杜輝（天津市水利工程有限公司，天津300222）

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管幕-頂涵法穿越高速公路頂進(jìn)施工關(guān)鍵技術(shù)

杜輝
（天津市水利工程有限公司，天津300222）

［摘 要］管幕-頂涵法是一種在管幕保護(hù)下頂進(jìn)大型預(yù)制箱涵的施工方法，涉及管幕頂進(jìn)和涵體頂進(jìn)技術(shù)，用以解決明挖施工中斷給地面交通帶來(lái)的不便。特別是在高等級(jí)路面下作業(yè)時(shí)，對(duì)路面變形、沉降、安全穩(wěn)定性都有極高的要求。文中以南水北調(diào)中線工程天津干線管幕-頂涵法穿越津保高速工程為例，介紹了其施工關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)控制要點(diǎn)。

［關(guān)鍵詞］南水北調(diào)；管幕-頂涵法；關(guān)鍵技術(shù)

1 工程概況

南水北調(diào)天津干線與津保高速公路交叉點(diǎn)的樁號(hào)為XW 130+803.5，斜交角度為122°。天津干線穿越津保高速公路涵段長(zhǎng)150 m，其中頂進(jìn)段長(zhǎng)度為70 m，起訖樁號(hào)XW130+732—XW130+882，如圖1所示。津保高速公路為雙向4車道，涵址處路面+路肩全寬27.0 m，高程6.87 m，天然地面高程4.48～2.96 m。設(shè)計(jì)荷載公路Ⅰ級(jí)。

根據(jù)專家會(huì)審意見，將原高速公路暗挖方案改為頂進(jìn)方案。其中輸水暗涵為3孔鋼筋混泥土框架結(jié)構(gòu)，總寬15 600mm，總高5 900mm，長(zhǎng)17 000mm+17 000mm+18 000mm+18 000mm= 70 000mm，共4節(jié)。箱涵四周先期頂進(jìn)42根準(zhǔn)970mm，壁厚14mm的鋼管形成管幕保護(hù)，以對(duì)頂涵形成強(qiáng)有力的超前支護(hù)，管幕設(shè)計(jì)長(zhǎng)70 000mm。如圖1所示。

2 施工方案策劃

根據(jù)設(shè)計(jì)階段確定的施工工藝流程，在施工階段對(duì)管幕-頂涵施工工藝的具體保證細(xì)節(jié)進(jìn)行了反復(fù)的論證和細(xì)化，將基坑開挖穩(wěn)定性、頂力控制、頂進(jìn)段涵體實(shí)體質(zhì)量、路基土體注漿加固、頂進(jìn)階段潤(rùn)滑漿保壓、頂進(jìn)出洞、潤(rùn)滑漿固結(jié)置換做為施工控制的重點(diǎn)。

圖1 頂進(jìn)段平面布置圖

3 過程策劃與控制

3.1 工作坑開挖

基于工程總安排，南北兩側(cè)工作坑土方同時(shí)開始施工，由南側(cè)工作坑施工管幕，管幕完成后從北側(cè)頂進(jìn)箱涵。工作坑上層4 m左右開挖坡度為1∶1.5，開挖后進(jìn)行護(hù)坡鋼筋混凝土灌注樁樁垂直支護(hù)施工。其中頂涵工作坑（高速路北側(cè)）頂力支撐端灌注樁兼作后背支撐，并于灌注樁后設(shè)置準(zhǔn)600mm@400mm的水泥攪拌樁格構(gòu)墻加固后背土體，頂管工作坑（高速路南側(cè)）頂力支撐端灌注樁兼作后背支撐。

3.2頂進(jìn)控制力參數(shù)計(jì)算

3.2.1 管幕鋼管頂力計(jì)算

式中：P——計(jì)算的總頂力，kN；D1——管道外徑，m，該工程為0.97 m；L——管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度，m,該工程為70 m；fs——管道外壁與土的平均摩阻力,kN/m2；PF——頂管機(jī)的迎面阻力，kN。

工程采用觸變泥漿減阻技術(shù)并大部處于粘土層，少部分處于壤土層。根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》，鋼管頂進(jìn)摩阻力系數(shù)fs取5 kN/m2。

式中：Dg——頂管機(jī)外徑，此工程為0.990 m；R——主動(dòng)土壓力，kN/m2。

式中：Ka——主動(dòng)土壓力數(shù)，計(jì)算公式為tan2（45°-準(zhǔn)/2），內(nèi)摩擦角準(zhǔn)綜合考慮取10°,忽略粘聚力影響，計(jì)算得Ka=0.70；H0——地面至掘進(jìn)機(jī)中心距離，覆土平均值頂排管幕3.18 m，底排管幕10.2 m；r——土的濕重度，取19 kN/m3。

通過計(jì)算得：

1）頂排管幕

2）底排管幕

3.2.2 鋼管970mm的承力計(jì)算

鋼管規(guī)格：外徑D1=0.97 m；壁厚t=14mm；內(nèi)徑d=0.956 m；材料為Q235鋼材，取σs=235 MPa。

鋼管能承受的最大頂力F1為：

式中：［σ］——許用應(yīng)力，N/mm2；Sn——鋼管凈截面面積，mm2。

其中：

［σ］=σs/n=235/1.33=177 N/mm2；n——安全系數(shù)，取1.33；

計(jì)算得：

故，頂進(jìn)作業(yè)安全。

3.2.3 涵體頂力計(jì)算

涵體頂入時(shí)所需的頂力必須克服涵體自身重力產(chǎn)生于滑板上的摩阻力、周圍土的摩阻力及前刃角切土?xí)r的阻力。頂力可按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：N1——頂管頂以上的荷載（包括動(dòng)載），kN；f1——涵體頂面與其上面荷載的摩擦系數(shù)，此頂進(jìn)涵頂部噴灑石蠟加潤(rùn)滑油，可取0.8；N2——全部管道自重，kN；f2——涵體底面與基底土的摩擦系數(shù)，一般采用0.8；E——頂管兩側(cè)土壓力，kN；f3——側(cè)面摩擦系數(shù)，涵體表面涂刷石蠟和潤(rùn)滑油，取0.26；R——55 kN/m2；A——鋼刃角正面積，取A=0 m2；K——系數(shù)，一般取1.2。

采用上式計(jì)算，最大頂力為8 349.04 kN。

3.3 涵體預(yù)制

涵體在頂進(jìn)階段不僅要承受端部頂力，還要承受周圍土體帶來(lái)的擠壓力以及洞內(nèi)作業(yè)機(jī)械的震動(dòng)力，所以，涵體質(zhì)量的控制是保證頂進(jìn)工程安全順利實(shí)施的關(guān)鍵一環(huán)。

3.3.1 鋼筋混凝土主體質(zhì)量控制

對(duì)鋼筋混凝土的主體質(zhì)量控制，除按照規(guī)范要求進(jìn)行精心的模板支護(hù)、鋼筋綁扎、預(yù)埋件安裝、混凝土原材控制、澆筑、振搗、養(yǎng)護(hù)外，涵體預(yù)制還根據(jù)處于低溫季節(jié)施工的特殊情況，采用開合式陽(yáng)光保溫棚的措施，為涵體預(yù)制的各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制提供有利的保證。

3.3.2 注漿管路預(yù)埋

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，外掛式注漿管路雖維修方便，但在洞內(nèi)出土階段經(jīng)常被作業(yè)設(shè)備損壞，影響使用效果，本項(xiàng)目經(jīng)過細(xì)化改良，將注漿管路預(yù)埋在涵體內(nèi)部，為防止注漿管路出現(xiàn)堵塞，在管路末端設(shè)專門用于頂涵的專利注漿噴嘴（發(fā)明專利號(hào)ZL2013 1 0203474.1），另外加設(shè)一路備用管路（同時(shí)做為固結(jié)注漿管路）。

3.3.3鋼刃角改進(jìn)置安

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，鋼刃角過短，對(duì)前端掌子面土體支撐不足，土體支撐效果不好。工程鋼刃角長(zhǎng)1 m，用厚度為10～16mm的鋼板制作。為使刃角牢固，每個(gè)螺栓用2個(gè)螺帽并加彈簧墊圈。側(cè)刃角較橋涵端面外框尺寸略大，以減小頂進(jìn)阻力，并為注漿噴嘴提供一定的注漿空間。

3.3.4 中繼間制作

該頂進(jìn)方案非特殊情況，不啟用中繼間。但考慮到頂進(jìn)工程的特殊性，設(shè)置中繼間做為頂進(jìn)應(yīng)急預(yù)案。中繼間鋼護(hù)套位于箱體外側(cè)，前后兩節(jié)涵體間設(shè)限位插銷。鋼插銷采用2根50 kg/m鋼軌制作，3邊墻各設(shè)3個(gè)。鋼插銷一端預(yù)埋入先施工的箱體混凝土內(nèi)，另一端伸出混凝土外，外露長(zhǎng)度不小于頂程加20 cm。后施工一節(jié)箱體在相應(yīng)位置預(yù)留孔洞，孔洞內(nèi)預(yù)埋10mm厚鋼套，鋼插銷與孔洞留有活動(dòng)間隙，確保鋼插銷伸縮自如。

3.4 其他保證措施

1）對(duì)頂進(jìn)涵體周邊土體進(jìn)行注漿加固，增強(qiáng)土體的自承力和穩(wěn)定性。

2）在頂進(jìn)進(jìn)出洞口設(shè)置保壓橡膠圈和保壓環(huán)，一是為防止頂進(jìn)階段注入的潤(rùn)滑漿液沿洞口縫隙流失，保證潤(rùn)滑漿壓力不損失，提升潤(rùn)滑效果；二是能有效防止涵周土體隨潤(rùn)滑漿液流失，造成地表沉降。

3）在進(jìn)出洞口側(cè)同時(shí)施作水泥攪拌樁擋墻，既能確保洞口框架梁的施工效果，也能夠保證進(jìn)洞和出洞階段掌子面的安全穩(wěn)定。

4）在頂涵出洞口側(cè)施作軟土堆擋，高度為涵體高度的2/3，呈直角梯形，上頂寬度1.5 m，底寬7.5 m，防止頂涵出洞接近時(shí)土體坍塌威脅高速公路安全。

5）管幕（涵體）頂進(jìn)就位后，及時(shí)采用水泥漿置換潤(rùn)滑漿，采取多次置換的方式，直至潤(rùn)滑漿液不再流出，水泥漿流出為止，以消除由于頂進(jìn)階段形成的管周（涵周）空隙所帶來(lái)的路面沉降隱患。

4 結(jié)語(yǔ)

圖2 管幕實(shí)際頂力曲線圖

南水北調(diào)天津干線穿越津保高速路工程在參建各方的共同努力下最終成功完成頂進(jìn)施工。頂進(jìn)過程中各項(xiàng)指標(biāo)和參數(shù)均在控制之中，沒有啟

動(dòng)中繼間，施工中采取了一定措施保證了津保高速公路的正常行車以及各種管線的安全。箱身結(jié)構(gòu)在頂進(jìn)過程中無(wú)破損無(wú)裂縫，涵體就位誤差滿足規(guī)范要求。至今，工程完工已3年，涵內(nèi)通水無(wú)滲漏及任何問題。津保高速公路頂進(jìn)施工經(jīng)驗(yàn)表明，在管幕-頂涵保護(hù)工法的配合下，其工藝安全、高效、經(jīng)濟(jì)，適用于大型線路交叉下穿地面建筑物施工。

［中圖分類號(hào)］TU74

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1002－0624（2016）06－0017－03

[收稿日期]2016-04-27