超大型管幕箱涵顶进施工工法.docx

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超大型管幕箱涵顶进施工工法

管幕箱涵顶进施工工法

天津城建集团工程总承包公司

张维、卢士鹏、王杰、宋福禄、颜秉玮

1.前言

作为穿越道路、铁路、机场等的非开挖技术，管幕法最早出现在1971年日本Kwase-Inae穿越铁路的通道工程中，欧洲较早采用该法是1979年比利时Antewerp地铁车站的修建，而后，在我国香港、台湾地区及新加坡、马来西亚等国得到了较广泛的发展和应用。

在此基础上，结合箱涵顶进施工，日本研究开发出很多工法，如ESA（endlessself-advancing），FJ（frontjacking）工法等。

实测和理论分析结果均表明，具有一定刚度的管幕能显著减小地面变形和增加开挖面的稳定性。

国内最有代表性的管幕-箱涵顶进法（RBJ工法）为上海北虹路地道工程，地道工程轴线基本呈南北走向，沿虹许路穿越西郊宾馆接入北虹路．为长距离浅埋式地道。

管幕段长126m，由80根ф970×10mm带锁口的钢管，形成口字型管幕壁厚12mm。

钢管锁口采用双角钢L-100×80×10（mm）。

突破了原有的沉管法施工的局限，避免了对地上道路、建筑的影响。

南水北调天津市内配套箱涵穿越外环线工程为天津市首次应用管幕箱涵顶进工法，对高填土地层下管幕结合箱涵顶进的关键技术如管幕顶进纠偏、箱涵顶力计算与控制、施工对地表沉降影响等进行了分析，对管幕箱涵顶进工法的推广具有一定意义。

图1-1箱涵顶进穿越外环线平面布置图

2.工法特点

管幕箱涵顶进工法可以避免对地面道路交通的影响，实现非开挖条件下输水箱涵穿越公路。

3.适用范围

适用于非开挖条件下结构物穿越公路施工。

4.工艺原理

针对管幕箱涵顶进施工工艺特点，管幕、箱涵顶进在各施工阶段的技术要点，合理确定施工工艺，并采取相应措施使基坑围护结构设计及施工、管幕-箱涵的施工精度、管幕-箱涵的注浆、路面沉降达到了设计要求。

5.施工工艺流程及操作要点

5.1深基坑围护、支护方式的选择、施工工艺

5.1.1基坑围护

1、支护型式

原设计方案为基坑采用二级防护，第一级放坡加4m平台，外侧采用一排Ф60cm水泥搅拌桩防平台以上地下水，桩长9m。

第二级防护灌注桩采用Ф100cmC25钢筋混凝土，中心距1.2m，桩长17m，在钻孔灌注桩后采用二排Ф60cm，咬合10cm搅拌桩作为止水帷幕，桩长17m。

根据以往基坑施工经验，通过计算优化了基坑支护方案，优化方案如下：

基坑采用二级防护，第一级放坡加4m平台，外侧采用一排Ф60cm水泥搅拌桩防平台以上地下水，桩长9m。

第二级防护灌注桩采用Ф100cmC25钢筋混凝土，中心距1.2m，桩长12.5m（外环线公路东侧及东侧基坑顶管后背桩长15m），西侧箱涵顶进后背桩径Ф100cm，中心距1.4m，桩长12.5m，在钻孔灌注桩后采用二排Ф60cm，咬合20cm搅拌桩作为止水帷幕，桩长12.5m。

框构顶进工作坑防护桩设一道Ф500×8mm间距5m水平支撑。

基坑周边三侧布设Ф40cm大口井降水，间距7m，井深17m。

沿公路布设Ф60cm大口井，间距7m，井深20m，将地下水位降至底板下50cm以下。

2、基坑稳定性分析

利用理正深基坑计算软件复核了基坑稳定性，满足规范要求。

5.2Φ970管幕-箱涵顶进施工工艺

图5.2-1施工工艺基本流程图

5.2.1管幕施工控制

1、钢管幕顶进

顶管采用2台泥水平衡式顶管机，由东工作坑向西工作坑按一定次序同时顶进。

单节钢管长6m，随着顶进，钢管逐节焊接。

比普通顶管的技术难度大在于不仅中线和高程控制精度高，而且由于锁口连接，要严格控制钢管顶进的偏转。

泥水平衡顶管掘进机的纠偏系统是由四组纠偏油缸构成的，纠偏的控制是根据管道激光测量定位系统来决定的。

在顶进过程中，激光经纬仪从始至终进行跟踪测量，激光纠偏系统随时根据激光点的左右上下进行纠偏。

顶进第一节管时，每顶进0.2~0.3m即对中心线和高程测量一次，顶进正常时，每顶进0.5~1.0m测量一次，发现偏差及时调整纠偏，加以修正控制。

做到勤测勤纠，先纠高程偏差后纠左右偏差，并做好纠偏记录。

同时在机头后增加过渡活动节、调节机头配重。

经过上述措施，中线和水平基本达到精度，钢管偏转在可控范围内，保证了锁口的咬合。

图5.2.1-1管幕下顶进箱涵断面示意图

2、箱涵与管幕间预留间隙

箱涵和管幕间要留有一定间隙，是为了保证箱涵顶进时有一定空间，但间隙过大会影响地面沉降过量。

本工程中箱涵顶面与管幕间隙为33cm，两侧各21.5cm，底部与管幕未预留间隙。

预留间隙大小取决于钢管幕的顶进精度，管幕进出端必须满足箱涵外轮廓尺寸。

3、锁口

锁口在管幕施工中具有重要意义，通过锁口的咬合（见图4），最终将钢管形成管幕，在箱涵顶进中，与钢管一起受力，因此锁口要有一定的强度和刚度。

本工程中采用的锁口为轻型槽钢焊接而成。

图5.2.1-2锁口型式图

4、后续处理

钢管顶进完毕后，为了保证止水效果和提高管幕的整体刚度，采取以下措施:

（1）在箱涵顶进前，在管幕钢管内进行无收缩、免振捣混凝土填充，以加大管幕纵向的刚度，和避免管幕局部出现应力集中而屈服。

钢管和有压细石混凝土形成水平向的钢混凝土桩，每根钢混凝土桩在导向连接装置的连接下形成钢混凝土桩帷幕。

（2）为了保证管幕的防水效果，防止箱涵顶进时发生渗漏泥水的现象，施工完成后要求对钢管锁口间填充止水材料。

同时，预留足够的跟踪注浆孔，以便在箱涵顶进过程中对局部渗漏点进行二次注浆；

（3）浇注混凝土后，将钢管的口部焊接封闭。

5.2.2管幕内箱涵顶进施工控制

在我国箱涵顶进施工已经有多年经验，在管幕内顶进箱涵降低了施工难度，但对地面沉降的控制要求有所提高。

1、刃角

箱涵前端的刃角在顶进过程中起着重要的作用。

首先依靠刃角的切口在顶力作用下对正面的土体剪切破坏实现顶进；其次对保持开挖土体的稳定而且对管幕起着支撑作用。

与无管幕箱涵顶进的主要区别在于管幕阻断了内外土体并起到一定的支撑作用，同时还有一定的导向作用。

本工程刃角长3.8m，其中最前端80cm刃角为钢结构。

图5.2.2-1刃角侧面

2、箱涵顶力计算

箱涵顶进的阻力主要由正面阻力以及箱涵与土体的摩阻力组成。

箱涵顶力计算公式如下：

P=K（PF+F）

P——总顶力，kN

PF——迎面顶力，kN

F——箱涵周围的摩阻力，kN

K——安全系数（1.0~1.5）

本工程实例中，箱涵高度h1=5.3m，h2=0.3m，箱涵宽度D=9.4m，顶板厚度0.7m，底板厚度0.8m，侧、中墙厚度0.6m，箱涵覆土厚度h3=8.1m，土体重度γ=16kN•m-3，c=5kPa，Φ=250，箱涵总长度60m。

（1）摩阻力

顶面正应力P顶=16*8.1=129.6kPa

箱涵自重应力P箱涵=21.8*25/9.4=58kPa

两侧正应力P侧=16*（8.1+5.3/2）*2.464=423.8kPa

设侧面、顶面的摩擦系数为0.05，底面摩擦系数为0.1

总摩阻力=129.6*0.05*9.4*20+（129.6+58）*0.1*9.4*20+423.8*0.05*5.3*20*2=9237.4kN

（2）迎面阻力

p1=kp（Ps+γh2）+2c

=2.464*（129.6+16*0.3）+2*5*1.57=346.9kPa

p2=p1+kpγh1=346.9+2.464*16*5.3=555.8kPa

Rn=（p1+p2）h1/2•D=（346.9+555.8）*5.3/2*9.4=22486.3kN

设启动阻力为2000kN，则总顶力为P=K（PF+F）=1.1*（9237.4+22486.3）+2000=36896kN

（3）箱涵顶进设备配置

顶进千斤顶数量：

总顶力为36896kN，每台千斤顶设计值3200kN，千斤顶数量为36896kN/3200kN=12台

顶进千斤顶布置：

考虑到工程中不可预见因素，为保证足够的安全贮备，实际布置3200kN千斤顶18台。

3、箱涵顶进

（1）设备控制

三段箱涵，每段箱涵连接18台千斤顶，第一段箱涵安装长115cm行程70cm的320吨千斤顶，第二段安装长40.5cm行程14cm的320t千斤顶，最后一段箱涵安装长1650cm行程1200cm的320t千斤顶。

三段箱涵共使用1台液压泵站，泵站长2米，宽1.26米，高1.22米，在第三段箱涵侧面搭工作台，工作台安放液压泵站，在箱涵顶进过程中，泵站随着涵体进行平移。

每段箱涵通过2个分配器来连接泵站及千斤顶，分配器长3米，每个分配器上安装9个高压截流阀，可连接9台千斤顶。

分配器直接放在千斤顶上，在涵体顶进的过程中通过高压截流阀进行姿态的调整。

（2）千斤顶每次行程为50cm，短的顶铁配备的规格为：

0.5米、1米、1.5米、2米，首次顶推完成后，安装0.5米的顶铁，第二个行程完成后更换为1米的顶铁，第三个行程完成后，更换为1.5米的顶铁，第四个行程完成后，更换为2米的顶铁，第五个行程完成后，加装0.5米顶铁，第六个行程完成后，将1米的顶铁替代0.5米的顶铁，第七个行程完成后，将1.5米的顶铁替代1米的顶铁，在第八个行程结束后将全部顶铁扯下，安装4米顶铁，顶铁中间横向安装铁轨，铁轨两头与预埋钢筋焊接，防止在顶推过程中顶铁上拱造成的危险。

（3）千斤顶及泵站调试完成后，开始安装千斤顶及泵站，所有工作完成后，开始进行试顶，将泵站启动按照30％的基数进行分段加压，观测人员对箱涵整体进行测量，观测是否已经移动，移动过程中产生的偏移。

液压人员对千斤顶及管路反复巡回检查，是否全部出缸及油管漏油进行排查，试顶使用行程700mm的千斤顶，到达规定行程后，试顶结束。

（4）土体稳定控制措施

①管幕外围路基压密注浆，主要目的是防渗，采用在管幕内向四周注浆的方法，具体的作法是将注浆管伸进管棚不同位置，通过钢管预留孔（带止浆阀）向外注浆。

图5.2.2-2管幕注浆孔布置示意图

②箱涵与管幕间土体在顶进过程中的土体稳定主要控制钢刃角始终吃土，使土体密实。

在中继间间隙外侧设置了四面钢板护套，不漏土也有利于接缝防水。

在每节中继间位置设置8个注浆孔，可以作为膨润土注入和注浆使用。

在箱涵顶进过程中，带入四根注浆管及时注浆，随顶进随注浆，确保顶进前方土体稳定。

图5.2.2-3中继间注浆孔布置示意图

（5）顶进挖土

根据设计要求，本工程顶进必须带土顶进。

①顶进的速度主要取决于出土速度，挖掘土方采用2台0.4m3挖掘机为主，直接装入自卸汽车，局部边角处由人工配合清理。

②顶进挖土前，首先探明是否还有电缆，若有及时与有关部门联系，进行改移保护，已挖出部分电缆，每根用编织袋包裹，竹板铁丝捆在一起。

③挖土时保证前端边坡不大于1：

0.3，严禁采用垂直挖土及掏土自塌方法，每次挖掘进尺为0.5m，不超过每一次顶进长度，做到勤挖勤顶。

④顶进挖土专人指挥，严格按照监测结果指挥挖土，挖土工作人员应与观测人员密切配合，随时根据箱身顶进偏差情况，调整挖土方法及两侧吃土厚度。

⑤机械开挖完毕，人工进行清理，箱身周围保持始终吃土。

⑥顶进开始后应昼夜不停，尽量缩短慢行时间。

（6）纠偏及姿态控制

①箱涵顶进就位时前高后低，属上坡顶进，对箱身前后标高的控制至关重要。

顶进前在箱身顶板上部四个角设4个控制点，用来控制顶进过程中箱身的偏位和倾斜。

②顶进前对开挖位置进行水平测量，严格控制挖土标高。

③经纬仪设在后背处，在箱身顶板上弹出中线，每一顶程测量一次，发现偏移中线时，调整顶程或控制边坡吃土。

④箱身偏移允许偏差

高程允许偏差为：

偏差不超过5cm

中线允许偏差为：

5cm

图5.2.2-4顶进施工流程示意图

5.2.3非开挖条件下箱涵顶进对道路的影响

（1）根据现场情况，我们计划在箱涵与外环线交叉的位置布设监测点，每个车道为一排，共计4排，每排3个点，共12个点，箱涵两侧20米内布点，每10米一个点，每个车道为一排，共计4排，共16个点，累计28个监测点。

图5.2.3-1沉降观测点布设图

（2）根据观测数据绘制沉降曲线图。

图5.2.3-2是管幕中线上地面沉降曲线图。

图中显示钢管顶进是地面沉降的主要原因，箱涵顶推时有一定回弹。

图5.2.3-2管幕中线上地面沉降曲线图

（3）管幕顶进阶段的影响

2010年7月29日开始钢管顶进至2010年12月17日完成，地面出现一定沉降，图5.2.3-3为2010年12月17日的沉降槽曲线图，其中B4点已沉降124.69mm。

2010年12月17日

沉降量（mm）

图5.2.3-3地表沉降断面累计的沉降槽曲线图

（4）箱涵顶进阶段的影响

至2011年1月23日，沉降还在继续，持续下沉了2~40mm。

图5.2.3-4为2011年1月23日的沉降槽曲线图。

B4点沉降已达203.79mm。

2011年1月23日

沉降量（mm）

图5.2.3-4地表沉降断面累计的沉降槽曲线图

（5）管幕结合箱涵顶进工法的地面沉降控制

管幕结合箱涵顶进对地面沉降的影响可分为两类：

①正常操作，是由工艺本身的特性决定的。

如箱涵开挖面的压力平衡、钢管顶进纠偏、受扰动土体固结等。

这类沉降存在于全过程中，是总沉降量的主要部分。

②措施不当引起的超量沉降。

如超挖、蛇形纠偏、管幕与箱涵间间隙过大等，这类沉降影响较小，但通过改善设计、精心施工可以大幅度减小。

后期对路基注浆方式，将外环线路面注浆顶起，最终路面沉降控制在5cm以内。

施工期间，对外环线车辆通行未造成任何影响。

6.材料与设备

6.1钻孔灌注桩机、水泥搅拌桩机

6.1.1围护基坑施工需要采用钻孔灌注桩机、水泥搅拌桩机数台，具体依据工期计划确定。

6.2泥水平衡顶管机、千斤顶

6.2.1管幕顶进施工采用泥水平衡顶管机2台。

箱涵顶进采用千斤顶及配套设备需配置18台套。

6.3水准仪、全站仪

6.3.1管幕、箱涵施工监测外环线沉降变化，配置全站仪一台、精密水准仪一台。

6.4混凝土搅拌站、运输车及混凝土泵车应满足箱涵施工强度要求。

7.质量控制

7.1建立科学管理机制和相应的施工质量检测机制，制定相应的质量保证预案，有预警机制。

基坑稳定性验算、箱涵顶进程序计算设计应符合相关设计规范，施工质量符合施工规范。

7.2施工严格应按照规范进行，质量控制注重施工前和施工中全过程控制，以预防为主，加强对工作质量、工序质量等的检查，促进工程质量。

事前控制重点是做好施工准备工作。

过程控制则全面控制施工过程，重点控制基坑施工、管幕施工、箱涵顶进施工等关键工序的施工质量。

8.安全措施

8.1、必须严格遵守施工现场的各项安全规定，尤其是管幕顶进、箱涵顶进和电气操作等安全规定，并应有应急措施。

8.2、现场统一指挥，并具有科学合理的安全施工措施和预控方案。

8.3、施工队每天进行施工安全检查并做好详细记录，提出保持或改进措施，并落实实行。

8.4、施工人员必须进行岗前培训和安全技术交底，施工过程中现场指挥人员不能擅自离岗。

9.环保措施

9.1、建立项目经理负责的环境管理组织机构，部门分工明确，环保责任落实到人。

9.2、制定培训计划。

定期对参与环保管理的人员进行环境保护专业知识培训。

9.3、基础施工严禁向河道内排放泥浆等工程废弃物。

10.效益分析

10.1通过管幕箱涵顶进施工工法可以在非开挖条件下实现结构物穿越公路，从而避免对道路交通的影响，确保混凝土箱涵结构承载力、耐久性和抗渗能力等满足国家标准规范要求。

11.应用实例

11.1南水北调中线一期天津市内配套工程天津干线分流井至西河泵站输水工程施工（第2标段）工程，K4+348.308～K4+408.398段箱涵与外环线相交，穿越距离60m。

外环线宽34.2m，两侧1:

1.83边坡，平均覆土厚度达8.1m，属于高填土段。

由于外环线交通流量大，无法实现断交明开施工，因此采用管幕结合箱涵顶进法施工。

箱涵高5.3m，宽9.4m，分3节在西侧基坑预制，每节20m，管幕由30根Φ970×16mm带锁口的钢管组成。

工程自2010年6月西侧工作坑开工至2011年1月箱涵穿越外环线贯通，采用管幕箱涵顶进施工工法获得成功。