蘇亞楠，唐慶元

（1.天津市水利勘測設(shè)計院，天津 300204；2.中建二局第三建筑工程有限公司，北京 100070）

1 工程簡介

天津干線分流井至西河泵站輸水工程是南水北調(diào)中線天津市內(nèi)配套工程的組成部分，承擔(dān)著向天津中心城區(qū)輸送南水北調(diào)中線來水的任務(wù)。工程自南水北調(diào)中線天津干線分流井至西河泵站，總長8.5 km，設(shè)計流量27 m3/s，采用2 孔3.8 m×3.8 m 混凝土箱涵全壓力流輸水。建筑物主要由連通井、倒虹吸、通氣孔、鐵路公路穿越物及出口閘等組成。

輸水箱涵在里程4+400 處與外環(huán)線正交，交叉處位于外環(huán)線子牙河橋橋頭路基下。穿越工程自西向東依次穿越外環(huán)河、外環(huán)線及排灌渠，全長135 m。其中，穿越外環(huán)線的非開挖段箱涵長度60 m，共分為3節(jié)。其縱斷面布置，如圖1所示。

2 設(shè)計條件

外環(huán)線為一級公路，雙向六車道，中間設(shè)有隔離帶。外環(huán)線作為天津市的交通干道，行車密度大，因此箱涵在施工期間不能影響道路現(xiàn)有功能的發(fā)揮。交叉處路基寬34.2 m，路面高程7.86 m。穿越工程西側(cè)外環(huán)河及東側(cè)排灌渠道常年水深2～3 m，南側(cè)子牙河常年水深在5 m以上。

穿越段地層除人工填筑土外，主要為粉土、粉質(zhì)黏土層。穿越處箱涵寬9.4 m，高5.7 m。箱涵頂高程-1.23 m，上覆土厚度約9.1 m；基礎(chǔ)高程-6.73 m，坐落于粉質(zhì)黏土層上。

圖1 穿越外環(huán)線的非開挖段箱涵縱斷面

對現(xiàn)場條件進(jìn)行分析后，在工程設(shè)計中應(yīng)重點解決以下兩方面的問題：①由于箱涵尺寸較大，如何減小因箱涵施工對公路造成的不利影響。②因工程區(qū)域地下水比較豐富，如何保證箱涵施工期間的干場作業(yè)。

3 設(shè)計方案及技術(shù)分析

根據(jù)現(xiàn)場條件，初擬采取管棚支護(hù)方案，減小箱涵施工對路基造成的擾動。同時，可利用管棚進(jìn)行封閉止水，以保證箱涵干場施工。

設(shè)計方案采用“長管棚支護(hù)，分段暗挖現(xiàn)澆箱涵”方案。箱涵頂面及兩側(cè)面采用Φ300熱軋無縫鋼管作管棚超前支護(hù)，從進(jìn)口段一次沿水平打入，鋼管間距35 cm，全長62 m。利用非開挖氣動夯管錘在導(dǎo)向設(shè)備上將鋼管夯擊進(jìn)路基內(nèi)，在止水鎖口引導(dǎo)下，相繼夯進(jìn)其他鋼管，形成管棚止水帷幕。底部采用防水混凝土封底。在管棚內(nèi)分節(jié)暗挖而后現(xiàn)澆混凝土箱涵，每次開挖4.5 m，每節(jié)箱涵現(xiàn)澆長度2.5 m。優(yōu)化前的設(shè)計方案管棚布置，如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化前的設(shè)計方案管棚布置

優(yōu)化前的設(shè)計方案在管棚夯進(jìn)過程只切土，對路基土體擾動較小，不會引起路面沉降。如能確保管棚導(dǎo)向及鎖口止水不出現(xiàn)問題，單從設(shè)計角度看，也可形成比較理想的支護(hù)結(jié)構(gòu)。箱涵采用分段開挖現(xiàn)澆方案，可使管棚撓度值控制在10 mm以內(nèi)，從而確保公路不會產(chǎn)生過大沉降。但結(jié)合施工條件及其他類似工程經(jīng)驗進(jìn)行分析后，設(shè)計方案主要存在以下幾方面問題。

（1）因管棚長度達(dá)62 m，同時覆土較厚，Φ300鋼管管棚剛度相對較小，夯進(jìn)過程中對土質(zhì)變化情況適應(yīng)性較差，加之鎖口連接部分結(jié)構(gòu)也比較薄弱，在利用水平氣動錘夯進(jìn)過程中容易發(fā)生方向偏轉(zhuǎn)。在天津地區(qū)其他類似工程中曾發(fā)生止水鎖口拉開及管棚“下扎、上抬”的情況，因此在管棚夯進(jìn)過程中對施工精度要求較高。

（2）為避免外環(huán)線路面發(fā)生沉降，因而無法采取區(qū)域降水措施。由于箱涵底部并未設(shè)置管棚，土方開挖過程中無法對施工區(qū)域形成整體封閉，會給土方開挖及混凝土封底的施工帶來困難。同時，封底混凝土無法截斷掌子面滲水，因此設(shè)計方案的防水措施能否達(dá)到預(yù)期效果也值得研究。

（3）管棚內(nèi)土體為帶水開挖，為防止開挖后掌子面土體坍塌，需對管棚所圍土體進(jìn)行注漿加固。設(shè)計方案采用在管棚施工前從公路兩側(cè)邊坡斜向預(yù)注漿的方法，施工難度較大。

（4）箱涵采用分段現(xiàn)澆施工造成工期過長，同時也增大施工風(fēng)險。

4 設(shè)計方案優(yōu)化及技術(shù)分析

根據(jù)對原設(shè)計方案的技術(shù)分析，最終采用“大管棚超前支護(hù)，箱涵頂進(jìn)”方案，其布置如圖3所示。

圖3 優(yōu)化設(shè)計方案管棚布置

大管棚采用Φ970×16 mm鋼管，每根長62 m，共30 根。箱涵由分段現(xiàn)澆方案改為預(yù)制頂進(jìn)方案。箱涵分3節(jié)預(yù)制，前端節(jié)設(shè)3 m長鋼筋混凝土刃腳，混凝土刃腳上裝三面鋼刃腳。頂進(jìn)過程中設(shè)置2個中繼間，第一節(jié)箱涵計算頂力3 368 t，第二節(jié)與第三節(jié)箱涵計算頂力均為3 162 t。工作坑后背采用Φ1.2灌注樁進(jìn)行支撐，底部設(shè)1 m×2 m 現(xiàn)澆混凝土分配梁。工作坑底部設(shè)置20 cm 厚現(xiàn)澆混凝土滑板，為防止箱涵頂進(jìn)時滑板隨之滑動，板下每隔3 m設(shè)1道錨梁。

為減小箱涵頂進(jìn)摩阻力，主要采取以下兩項措施：①在前端混凝土刃腳及中繼間處預(yù)留觸變泥漿注漿孔進(jìn)行注漿；②滑板表面采用砂漿抹平并涂刷2 mm機(jī)油，力求表面光潔平滑。

為解決管棚施工導(dǎo)向的問題，管棚改由泥水平衡機(jī)頂進(jìn)施工，由于泥水平衡機(jī)具有定向能力，因此可保證管棚的施工精度。同時，對管棚間互鎖裝置進(jìn)行加強(qiáng)，采用4 根熱軋輕型8 號槽鋼制作，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化設(shè)計方案管棚互鎖裝置

針對施工場地地下水豐富的情況，優(yōu)化后的設(shè)計方案對管棚互鎖部位進(jìn)行注漿，形成完整的止水管幕。為此，在每根鋼管上間隔2 m 設(shè)1 道注漿斷面，每個斷面預(yù)留3 個帶止?jié){閥的注漿孔。待管棚頂進(jìn)后，對鎖口進(jìn)行注漿。同時，可利用預(yù)留的注漿孔對管棚內(nèi)土體進(jìn)行注漿加固，以保證掌子面土體穩(wěn)定。

為盡量縮短工期、降低施工風(fēng)險，優(yōu)化后的設(shè)計方案將管棚頂進(jìn)工作坑與箱涵頂進(jìn)工作坑分別布置在公路兩側(cè)。在頂進(jìn)管棚的同時進(jìn)行箱涵預(yù)制，待管棚施工完畢后3節(jié)箱涵連續(xù)頂入。

5 結(jié)語

（1）采用大管棚封閉并對鎖口進(jìn)行注漿所形成止水管幕，有效地解決了箱涵頂進(jìn)過程中的施工排水問題。通過對鎖口的改進(jìn)及采用泥水平衡機(jī)頂進(jìn)法，有效地解決了管棚的定向問題。

（2）優(yōu)化后的管棚可起到“擋土、封水”的作用，其剛度雖比原設(shè)計方案有所增強(qiáng)，但由于缺乏有效的豎向支撐，管棚仍無法單獨承受上覆土的重量。因此，在箱涵頂進(jìn)過程中如何預(yù)防箱涵與管棚之間土體脫落，保證箱涵對管棚的有效支撐，就成為確保管棚及公路安全的關(guān)鍵。本工程在要求鋼刃腳始終吃土的同時，頂進(jìn)過程中在箱涵頂板及兩側(cè)共設(shè)置4根注漿管，隨頂進(jìn)隨注漿。

（3）本工程在設(shè)計階段因受場地條件制約，未能對路基下土層進(jìn)行鉆孔取樣。當(dāng)箱涵頂進(jìn)到約30 m處土質(zhì)發(fā)生突變，造成頂進(jìn)阻力驟增。在對工作坑后背進(jìn)行加強(qiáng)并將頂力由原設(shè)計4 000 t 增大至6 000 t后，箱涵頂進(jìn)仍十分困難。最終，采用在混凝土刃腳前超挖30 cm 并增加觸變泥漿用量后，施工才得以順利進(jìn)行。建議在有條件的情況下，應(yīng)對路基土層分布情況進(jìn)行詳細(xì)勘查，以便于及時采取處理措施。同時，在頂力出現(xiàn)異常后，即使對工作坑后背進(jìn)行加強(qiáng)后也不應(yīng)隨意增大頂力，以免對中繼間及混凝土刃腳造成破壞。

（4）根據(jù)優(yōu)化后的設(shè)計方案，在對鎖口進(jìn)行注漿后，應(yīng)采用泵送混凝土對管棚進(jìn)行灌注。施工期間，在確保管棚穩(wěn)定的前提下，保留10根管棚未進(jìn)行灌注。在箱涵頂進(jìn)阻力增大后，在利用原有觸變泥漿注漿系統(tǒng)的同時，通過管棚預(yù)留孔加注觸變泥漿，對減小箱涵頂力起到了重要作用。并且待箱涵頂進(jìn)完成后，通過預(yù)留的注漿孔進(jìn)行回填注漿也取到了良好的效果。

（5）通過對設(shè)計方案的優(yōu)化，本工程僅用24 d即完成主體箱涵的頂進(jìn)，極大地縮短了施工工期，降低了施工風(fēng)險。掌子面土體注漿量及漿液配比應(yīng)通過現(xiàn)場試驗確定，以既能保證掌子面土體穩(wěn)定又不過分增加頂力為佳。在人口比較密集的地區(qū)，采用泥水平衡機(jī)頂進(jìn)法進(jìn)行施工所帶來的環(huán)境污染問題也應(yīng)引起設(shè)計人員的重視。