進(jìn)中逐步調(diào)整。增加箱身后端平衡壓重的辦法，改變箱身前端土壤受力狀態(tài)，達(dá)到糾正“扎頭”的目的，但應(yīng)注意增加重量后要逐步卸載，否則會出現(xiàn)“抬頭”現(xiàn)象。頂進(jìn)完成后，利用注漿孔對基底進(jìn)行注漿，填充基底空隙。

2）開挖掌子面及側(cè)壁坍塌處理措施 立即停止施工作業(yè)，同時安全撤退所有施工人員至安全區(qū)。事故現(xiàn)場周圍應(yīng)設(shè)警戒線。坍塌事故發(fā)生時，應(yīng)對現(xiàn)場進(jìn)行聲像資料的收集。發(fā)生后立即組織搶險人員在半小時內(nèi)到達(dá)現(xiàn)場。立即采用地面回填及暗涵內(nèi)部回填粘性土的措施，并分層碾壓密實(shí)，減小掌子面坍塌卸載對地鐵的影響。

3）頂力不足處理措施 遇到頂力不足，頂進(jìn)作業(yè)無法繼續(xù)時可采用注減阻黃油的技術(shù)來減小頂進(jìn)時箱涵底與土層摩擦形成的阻力。注減阻黃油施工遵循同步注漿與沿途注漿相結(jié)合“先注后頂、隨頂隨注、及時補(bǔ)漿”的原則。

6 監(jiān)測值分析

6.1 箱涵頂進(jìn)偏差監(jiān)測

采用本技術(shù)的后頂進(jìn)箱涵施工日期內(nèi)，中線偏差和高程偏差監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4 所示。

圖4 監(jiān)測數(shù)據(jù)

由監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，采用本技術(shù)施工的后頂進(jìn)箱涵，在開始進(jìn)行頂進(jìn)作業(yè)時，中線偏差和高程偏差均達(dá)到峰值但仍在可控范圍內(nèi)，這是由于剛開始作業(yè)時設(shè)備和作業(yè)人員未完全調(diào)整至最佳狀態(tài)所至，通過調(diào)整偏差值在施工過程中均趨于平穩(wěn)。

為更好地預(yù)測偏差變化情況，對偏差值曲線進(jìn)行擬合得到方程式（4）、式（5），回歸方程決定系數(shù)均大于85，分別為中線偏差R2=0.9473、高程偏差R2=0.9795，說明曲線擬合良好，回歸方程可靠。

6.2 既有地鐵線路上浮監(jiān)測

地下箱涵頂進(jìn)前，既有地鐵線右線已累計上浮位移0.6mm，左線已累計上浮位移0.3mm。運(yùn)營單位要求當(dāng)變形達(dá)到報警值1.6mm 時，必須立即停止頂進(jìn)，頂進(jìn)過程中沿地鐵行進(jìn)方向每隔5m 設(shè)置一個自動化監(jiān)測點(diǎn)。如表2 監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)所示，頂進(jìn)過程結(jié)束后既有地鐵線路左線累計上浮最大位移1.06mm、右線累計上浮最大位移1.25mm，均未達(dá)到預(yù)警值，地鐵線路變形是安全可控的。

表2 既有地鐵線上浮監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

7 施工效果評價

1）工期效益 分別對先頂進(jìn)箱涵兩側(cè)的2 個后頂進(jìn)箱涵采用未預(yù)埋錳板的傳統(tǒng)施工方法和本技術(shù)進(jìn)行施工，傳統(tǒng)施工方法40m 頂進(jìn)距離用時16 天完工；采用本技術(shù)40m 頂近距離用時10 天完工，工期僅為傳統(tǒng)施工方法的63%。

2）經(jīng)濟(jì)效益 與傳統(tǒng)施工方法相比，本技術(shù)每天在中線偏差糾偏方面所節(jié)省的機(jī)械臺班費(fèi)、人工費(fèi)、管理費(fèi)等各類費(fèi)用可降低30%。

3）技術(shù)效益 “近接箱涵頂進(jìn)施工”克服了后頂進(jìn)箱涵因土壓力作用造成兩個箱涵碰撞的問題，可為后續(xù)類似工程的施工提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

8 結(jié)語

1）該技術(shù)采用事先預(yù)埋錳板、施工中涂抹潤滑劑等措施，節(jié)省了工期、降低了成本，填補(bǔ)了國內(nèi)該領(lǐng)域技術(shù)空白。

2）該技術(shù)對既有線隧洞破裂角范圍的土體采取預(yù)注漿加固和在箱涵底板設(shè)置配重的措施，降低了既有地鐵線上浮的風(fēng)險，同時減少了地下箱涵下沉的可能性。

3）該技術(shù)很好地穩(wěn)定了箱體頂進(jìn)姿態(tài)，保證了箱涵結(jié)構(gòu)的間距，避免發(fā)生碰撞，為近接箱涵頂進(jìn)施工技術(shù)開了先河，大大提升了近接箱涵頂進(jìn)施工的水平。