明挖衡重式顶进技术在上穿地铁河道施工中的应用

(北京通成达水务建设有限公司，北京 101300)

按照城市副中心行政办公区规划方案，在办公区中轴线附近新建河道，承担区域内灌溉排涝功能，同时满足景观要求。根据设计图纸，新建河道在运河东大街处要垂直上穿地铁6号线，二者竖向净距4.6m。为保证6号线安全畅通运行，施工期间，地铁隧道结构变形不能大于2.5mm，传统的大开挖式河道施工方法无法满足要求。为解决这一难题，现场技术人员经过多方考察、试验和计算，将顶进和明挖两种方案融合，研究确定了一套明挖衡重式顶进工艺。

1 技术要点

1.1 预制U形槽设计

为保证河道的排涝和景观要求，结合现场实际条件，将上穿地铁段河道按照原断面尺寸，设计为预制钢筋混凝土U形槽结构。一般因河道断面较大，预制槽体不适合运输和吊装，因此在现场进行预制。

本工程受施工场地限制，仅具备预制单节U形槽条件，需第一节U形槽顶出后，再预制第二节U形槽。U形槽结构底板厚1.2m，侧墙厚1m，内净宽23m，全宽25m，每段长20m， U形槽断面如图1所示。

图1 顶进段河道结构断面示意图

1.2 衡重压载

为了满足地铁线路2.5mm的变形控制要求，必须对开挖断面土体的卸载量进行弥补，从密度、体积及河道断面综合考虑，本工程选用钢锭作为压载物，并根据断面形式，设计定制了异形块。

1.3 明挖顶进施工

待U形槽结构混凝土强度达到要求后，在底板上压载配重，在顶进过程中，为保证地铁线路变形控制在2.5mm内，必须确保在土体卸载的同时进行结构和配重的压载，因此在施工过程中，设置长臂挖掘机在U形槽前端，边顶进边开挖前方土体，并根据结构顶进的偏差情况及时改进挖土方法。

2 顶力计算及顶镐、钢锭配重布置

2.1 顶力计算

河道U形槽顶进时，必须克服结构与土壤之间的摩擦阻力，这些阻力即为顶进施工时所需的顶力。顶力是根据结构形式、顶进长度、土质、地下水情况及施工方法等因素确定的。本次顶进施工，结构顶部无覆土，顶进时的阻力主要来自结构本身、永久配重及土体。

2.1.1 设计永久配重

a.经过计算，40m河道的土方开挖卸载量为9632t。

b.混凝土结构总重量

G=V×ρ

式中G——混凝土结构总重量，kg；

V——混凝土结构总体积，m3；

ρ——混凝土结构密度，kg/m3。

经计算：G=3869900kg≈3870t

c.除去混凝土U形槽结构总重量，结构底板顶需设置5762t永久配重钢锭。

2.1.2 顶力计算

E=(e1+e2) ×H×L/2

P=K[N1×f1+(N1+N2)×f2+2×E×f3+R×A]

式中E——箱涵单侧主动土压力,kN。

顶部土压力e1=ξ×γ×H1，不予考虑；

底部土压力e2=ξ×γ×H2，ξ取0.3，γ取19kN/m3，H2为地面至箱底高度，H2=H=5.007m，L为U形槽河道长度40m，

计算得出：E=2857.99kN

P——顶力,kN；

K——安全系数，取K=1.2；

N1——涵顶上荷载；N1max=0kN；

f1——涵顶荷载与涵顶摩擦系数，取0.3；

N2——箱涵荷载(含箱涵内钢锭及施工荷载)，N2=57619+38699+100=96418kN；

f2——箱涵底板与地基土摩擦系数，取0.8；

f3——箱涵侧边与地基土摩擦系数，取0.8；

R——刃角正面阻力，取550kP；

A——刃角正面积，取7.2m2。

计算得出：P=102800kN，换算约为10280t。

2.2 顶镐布置

根据现场实际情况，U形槽两节之间设中继间。

根据公式N×X×P1≥P，式中N为顶镐个数，X系数一般取0.6，P1为顶镐设计顶力500t，P代表单节最大顶力值5140t,计算得出N=17.1，则第一节顶进时需设置18台千斤顶，第二节加入后，中继间内另外设置18台千斤顶。

为确保顶进过程安全、有效、快速、顺利完成，本工程除配备36台500t千斤顶外，另有10台同规格千斤顶备用。

设备布置是否恰当，关系到顶进的成效，因此，安装前，对液压系统的各部件应进行单体实验，合格后方可安装。

千斤顶布置示意如图2和图3：

图2 后背千斤顶设置示意图

图3 中继间千斤顶设置示意图

2.3 钢锭配重摆放

顶进施工前，准备好配重所需施工机械设备，在结构底板上均匀放置钢锭。

底板上的钢锭采用吊车吊入基坑内，叉车进行铺设，正式顶进前，需将所有钢锭放置完毕。另外备用100t临时配重，根据监测情况，灵活布置。

钢锭排放布置情况如图4和图5。

图4 U形槽钢锭布置断面示意图

图5 U形槽钢锭布置纵断面示意图

3 施工工艺操作要点

3.1 滑板施工

滑板是提供承载、润滑功能的混凝土结构物，滑板两侧设置导向墩。

3.1.1 施工工艺流程

测量放线确定滑板顶高程→钢筋绑扎(留出与后背锚固钢筋)→浇筑混凝土→养护→设置润滑层和隔离层→浇筑隔离层保护层。

3.1.2 施工要求

a.滑板应满足预制U形槽结构所需强度及稳定要求。

b.为加强顶进后背力量，在滑床板靠近后背处预留不小于1.5m长钢筋，深入到后背范围，待顶进后背施工时，与其一起浇筑，使滑板与后背形成一体。

c.结合地质资料，确定是否在滑板施工时预留坡度及防扎头措施，比如在滑板制作时将其标高整体抬高5cm并将滑板设置成前高后低的1‰～5‰的仰坡,以防止顶进时因土质原因造成扎头等。

d.铺设3mm厚的3∶7机油和滑石粉的混合料作为润滑层。

3.2 试顶

顶进的实施是整个工作的关键环节，因此开顶前应进行试顶，试顶顶力一般约为顶进结构自重的 0.4～0.8倍，但开始起动时不应突然增到此数值，而应使顶镐同步逐渐加压，最好是每次升到一定压力后稳定几分钟，并对设备及滑板，特别是后背和顶进的结构体进行检查，如一切正常，方可再次加压。

试顶工作以顶动结构为止，在试顶时加强结构中线、水平和纵向位移的观察，同时注意观察后背和底板的变化。

在加压过程中，如油压突然下降，一是表明结构已脱离滑板开始移动，这时则可续顶进；二是后背或框架出现变形，这时应停止顶进，分析变形原因，采取加固措施。

当顶力达到0.8倍结构自重时结构未启动，立即停止顶进，找出原因采取措施后重新加压顶进。

3.3 顶进挖土

顶进过程中挖土采用长臂挖掘机及1台PC220挖掘机，另外备用1台挖掘机以满足施工要求。挖掘机位于顶进段的前方，采用后退式挖土，边顶边开挖前方土体。

3.4 结构顶进

顶进前，在结构侧墙四个角点设置水平标高观测点，沿轴线在两端设置中线位移观测点，用于标高和位移偏差的观测和纠偏。

顶进过程中，进行跟踪测量，每顶进一次测量一次，方向测量随时进行，根据方向调整好顶镐顶力，随时纠偏。纠偏方法以调节两侧顶力为主。

顶进过程中做到随挖随顶。挖好的工作面不得长时间暴露，严禁超前挖土。

顶进过程中，顶铁与千斤顶须处于同一轴线上，为防止纵向顶铁过长失稳，每隔4m设一道横向联结系，以提高横向稳定性。

顶进作业允许偏差如表1所列。

表1 顶进允许偏差 单位：mm

3.5 测量控制

测量控制是顶进施工的重要组成部分，它直接关系到结构物的就位精度。每完成一个顶程，就要进行一次水准测量，以便及时掌握结构的坡度变化情况。方向观测一般以结构中线基桩为原点，用全站仪设置顶进观测站和观测基点，顶进时在观测站内架设全站仪，进行连续观测，以便随时纠偏。

3.6 结构方向纠正

3.6.1 左右纠偏方法

a.用增减一侧千斤顶的顶力。

b.开动两边高压油泵调整。

c.后背顶铁调整。

d.可在前端一侧超挖，另一侧少挖土或不挖来调整方向。

e.在结构前端加横向支撑来调整。

3.6.2 纠正结构“抬头”的方法

当结构“抬头”量不大时，可将结构前开挖面挖到与结构底面平或稍作超挖。如“抬头”量较大，则多超挖一些，在顶进中逐步调整。

3.6.3 纠正“扎头”的方法

a.挖土时，开挖面基底保持在箱身底面以上8～10cm，利用船头坡将高出部分土壤压入结构底，纠正“扎头”。

b.如基底土壤较松软时，可采用换铺20～30cm厚的卵石、碎石、混凝土碎块、混凝土板、浇筑速凝混凝土等方法加固地基，增加承载力，借以纠正“扎头”。

c.增加结构后端平衡压重，改变结构前端土壤受力状态，达到纠正“扎头”的目的，但应注意增加重量后要逐步卸载，否则会出现“抬头”现象，同理亦可用于纠正“抬头”现象。

d.在浇筑滑板时设有前高后低的滑板仰坡，保证在出现扎头的情况下，结构也能落到预期位置。

3.7 施工监控及监测

3.7.1 顶进过程姿态控制

顶进前，为了可以更好地控制结构的姿态，在结构侧墙设置高程控制点；中线控制点设置在结构顶进方向的南、北两端。且为了保证顶进精度，基点距离必须大于实际顶程，顶进时在观测站内架设全站仪，进行连续观测，以便随时纠偏。

顶进结构姿态控制点布置图，见图6。

图6 顶进结构姿态控制点布置

3.7.2 施工期间对地铁隧道的监控

根据《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911—2013)，临近城市轨道交通地下线路的监测项目如表2所列。

表2 监测项目

地铁监测由第三方监测，本工程给出的地铁6号线郝家府及区间轨道结构变形控制值为2.5mm。

4 施工效果

4.1 第一节施工

河道U形槽第一节共顶进21.5m，根据第三方监测数据，地铁隧道左线结构总变形最大点为ZZD10，变形量为+1.94mm，自顶进累计上浮最大点为ZZD10，顶进阶段累计上浮量为+1.09mm，总累计值为+1.94mm；地铁隧道右线结构总变形最大点为YZD11，变形量为+1.48mm。

4.2 第二节施工

待第二节结构预制完成，顶进2m，与第一节之间形成中继间后开始一起顶进，至就位完成。根据第三方监测数据，地铁隧道左线结构总变形最大点为ZZD9，变形量为+1.97mm，自顶进累计上浮最大点为ZZD13，顶进阶段累计上浮量为+1.16mm，总累计值为+1.96mm；地铁隧道右线结构总变形最大点为YZD11，变形量为+1.84mm，自顶进累计上浮最大点为YZD12，顶进阶段累计上浮量为+0.99mm，总累计值为+1.80mm。

4.3 总体效果

截至2018年3月15日，地铁隧道结构竖向累计变形最大点为ZZD13，变形量为+1.92mm，均小于控制值2.5mm。说明采用本技术后，对地铁隧道结构变形扰动较小，确保了地铁6号线安全畅通运行。

5 结 论

明挖衡重式顶进技术针对河道上穿地铁施工，创新性地按河道断面预制钢筋混凝土U形槽，对开挖土体的卸载采用配重进行弥补，利用顶进设备和挖掘机配合，随挖随顶，成功将既有线路(地铁6号线)的变形控制在2.5mm以内。实践证明，该施工工艺能够满足地下既有线路变形控制精度高、地上开挖断面大的线性工程施工需要，具有良好的社会效益和应用价值。