近接地下箱涵顶进施工技术研究

满建泰

（中铁十六局集团有限公司，北京 100018）

随着我国城市化快速发展，地下箱涵与地铁线路交叉施工的情况频繁出现，在地下箱涵上穿既有地铁线路常采用顶进施工。

在箱涵顶进应用方面，最早可追溯至1957年德国奥芬堡市的2.5m×2.4m 钢筋混凝土箱涵下穿既有铁路线的顶进施工，至20 世纪末，波士顿25m×12m 的3 座当时世界上截面和施工难度最大的预制箱涵顶进就位，标志着箱涵顶进技术的应用在欧美国家达到顶峰。另外，日本也于1970 年代开始了对箱涵顶进施工的研究，并相继研发了FJ（front jacking）、URT（Under Railway Tunneling）等工法，其中FJ 工法在47m×19.8m×7.33m 的大断面箱涵顶进施工中得到成功应用。我国箱涵顶进技术的应用与研究起步于20 世纪60 年代初期，经过60 余年的发展，已成功克服单仓箱涵下穿既有管线、双仓箱涵下穿河床等施工难题，并在箱涵应力、支护变形、既有管线沉降等不同工况下因箱涵顶进引起的各类变形规律进行了理论分析研究。但是针对上穿既有地铁线路的两个近接地下箱涵先后顶进施工的工程实例及相关研究鲜有报道，因此，本文以近接箱涵顶进为研究对象开展相关研究以期为后续类似工程的施工提供经验借鉴。

1 工程概况

北京某地下箱涵总长996m，其中40m 长度范围内的箱涵需穿越既有地铁线的双线盾构区间，穿越既有地铁线路的上下行线隧洞投影的长度为21m，箱涵底板与既有地铁线隧洞顶部的净距离为3.96m，为防止明挖基坑、地下水对既有地铁线路结构造成上浮，40m 长度范围内采用预制箱涵顶进施工方案，先后顶进的地下箱涵间距500mm，箱涵与既有地铁线路位置关系如图1 所示。

图1 箱涵与既有地铁线路位置关系图

施工场地地处潮白河冲积洪积扇中下部，整体地形较平坦，表层0.50～5.30m 以粘质粉土素填土、粉质粘土素填土及房渣土等人工堆积而成，其下为新近沉积的粉质粘土、重粉质粘土，粘质粉土、砂质粉土及重粉质粘土、粘土；粉砂、细砂及粘质粉土、砂质粉土。场地内不良地质主要为地震液化，液化土层：粘质粉土、砂质粉土②1 层及粉砂、细砂③层，其液化等级为轻微～中等，局部严重。

施工场地地下主要为第一层潜水和第二层承压水，潜水普遍分布于场区内，水位标高为8.48～11.59m。主要存于粘质粉土、砂质粉土②1层，粉砂、细砂③层，细砂、粉砂④1 层，细砂、中砂④层和中砂、细砂⑤层中，该层地下水受周边大量在建工程的降水影响，稳定水位在本工程范围内存在较大幅度的下降，对本工程有利。

2 施工难点

1）土体加固可能存在盲区 顶进施工段范围内的地层主要为粘质粉土和砂质粉土，易液化，在顶进过程中，因注浆加固可能存在盲区而发生土体流动对箱涵产生挤压。

2）既有地铁线路保护要求高 既有线路长期变形控制值为：竖向上浮预警值为1.4mm、报警值为1.6mm、控制值为2mm；横向变形预警值为1.4mm、报警值为1.6mm、控制值为2mm；变形速率小于0.2mm/h。施工中对既有线路土体产生的扰动影响范围大，顶进过程持续时间较长。

3 工艺原理

预制箱涵时，以一侧后顶进箱涵为例进行说明，如图2 所示，分别在先顶进和后顶进箱涵底板临近的一侧预埋1#、2#锰板，为防止顶进过程中巨大的摩擦力使锰板脱落，在锰板上焊锚筋与箱体底板连接牢固。

图2 箱涵锰板预埋示意图

在后顶进箱涵预埋的2#猛板上均匀焊接工字钢，工字钢长度为2 个箱涵间距，在工字钢的另一端同样焊接一块3#锰板，尺寸同先顶进箱涵底板预埋的1#锰板一样。

顶进过程中在1#和3#锰板上涂抹润滑剂，借此为来弱化后顶进箱涵因2 块锰板相互摩擦而产生的摩阻力，使近接箱涵在顶进过程中始终保持固定的间距，保证后顶进箱涵在顶进过程中不会发生偏移。箱涵顶进施工示意图如图3 所示。

图3 箱涵顶进施工示意图

4 施工工艺流程及操作要点

施工工艺为：施工准备→工作坑施工→箱涵预制→预埋锰板→制作滑动装置→顶进施工。

4.1 施工前操作要点

施工前必须对既有线隧道破裂角范围的土体采取袖阀管注浆工艺进行加固，加固厚度1 960mm，以增强土体的自稳能力和固结性，减少顶进过程中对隧道结构的扰动，注浆加固达到强度值后进行工作坑施工，然后进行后顶进箱涵的预制，顶进前在箱身的前后口两侧设置高程观测点，在中间设置中心线偏差观测点，用于高程和位移观测。

4.2 施工时操作要点

顶进时，为避免土方开挖卸载对既有地铁线的影响，在40m 的顶进长度内采用单个353mm×295mm×1 430mm 钢锭进行补充差重，通过对后顶进的箱涵结构和开挖的土体进行荷载计算确定钢锭的配重量。

箱涵顶进开挖的土方重量为

其中，M1为开挖的土方重（t）；V1为开挖土方的体积（m3）；ρ为土密度（t/m3）。

箱涵结构重量为

其中，M2为箱涵结构重（t）；V2为箱涵体积（m3）；ρ为箱涵密度（t/m3）。

需补充的钢锭重量为

在箱涵底板上共均匀布置1 484 个单重为1.03t 的钢锭。

顶进过程中，用全站仪和水平仪进行跟踪测量，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。为防止顶杆过长失稳，应将顶铁用高强螺栓连接，每4m 顶柱安装1 个顶梁，并用挖出的土方进行碾压覆盖，再依次顶进施工，直至顶进到位，以提高横向稳定性。顶进作业允许偏差见表1 所示。

表1 箱涵顶进允许偏差表 (单位：mm)

4.3 施工后操作要点

箱涵顶进进行到后期，由于前方边坡未进行处理，造成阻力减小，前方刃角处很容易产生侧向塌方，此时应尽量减少吃土量，但也不能超挖。刃角前方少挖，挖出一镐的距离顶一镐。

5 质量控制及安全措施

5.1 顶进施工质量控制

1）箱涵“抬头” 预防措施 控制平整度及坡度，保持顶进力水平，并在上方设置管棚，避免出现抬头现象。

2）箱涵“扎头” 预防措施 先对地基进行注浆加固，增加地基的承载力，预留刃角吃土顶进，底部预留20cm 土体进行人工基底清平。

3）开挖掌子面及侧壁质量控制 掌子面按照1∶1 坡度开挖。将每一顶程长度严控在0.5m 以内，减少侧壁暴露时间。

5.2 顶进施工安全措施

1）后顶进箱涵抬头和扎头处理措施 当箱身“抬头”量不大时，可将箱身前开挖面挖到与箱底面平或稍做超挖；“抬头”量较大时，则需多超挖一些，在顶进中逐步调整。增加箱身后端平衡压重的办法，改变箱身前端土壤受力状态，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。顶进完成后，利用注浆孔对基底进行注浆，填充基底空隙。

2）开挖掌子面及侧壁坍塌处理措施 立即停止施工作业，同时安全撤退所有施工人员至安全区。事故现场周围应设警戒线。坍塌事故发生时，应对现场进行声像资料的收集。发生后立即组织抢险人员在半小时内到达现场。立即采用地面回填及暗涵内部回填粘性土的措施，并分层碾压密实，减小掌子面坍塌卸载对地铁的影响。

3）顶力不足处理措施 遇到顶力不足，顶进作业无法继续时可采用注减阻黄油的技术来减小顶进时箱涵底与土层摩擦形成的阻力。注减阻黄油施工遵循同步注浆与沿途注浆相结合“先注后顶、随顶随注、及时补浆”的原则。

6 监测值分析

6.1 箱涵顶进偏差监测

采用本技术的后顶进箱涵施工日期内，中线偏差和高程偏差监测数据如图4 所示。

图4 监测数据

由监测数据可以看出，采用本技术施工的后顶进箱涵，在开始进行顶进作业时，中线偏差和高程偏差均达到峰值但仍在可控范围内，这是由于刚开始作业时设备和作业人员未完全调整至最佳状态所至，通过调整偏差值在施工过程中均趋于平稳。

为更好地预测偏差变化情况，对偏差值曲线进行拟合得到方程式（4）、式（5），回归方程决定系数均大于85，分别为中线偏差R2=0.9473、高程偏差R2=0.9795，说明曲线拟合良好，回归方程可靠。

6.2 既有地铁线路上浮监测

地下箱涵顶进前，既有地铁线右线已累计上浮位移0.6mm，左线已累计上浮位移0.3mm。运营单位要求当变形达到报警值1.6mm 时，必须立即停止顶进，顶进过程中沿地铁行进方向每隔5m 设置一个自动化监测点。如表2 监测点数据所示，顶进过程结束后既有地铁线路左线累计上浮最大位移1.06mm、右线累计上浮最大位移1.25mm，均未达到预警值，地铁线路变形是安全可控的。

表2 既有地铁线上浮监测数据分析

7 施工效果评价

1）工期效益 分别对先顶进箱涵两侧的2 个后顶进箱涵采用未预埋锰板的传统施工方法和本技术进行施工，传统施工方法40m 顶进距离用时16 天完工；采用本技术40m 顶近距离用时10 天完工，工期仅为传统施工方法的63%。

2）经济效益 与传统施工方法相比，本技术每天在中线偏差纠偏方面所节省的机械台班费、人工费、管理费等各类费用可降低30%。

3）技术效益 “近接箱涵顶进施工”克服了后顶进箱涵因土压力作用造成两个箱涵碰撞的问题，可为后续类似工程的施工提供经验借鉴。

8 结语

1）该技术采用事先预埋锰板、施工中涂抹润滑剂等措施，节省了工期、降低了成本，填补了国内该领域技术空白。

2）该技术对既有线隧洞破裂角范围的土体采取预注浆加固和在箱涵底板设置配重的措施，降低了既有地铁线上浮的风险，同时减少了地下箱涵下沉的可能性。

3）该技术很好地稳定了箱体顶进姿态，保证了箱涵结构的间距，避免发生碰撞，为近接箱涵顶进施工技术开了先河，大大提升了近接箱涵顶进施工的水平。