南水北调天津干线穿越津保高速公路施工技术

2013-09-04巩平福

天津建设科技 2013年5期

□文 /巩平福

□文 /巩平福

在当今长距离输水调水工程施工中，输水管线不可避免的要与现有的公路、铁路等交叉穿行。南水北调中线一期工程天津干线穿越津保高速公路采用钢管帷幕支护下的箱涵顶进施工工艺，大大提高了施工速度，同时降低材料损耗，减少人员投入，有效控制路面沉降，保证施工期高速公路运行安全。

南水北调；输水；箱涵；顶进法；穿越；高速公路

1 工程概况

南水北调中线一期工程天津干线穿越津保高速公路段里程桩号为XW130+732～XW130+882，全长150 m，其中箱涵顶进暗挖段长70 m，标准明挖段长80 m。

津保高速公路为双向4车道，涵址处路基全宽27.0 m。路基（路肩）高程7.49 m，天然地面高程4.2～4.8 m；设计荷载公路-Ⅰ级；横断面布置0.75 m（土路肩）+11.5 m（行车道）+2.5 m（中央分隔带）+11.5 m（行车道）+0.75 m（土路肩）。

南水北调中线天津干线工程穿越保津高速公路K777+105 km处，与高速公路交角122°。该处以C35现浇钢筋混凝土箱涵设计，箱涵结构尺寸为3孔4.4 m×4.4 m，全宽15.6 m，高5.9 m，涵顶距离路面高度5.8 m。

为确保顶进穿越过程中津保高速公路的正常运行，采用大管幕保护下的箱涵吃土顶进施工工艺，结合止水帷幕、大口井降水、路基注浆加固、高速路路基两侧增设止水止浆墙等措施，将施工对高速公路路面的沉降影响降至最低。

2 工程地质条件

工程区域地层为第四系松散堆积物，下部为全新统下段冲积堆积层，以浅黄、桔黄色壤土为主；中部为全新统中段浅海、湖沼堆积层，浅海堆积层由灰色、浅灰色壤土组成，含有机质和贝壳碎屑，湖沼堆积层由灰黑色、灰绿色、灰黄色粘土组成，局部为淤泥质粘土、壤土；上部为全新统上段冲积堆积层，为黄褐色、灰黄色壤土。地下水为第三系孔隙潜水，主要赋存于第四系全新统粘性土层。

3 顶进法施工工艺

灌注桩支护区段基坑支护主要采用φ800 mm@1 000 mmC30钢筋混凝土钻孔灌注桩和φ600 mm@400 mm的双排深层水泥搅拌桩止水帷幕。基坑支护钢筋混凝土灌注桩桩长分为9、15、20 m。其中，9 m桩长灌注桩主要用于平行箱涵轴线方向基坑两侧以及其他支护高度≯3.2 m的部位；15 m桩长灌注桩主要用于出土坡道、管幕顶进后背等支护高度≯5.8 m的部位；20 m桩长灌注桩主要用于与顶进箱涵后背衔接处等支护高度≯7.3 m的部位。止水帷幕采用双排水泥搅拌桩连续搭接，位于混凝土灌注桩之外，桩深按不同部位分别是10、16、20 m。

3.2 路基注浆加固

津保高速穿越工程施工过程中，先后需进行3次土体注浆加固。

第1次为管幕施工前对高速路基下土体进行加固，使其形成具有一定强度和整体性的壳性体；加固范围为顶层管幕以上至高速路面以下2 m，加固层厚度约为2.5 m。第2次为管幕实施后对管幕周侧进行加固。第3次在箱涵顶进完成后，注浆范围是箱涵周边，通过涵身预埋的减阻泥浆管进行注浆，由箱涵中间开始向两侧灌注。

压力注浆布孔间距0.8 m，梅花形布设，钻杆直径32 mm。注入土体的水泥浆液水灰比1∶1，为P.O42.5普通硅酸盐纯水泥浆。浆液通过钻杆底部花管上的喷浆嘴喷射进入土体，注浆压力0.2～1 MPa，达到预定孔深后，开启注浆泵，旋转钻杆并向回撤，钻头喷嘴处的浆液旋转切削土体并经拌和形成水泥土结构，钻头附近局部注浆压力可以通过向孔口返浆缓慢释放。每步注浆的搭接长度10 cm。

加固浆液采用10%～15%水泥浆液，在正式注浆前，结合土层的性质及其埋深通过现场试验确定注浆压力参数，注浆过程中，严密观测路基变形情况，随时调整注浆参数，防止因注浆引起路面起拱。

为保证注浆孔施工精度，采取从高速公路两侧对打，中间交错搭接的方式。注浆孔以-2.5°～-3°向下钻进施工，注浆按跳孔间隔注浆方式进行，可有效防止串浆。土体注浆加固后，土体无侧限抗压强度＞0.5 MPa。

3.3 施工降水

大口井分两处进行布置，一处位于封闭的止水帷幕内，沿灌注桩内侧布置，间距8 m，深度15 m；另一处沿高速两侧30 m范围内设置，间距8 m。

止水帷幕内降水井在土方开挖前15 d左右开始抽水，连续保持井内的低水位，确保地下水位在建基面50 cm以下。为尽量缩短降水对高速公路的影响，高速公路两侧降水井于顶进作业前15 d开始降水，至顶进结束。大口井选用无砂混凝土管井壁，内径400 mm，井管底部外壁包一层200 g/m2土工布，其外井身填级配滤料，每个井内配置一台潜水泵抽取井内渗水，潜水泵出水用φ50 mm胶管排放到基坑外侧的排水沟内。

3.4 管幕施工

管幕设计使用φ970 mm钢管，管幕工作坑位于高速公路南侧，箱涵工作坑位于高速公路北侧，采用泥水平衡掘进机为先导顶进。施工顺序是先顶排、后两侧、再底排。两侧管幕需随工作坑开挖施工，底排管幕在工作坑开挖结束后施工。

管幕顶进的精度对路面沉降及交通运行安全起着决定性的作用。

1）顶进精度控制。顶进精度与顶进设备密不可分，本工程所选用掘进机安装有目前业内领先的自动纠偏软件和主动纠偏系统，可以在不同地质条件下实现人机合一，随时将盾头前各种参数反馈控制仓，进行动态的实时纠偏。主顶采用4个150 t千斤顶，钢管受力更加均恒稳定。

在管幕钢管推进过程中通过监视器观察位于顶管机尾部光靶上的激光点，光靶中心即是顶管机中心，激光点是管道设计中心。在产生偏差时通过控制台调节顶管机内的2组方向控制千斤顶，使顶管机能改变其姿态，向目标方向靠拢。

2）减阻泥浆的选用。选用粉砂及砂性土质专用进口减阻泥浆（BIOS），遇水不分解，不被土层吸收，砂层中不渗漏，长时间不变粘稠，不变硬失效，能够在顶进物周围形成长效保护膜，有效减少顶进阻力，防止由于顶进阻力过大造成的顶进精度不足甚至路面波形隆起。

3）顶进过程中的控压保压。在进洞口和出洞口处分别采用20 mm厚天然橡胶制作的橡胶垫圈对洞口进行封闭，同时制作止水圈梁，确保孔口封闭效果。

4）固结浆置换润滑浆。一根管幕钢管顶进就位后，及时利用水泥固结浆置换润滑浆，从管幕钢管中部开始进行置换注浆，当两侧流出的浆液均为纯水泥浆液为止，浆液置换率达到90%以上。

5）钢管内充填混凝土。为加强管幕钢管刚度，减少挠曲变形，为路面传递的载荷提供强有力的支撑，在幕管顶进结束后对管内进行C30无收缩细石混凝土填充。为保证充填饱满，在封闭的两端管顶设排气孔管，排气孔高出幕管0.5 m。在混凝土初凝不再流动时，进行二次素水泥浆补充注浆，以保证填充密实。

3.5 滑板及后背梁施工

3.5.1 滑板制作

基坑滑板制作后退5 m，为管幕施工留出5 m接受坑位置，待管幕施工结束后，用灰土回填接受坑补齐滑板。滑板锚梁沟槽采用人工开挖，与工作坑开挖交叉进行，滑板设3‰抬头坡度。工作坑开挖结束后进行注浆加固并在工作坑内设置标高控制网，间距2 m，以便使用刮杠找平，滑板采用25 cm后C30混凝土，内置钢筋网。滑板混凝土平整度误差≯3 mm。滑板浇筑完毕后，在滑板两侧设排水沟，以排除雨水。采用一油一毡作润滑隔离层，防止箱涵与滑板粘连并起到润滑作用来减小顶力。

3.5.2 后背及后背梁施工

顶进基坑后背墙为顶进设备提供反力，采用双排φ1.2 m灌注桩，桩距1.4 m，基坑开挖前已施工完毕，桩后是水泥搅拌桩止水帷幕。后背梁是一种传力结构，它将千斤顶的顶力均匀分布给后背梁，所以后背梁必须有足够的刚度和强度，后背梁宽×高×厚=21.8 m×2 m×1 m，为C30钢筋混凝土结构，后背梁紧贴后背桩浇筑，与后背梁相连排桩桩间土（后背梁一侧）必须挖除干净并将后背梁与滑板连为一体，防止滑板跟进。后背梁前面要平直，以方便安装顶铁。

3.6 箱涵预制

工程包括70 m预制箱涵和80 m现浇箱涵，两者施工工艺相同，只是预置箱涵变形缝处增设中继间，需安装钢护套、钢插销、钢刃角等埋件。

顶进段70 m箱涵预制工作在箱涵工作坑内滑板上进行，预制分为钢筋绑扎、模板安装、混凝土浇筑、养护、保温等工序。

3.6.1 钢筋工程

箱涵钢筋制作在钢筋加工厂统一加工，加工后的成品钢筋分别集中堆存于成品堆放区，钢筋吊装、运输采用16 t汽车吊配合钢筋平板运输车进行，运至现场的钢筋采用人工进行绑扎，连接φ16 mm以下钢筋采用闪光对焊连接，φ16 mm以上的钢筋采用等强剥肋直螺纹套筒接头。

3.6.2 模板工程

箱涵中所采用的模板主要选用全钢大模板系列，适当配以相应小型钢模板进行配模；异型模板选用材质标准达到Ⅲ等以上的优质红松并提前备料，干燥后在木工棚制作；八字腋角模板采用定型整体钢模板。

支承架材料视工程部位一部分选用顺直无挠曲变形的φ48 mm×3.0 mm钢管作为支撑材料，φ16 mm锥母对拉螺栓，经计算可满足支模的刚度要求。全钢大模板支撑材料中的背肋、桁架、垫脚等选用正规厂家制造时采用标准型钢加工而成，作为附件提供。

模板安装的嵌缝材料为海绵条，以保证拼缝严密，无漏浆现象。钢模板采用WL型环保脱模剂，木模板采用石蜡作为脱模剂。

3.6.3 混凝土工程

箱涵混凝土采用双掺粉煤灰和磨细矿渣，混凝土拌和系统采用布置在现场的1台90型搅拌站；混凝土的水平运输采用容积9 m3的混凝土罐车运送，垂直运输采用混凝土汽车泵泵送入仓；箱涵混凝土浇筑分底板和边顶板两层进行。

1）箱涵底板混凝土浇筑分两次完成。首先采用斜面分层法浇筑底板八字以下仓内混凝土。待底板浇平后，再分层浇筑八字以上墙体部分。底板墙体浇筑至八字以上500 mm处。

2）箱涵墙体及顶板混凝土浇筑。首先浇筑箱涵侧墙，每道侧墙以50 cm厚度分层布料，各侧墙混凝土均衡上升。为防止混凝土下料高度过大造成混凝土骨料离析以及模板污染，在混凝土泵管末端设4 m软管深入墙体内，保证软管末端距离混凝土液面1 m以内。一段侧墙混凝土一层浇筑完毕，待泵管内混凝土不再下流后，方可将仓内软管提升出仓转入相邻侧墙内继续分层浇筑，以免管内尚未流尽的混凝土污染临近仓面。当混凝土达到顶板下皮高程后，采用斜面分层法浇筑顶板混凝土。

3）混凝土振捣。采用HZ-50（30）插入式振动器振捣。垂直振捣，快插慢拔，将振动棒上下略微抽动，以使上下振捣均匀。在振捣上层混凝土时，振动棒插入下层混凝土中5 cm左右，消除两层之间的接缝。一般每点振捣时间20～30 s，直至混凝土表面不再显著下沉，不再出现气泡，表面开始泛出灰浆为准。

4）施工缝的处理。在混凝土初凝前预埋木方，在混凝土强度达到2.5 MPa以后剔出，使已浇筑混凝土上部形成一凹槽，加强止水效果。

混凝土表面采用人工凿毛，直至露出新鲜石子，然后用高压水枪将混凝土表面清洗干净，排除积水。

5）混凝土养护。混凝土底板、顶板上表面和预制构件采取覆盖养护。侧墙采用覆膜养护。箱涵侧墙在模板拆除后立即进行保水薄膜敷设。

3.6.4 埋件工程

钢护套位于箱涵外侧，防止顶进时泥土进入箱涵内，造成顶进困难。底板护套钢板一次安装到位，在绑扎钢筋前，按设计位置安放并焊好锚固筋。两侧及顶板护套钢板一次到位困难，采用预埋钢板后焊接方法。箱涵验收合格顶进前，焊接护套钢板。

钢插销在顶进过程中，对防止箱涵错槎有着十分重要的作用。底板混凝土铰只能限制水平错槎，竖向和扭曲错槎由钢插销限制，采用2根50 kg/m的Ⅰ36c工字钢，每边墙3个钢插销。钢插销一端预埋入先施工的箱涵内，另一端伸出箱涵外，外露长度≮48 cm。后施工箱体在相应位置预留孔洞，孔洞内预埋10 mm厚钢套，钢插销与孔洞间留有活动间隙，确保钢插销伸缩自如。为防止钢销在顶进过程中受力不均而发生脆断，在安装钢销套时，要保证间隙均匀确保钢销共同受力。

顶底板、边墙都设计有钢刃角，注浆加固后的土体比较坚硬，没有钢刃角切割，顶力将过大，顶底板钢刃角可一次安装到位，箱涵在钢管滑道顶进，底板不需设船头坡，钢刃角为90°，直接做模板浇筑在底板前端，顶板钢刃角不仅有切割土体作用，还有支撑土体作用，钢刃角长50 cm，2%的坡。

3.7 箱涵顶进

3.7.1 顶进方法

顶进段箱涵长度为70 m，在管幕施工同时进行预制，管幕完工后，预制顶进涵强度达到设计强度后进行顶进作业。顶进采用“先顶后挖、随顶随挖、缓慢推进”的工艺，边顶进边出土，箱体底、侧、顶刃角始终吃土顶进。箱涵顶进完成后高速公路加宽范围内土体回填密实度达到95%以上。

3.7.2 顶进设备及顶镐布置

根据设计顶力布置千斤顶，第1节最大顶力5 580 t，第2～4节最大顶力5 320 t，后背梁最大顶力8 210 t。千斤顶和顶铁对称布置，在第4节箱涵末尾布置12台500 t顶镐、6趟顶铁，分2组对称布置在两侧，使用1台ZK500型超高双级轴向柱塞泵供油。中继间两端留有3.5 m镐窝，足以安装7台顶镐，每个镐窝安放5台500 t顶镐，1台高压油泵加压供油。

中继间的千斤顶放置在槽内，固定时一定要保证千斤顶的底座与预埋铁表面相平行，然后在千斤顶和预埋件之间塞上钢板使之没有缝隙，安装完毕后在放置千斤顶的位置用钢板盖上，防止箱涵内的杂物掉入槽内，以便车辆通行。

顶镐与顶铁之间安放一道分配横梁，以保证顶铁共同受力，分配横梁用55#工字钢平卧安放并用钢板焊成整体；顶铁与后背之间也应安放一道横梁，以便后背梁受力更均匀，顶铁位于分配横梁和后背之间卧放在滑板上，不断接长使箱涵不断前移。顶铁用钢轨作成10、20、30、60、120、200、400 cm 共 7 种长度；为保持顶铁的稳定，分隔6～8 m设一道横梁，以提高顶铁整体稳定性，横梁安设在已换成长顶铁的固定段内。

3.7.3 顶进作业

为加快进度、减少顶进流程，只有顶力太大威胁后背安全时或方向出现偏移纠正困难时才启用中继间顶进，中继间启用越少顶进效率越高。箱涵顶进流程见图1。

图1 箱涵顶进流程

3.7.4 涵内出土

箱涵为一箱三室结构，每室孔径4.4 m×4.4 m，空间太小不能使用大型机械作业，每箱内使用一台0.3 m3微型挖掘机挖土和3 m3装载机运土，小型运输车运土。

在挖土过程中控制好挖土量和掌子面坡度，保持吃土顶进，始终保证钢刃脚对土体的支撑作用。每次顶进量和挖土量一致，不得超挖。超挖会对前方开挖面稳定产生不良影响，容易使箱涵和土体间产生间隙，容易发生塌陷事故。

开挖面含水量大时会影响前端土体自稳性，需要在开挖面上设置水平的排水管。排水管采用φ108 mm钢管，钢管上交错布设渗水孔。为不影响正常挖土，在每个方涵下边角设置1根排水管。排水管长10 m左右，设置连接管道将水导入排水沟中。采用水平钻机钻进或者小型夯管锤打入，随着箱涵向前推进，排水管随着进土尺度减小排水效果不能满足时，在管旁边重新打入排水管。

开挖面遇到砂质土时，由于自稳性差无法保持开挖面稳定，可以采用超前小导管注浆法加固开挖面，每次加固长度3～5 m，浆体采用水泥-水玻璃混合浆。导管与孔口处采取密封措施进行压力注浆，使浆体向孔外扩散。

3.7.5 控制重点

1）顶进精度控制。每个箱涵洞内设置固定激光靶，洞外设置自动观测站，观测站内有自动摄像头与激光靶形成映射，每顶一镐，将箱涵的轴线偏移、高程变化等数据传输至电脑自动处理系统并形成监控曲线，以此作为箱涵各项位移指标变化依据。

2）吃土深度控制。顶进作业最小吃土深度0.5 m，施工过程中，根据顶力变化及路面高程变化情况确定最大吃土深度范围，然后在顶进涵内壁上画2道红线，前端线为最小吃土深度线，第2条线为最大吃土深度线，挖土过程中控制好挖土量和掌子面坡度。始终确保吃土量位于2道红线之间，确保吃土顶进。

3）箱涵的姿态控制。在滑板上顶进时，为防止箱涵方向偏移，在箱涵两侧对称设置20个导正墩，保证箱涵进洞前轴线不发生偏移。当发生偏转时可以调节相应位置千斤顶数量和时间来调整箱涵方向。纠正方向时需要挖土配合。首节箱涵进土后及时开始注浆以减少摩擦力。

4）注浆减阻。