大管幕保护下的箱涵吃土顶进技术在高速公路上的应用

赵素洁

（河北省交通规划设计院，河北 石家庄 050011）

0 引言

南水北调中线一期工程天津干线廊坊市段全长9.148km，期间与已建河北省保津高速公路交叉，并以现浇钢筋混凝土箱涵结构形式穿越保津高速公路。箱涵结构断面尺寸为三孔4.4m×4.4m，全宽15.6m，高5.9m。穿越工程全长150m，其中，箱涵顶进段长70m，明挖段长80m。顶进涵顶距离路面高度5.8m。

为确保顶进过程中高速公路的正常运行，采用大管幕保护下的箱涵吃土顶进的施工工艺，结合止水帷幕、大口井降水、路基注浆加固、高速路路基增设止水止浆墙以及边坡边沟护砌等措施，将施工对高速公路路面沉降影响降至最低。本工程顶进涵横断面示意图如图1所示。

1 箱涵顶进技术施工工艺和关键工序

顶进涵工程总体施工工艺流程为：基坑支护→帷幕止水及进出口门洞止水止浆墙→路基注浆加固→施工降水→管幕顶进→箱涵顶进→固结止浆。

图1 顶进涵横断面示意图

1.1 基坑支护和帷幕止水

本工程灌注桩支护区段基坑支护主要采用间距1m的φ800mm C30钢筋混凝土钻孔灌注桩和间距0.4m的φ600mm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9m、15m、20m三种。 其中，9m桩长灌注桩主要用于平行箱涵轴线方向基坑两侧以及其它支护高度不大于3.2m的部位。15m桩长灌注桩主要用于出土坡道、管幕顶进后背等支护高度不大于5.8m的部位。20m桩长灌注桩主要用于与顶进箱涵后背衔接处等支护高度不大于7.3m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10m、16m和20m。

1.2 注浆加固

1.2.1 注浆加固范围

注浆工作分三次进行。第一次加固为管幕实施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2m，加固层厚度约为2.5m；第二次注浆加固为管幕实施后对管幕周侧进行加固，加固范围为底层管幕下2m、两侧管幕外各5～8m；第三次注浆在箱涵顶进完成后，范围是箱涵周边与管幕之间，主要目的是通过注浆填充顶进施工扰动造成的箱涵外侧与管幕之间的土体空隙，增强土体稳定性，降低沉降风险。注浆通过箱身预埋的减阻尼泥浆管进行，顺序由箱涵中间开始向两边后退。

1.2.2 注浆

压力注浆布孔间距为0.8m，梅花形布设，钻杆直径为32mm，单根长度为1m（可连续接长），花管长度为1m。注入土体的水泥浆水灰比为1∶1，为42.5号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，注浆压力在0.2～1MPa左右。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破坏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为10cm。为保证注浆孔施工精度，采用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将大于0.5MPa。加固注浆液采用10%～15%水泥浆液，在正式注浆前，结合土层的性质及其埋深确定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。

1.3 施工降水

从本工程基坑现有开挖面观测来看，地下水位仅高于箱涵底板约1.5m左右，雨季地下水位最高，约高于箱涵底板2.1m左右，距高速公路顶面约10.2m。降水虽不是路面沉降的主要因素，但仍不可忽视。所以，施工时工作坑内需设置大口井进行降水。为确保将作业面内对高速公路带来的降水达到最低的影响，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，间距为8m，深度为15m；另一处沿高速两侧30m范围内设置，间距为8m。止水帷幕内降水井在土方开挖前15d左右形成并开始抽水，连续保持井内的低水位，确保地下水位至建基面在50cm以下。考虑到尽量缩短降水对高速公路的影响，高速公路两侧降水井于箱涵顶进作业前15d开始降水，至顶进结束，尽量缩短降水周期。

1.4 管幕工程施工

管幕使用φ970mm钢管，顶进涵上侧16根，底板下16根，涵体两侧各5根，主要作用是为顶涵作业提供有利支撑，减少路面沉降。管幕工程是箱涵穿越已建高速公路的关键工序，与箱涵预制平行施工，管幕工作坑和箱涵工作坑分别位于高速公路两侧。φ970mm钢管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。

1.4.1 管幕顶进关键环节

1.4.1.1 精度控制

选用原装进口泥水平衡掘进机，该机安装有自动纠偏软件和主动纠偏系统，可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舱，进行动态纠偏。主顶采用4个150t千斤顶，钢管受力更加均衡稳定。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两组方向控制千斤顶，使顶管机能改变其姿态，向目标方向靠拢。

1.4.1.2 减阻泥浆的选用

选用特种化学润滑浆液（BIOS），该润滑浆液具有遇水不分解，不被土层吸收，砂层中不渗漏，长时间不变粘稠，不变硬失效等特点，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。

顶进时通过顶管机铰接处及管节上预先焊接的注浆孔，向管内外壁压入一定量的减阻泥浆，在管道四周外围形成一个泥浆套，改变原来的干摩擦状态，减小管节外壁和土层间的摩阻力。顶进时，顶管机尾部的压浆孔及时跟踪压浆，始终保持顶进过程中环状间隙泥浆压力大于土应力，对周围土体起到支撑作用，确保形成完整有效地泥浆套。为提高减阻泥浆的保压和润滑效果，在注浆管路上安装稳压罐，通过稳压罐上的减阻泥浆可消除柱塞泵造成的脉冲压力，稳压罐上的传感器控制注浆泵的开启。

1.4.1.3 顶进过程中的控压保压

为确保管幕顶进过程中管周的保压，在进、出洞口处采用20mm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。

1.4.1.4 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。

1.4.2 管内充填混凝土

为加强管幕钢管刚度，减少挠曲变形，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管，排气管高出幕管0.5m。在混凝土初凝不在流动时，进行二次素水泥浆补充注浆。

1.5 箱涵顶进

顶进段箱涵长度为70m，在管幕施工的同时进行预制，管幕完工后，预制顶进涵强度达到设计强度100%后进行顶进作业。顶进采用先顶后挖、随顶随挖、缓慢推进施工工艺，边顶进边出土，箱体底、侧、顶刃脚始终吃土顶进。箱涵顶进是本项目穿越津保高速的最后一道主要程序，其穿越效果直接关系到本项目的成败。

1.5.1 顶进精度控制

在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。并描绘出顶程与顶力关系曲线和顶程与方向高差的关系曲线，用控制图控制顶进质量。

1.5.2 吃土深度控制

顶进作业最小吃土深度为0.5m，在施工过程中，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，第二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条线之间，确保吃土顶进。

1.5.3 顶进开挖过程中的注意事项

若顶进开挖过程中，发现开挖面含水量大，影响到前端土体自稳性时，在开挖面上设置水平的排水管。排水管采用φ108钢管，钢管上交错布置渗水孔。为了不影响正常挖土，在每个方涵下边角设置一根排水管将水导入排水沟中。若开挖面遇到砂质土时，由于自稳性差无法保持开挖面稳定，采用小导管注浆法加固开挖面，导管使用φ42钢管，每次加固长度可达3～5m，浆体采用水泥-水玻璃混合浆。导管与孔口处采用密封措施进行压力注浆，使浆体向孔外扩散。初凝后拔出导管。

1.5.4 顶进中箱涵的姿态控制

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。当发生偏移时可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小摩擦力。

1.5.5 注浆减阻

减阻注浆对减小顶进阻力和路面下沉至关重要。没有减阻泥浆箱涵与土体摩擦阻力很大，顶进过程中不断把箱涵周围土体带走，特别是顶部土体不断下沉补充，顶程越长下沉量越大，路面沉降量越大。如使用减阻泥浆，箱涵带走的是泥浆，而泥浆可以不断补充，保证了土体的稳定，减阻泥浆还有加压、保压作用，使土体维持原来压力不变或更大，从而避免和减小地面沉降。为确保润滑减阻效果，本项目顶涵减阻泥浆采用与管幕钢管相同的进口润滑浆。

2 结语

随着社会经济建设的发展，路网、水系等规划建设不免交织，对穿越已建项目如公路、铁路、机场等类事例会越来越多。本文所述的大管幕保护下的箱涵吃土顶进技术，在不影响被穿越项目运营的情况下，能将施工对现有高速公路路面或铁路沉降影响降至最低，具有重要参考价值和社会经济效益。