软土地基上顶进框架涵标高、方向的控制技术

郑志强

[摘要] 通过工程实例论述在软土地基上，地基承载力低、地下水位高的条件下，要顶进1045t重的涵节，克服涵体受力复杂，极易产生扎头和方向偏差的顶进技术控制，确保顶进涵节的施工质量，从而对以后类似在软土地基上顶进涵节的工程起到一定的借鉴作用。

[关键词] 软土地基 铁路框架涵 沉降控制 枕头梁 方向和标高

1 工程概况

宝城路立交桥是上海南站—春申复线工程的一个新增城市道路下的立交工程。宝城路立交桥位于上海市闵行区既有宝城路的北延伸段，南接宝城路与莘朱路十字路口，北通莘建东路。立交桥为5－8－8－5四孔钢筋混凝土框架结构，设计顶进采用5+8和8+5两孔，分两次顶进，下穿老沪杭铁路三股道，设计Ⅰ道（既有（Ⅱ）道）、Ⅱ道（既有(Ⅰ)道）和既有（3）道(拆除)下方部分框架为顶进节，长度18.1m，南北两侧设计增建3、4道下方部分框架为现浇，共计12.5m长，顶进节基础和北侧现浇节基础采取φ60cm高压旋喷桩处理；其余部分采取φ70cm双头搅拌桩处理基础。预制基坑地质自上而下依次为：素填土、粘土、淤泥质粉质粘土、砂质粉土、淤泥质粉质粘土，承载层为淤泥质粉质粘土，地基承载力为75kpa，地下水位为地面下2m，基坑开挖深度为8.1m，由于预制基坑土质较软，基坑开挖深度深，基坑两侧围护设计采用SMW工法桩。

2 工程特点

根据本工程的实际情况，有以下几个特点：

2.1 每孔涵节重，顶力大，按计算最大顶力为1334t，需要设置6个300t的油顶。

2.2 地下水位高，基底承载层为淤泥质粉质粘土，地基承载力为75kpa，而且地下水位高，对顶进高程控制不利，基坑及线路下顶进段范围内的降水极为重要。

2.3 本涵主体与铁路斜交77度，分东西两侧分别顶进，西侧涵节先行顶进到位后，东侧箱体还要根据西侧涵节顶进的情况进行调整，方向和标高不易控制。

2.4 涵节后靠背，紧靠在地方既有的一座叫梅陇桥的桥墩，基坑开挖及顶进时要防止既有桥墩的位移。

2.5 本涵高5.8m，前端钢刃角宽为1.9m，顶进时前端开挖坡度仅1:0.3，又是在软土带，顶进施工中路基边坡极易坍塌，所以控制好坍方是保证顶进方向及路基、线路安全稳定的关键。同时，根据以前顶涵的施工经验，在软土地区，一旦涵节出现低头，就很难控制，而且扎头会越来越严重。

3 顶进方案的设计

3.1 顶进涵前的准备工作

施顶前应对参加作业人员进行施工技术交底和施工安全交底，分工明确，责任分明。全体作业人员均应树立起较强的安全、质量意识，确实做到安全生产；“责任重于泰山，质量就是生命”，通过全方位的努力达到工程质量创优的目标。

顶进前的工作检查：框架防水层做完，达到养护期；后背安设满足要求；顶具设备，各种人员及其他设备全部到位；线路加固安全可靠，限速45km/h生效，设专人防护等。

顶进前扣轨加固线路时，有关线路封锁、要点、限速运行及恢复通车等事项，均应按铁道部现行的《铁路行车线路施工技术安全规则》的有关规定办理。

3.2 开挖基坑

根据现场地质和基坑开挖情况，基坑开挖总深度8.1m、长22.2m、宽31.7m，由于预制场基坑和顶进段土质较软，基坑开挖深度深，基坑两侧围护设计采用SMW工法桩，顶进段基础采取φ60cm高压旋喷桩；其余部分采取φ70cm双头搅拌桩处理基础。在施工φ60cm高压旋喷桩时，为了能让旋喷桩起到滑道作用，必须在顶进段路基下施工六排连续重叠三根的高压旋喷桩，使涵节在顶进过程中从六排高压旋喷桩上行走；同时因本工程的地下水位较高，应采用井点降水方案进行降低地下水位，确保涵节的下沉量。

3.3 顶进涵的技术控制

3.3.1 设好观测点

首先是设立固定可靠的观测点。在后背浆砌片石墙上方约0.5～0.8m的桥面上设置能满足置镜要求的观测点，在工作坑后部的砼面上再设一个点，也是能够置镜的点，在此点上置经纬仪前视顶进方向再左右拨偏角900，于二侧边坡上各设置固定测点并做好记录。工作坑内设置临时水准点，在涵节的前端涵内顶部设置中心点，用木条固定在涵内孔径上，以测量顶进方向误差。在前端二侧边墙高度1.0m处用冲击钻打出二个眼，用膨胀螺栓上紧，作为水平测量点。

3.3.2 顶进期间的技术控制

开始顶进期间，技术组也和其它组一样，三班作业，在刚顶进时，要每顶进一镐测一次方向水平。在进入固定的轨道时，原则上每顶进二镐测量一次。基底地质坚硬且稳定时，可适当到顶进四镐测量一次，但不得大于1.0m测一次。要把每次测量的结果用书面材料报给顶进组，并互相签字留底备查。在现场设一个《涵节顶进走势图》，由当班的技术员填写标明测量的方向和水平点，其偏差点等情况，这样就能直观地反映出顶进的状况，要求技术人员本着认真负责的精神，填写好各种的原始记录，如实地反映出现场的实际情况。

3.4 工作坑前端枕头梁设计

根据基坑开挖宽度和为了保护既有路基边坡稳定的需要，要在预制场前进方向设置枕头梁（枕头梁采用2～3排φ70cm的双头搅拌桩）。一般只有一道，但由于在软土上顶进，有条件施工时最好设置二道，第一道紧靠预制场边设置，第二道要根据顶进涵的长度，按其重心刚要离开第一道枕头梁时的位置设置（见图1）。这样当涵节重心刚要出预制场底板进入软土时，其前方已到达第二道枕头梁上，此时涵节受力点在预制场、第一道、第二道的枕头梁上，涵节前端就不会因为重心进入软土而低头；而且这二道枕头梁在基坑开挖和涵节顶进时对防止路基边坡坍塌起了重要的作用。

3.5 顶进及油顶的布置

在涵节顶进前，必须对工作坑四周用φ70的双头搅拌桩、SMW工法桩及拉森钢板桩进行围护，之后在施工的范围内进行井点降水，在顶进框架涵就位处的四角线路外侧设置50cm宽的拉森钢板桩，防止顶进过程中侧面坍塌，在涵节顶进上方的线路采用24m钢便梁进行加固；同时做好对便梁支墩、后靠钻孔桩、基坑围护的SMW工法桩，后靠背旁边的梅陇桥桥墩等关键部位的水平位移、沉降监测点，以便在顶进过程对它们的观察监控。

千斤顶及顶柱布置：根据计算，涵节最大顶力为1334T，计划采用6台300T的油顶按斜交正顶在涵节左右两侧及中测各布置2台，后靠背做成锯子形（见图2），顶镐位置预埋千斤顶后座板固定螺栓，安装好油顶和传力柱，传力柱方向与顶进方向一致，并与横向联系梁垂直（为确保顶力柱的稳定，每6m长加横系梁一道）。

4 顶进过程的标高和方向控制

4.1 涵节标高控制

在涵节顶进过程中，重点是控制涵节前端的标高，确保它在顶进过程中按一定的坡率上坡行走，严控扎头。因此在制作滑板时，做成3‰的仰坡。顶进初期，因滑板按3‰的坡度上坡，涵节重心后移，涵节前端不会出现明显的变化，但会按上坡的趋势前进。当涵节重心离开滑板进入第一道2.4m宽的枕头梁时，因枕头梁是用水泥搅拌桩制作，故不会沉降过多，涵节还是按抬头的趋势前进，当涵节重心要出第一道枕头梁时，涵节的前端已搭在第二道3.6m宽的枕头梁上，此时涵节受力可理解为是连续梁受力，所以涵节重心出第一道2.4m宽枕头梁时，涵节前端也不会扎头，还是按原预定的3‰坡度仰头前进，当涵节重心要出第二道枕头梁时，此时顶程为22m，还剩7.5m就顶进到位，涵前端标高比设计高3.6cm，涵后端比设计高4cm。因涵节重心一旦出第二道枕头梁时，涵节前端肯定会低头，所以在剩余的7.5m长顶程中，前端按比设计标高高4cm控制挖土,涵节前后相对高差为平坡。使涵节在整个顶进过程中都是处于稍为仰头和平坡的前进趋势，有效地控制了整个涵节的标高，同时考虑到涵节在顶进就位后还会下沉1.8cm，故顶进标高要控制在比设计标高高3~4cm。

4.2 涵节的中线控制

涵节在顶进过程采取如下措施：

4.2.1 在滑板上设导向墩：为保证箱体入土前方向正确，滑板施工时在箱体外侧做钢筋砼导向墩，导向墩间距为6m，距墙外侧0.3m。从顶进过程看，涵节在刚启动时的顶力为1334T，启动系数为1.1，启动后在滑板上的顶力仅为470T，其摩擦系数为0.45。这是因为在滑板顶面有一层石蜡润滑层，箱体在润滑层上顶进时方向较难控制，因而要用钢筋砼导向桩控制其入土前的方向，涵前端入土时，方向前端偏左5mm,后端偏右4mm。

4.2.2 利用油顶不对称加力来调整、控制方向

斜交框架涵在斜向正进时，由于偏转力偶的作用，入土越深，涵体的偏转就越大，也就是框架轴线的偏心距随着入土长度的增加而增加。这就要根据涵节的斜向，在纯角处顶力布置小一点，在锐角处顶力布置多一点，有效地克服涵节因斜向而偏转；在顶进过程中，涵节在入土前，因其顶力比较小，涵两侧没有土阻力，所以只有同时开启涵节左右各2台油顶即行，其顶力仅为470T；当箱体开始入土时，由于受涵两侧的侧面土阻力的作用，顶力为680T，此时必须同时开启左侧纯角处的2台和锐角处的4台油顶，根据顶进过程轴线的偏心情况（由于计算和现场实际的总摩阻力因假定条件不能完全吻合，存在一定的误差，同时前端钢刃角左右侧顶进时吃土长度也不一样，仍难以避免使箱体偏转），随时调整左右侧的顶力，前端涵壁侧面的挖土要根据实际情况采取超挖或欠挖，使方向轴线控制在偏差5cm的范围内。

4.2.3 采取短开挖、勤顶进、勤测量，及时调整方向的办法，做到每镐开挖50cm测量一次，根据测量结果随时调整方向，将方向和水平的偏差控制在预定的范围内。

4.3 涵底地质不良时的应急处理

根据钻探的地质资料来看，顶进入口处的涵底地质置于砂夹卵石层上，穿过砂夹卵石层后的地质以淤泥为主。我们把顶进工作坑底板设置在3‰上坡。如果遇到地质不良时，水平方向是难以控制，最大的可能性就是顶进前端扎头下沉，这时就要采取：

4.3.1 扎头坡率①在1.0～1.5％时，前端应挖土深0.3～0.5m，换填块体较大的片石（最好是条石），并用砂夹碎石嵌缝或灌水泥砂浆。

4.3.2 扎头坡率在≥1.5％时，前端除采用（1）项不能扬起扎头时，再用旧木枕横排、短钢轨纵向排列，再加沙夹碎石夯填密实后再顶进。

4.3.3 遇到地质不良时，首先应加强技术测量工作，及时提供情况，不能等到明显扎头时再来处理，那将提高处理难度。所以当班人员一经发现土质明显变化，可能扎头时，应立即停止顶进作业，及时通知工地负责人。工地负责人应立即召集相关部门和领导，共同研究处理方案。任何人不得私自处理、盲目顶进。

如果顶进涵出现明显扬头时，前端基底采取逐步超挖的办法进行处理。钢刃角上部与前进的土层夹紧时，应用人工下部挖除，不能把钢刃角当作导向墩来使用，以免钢刃角过度受力而扭曲变形。

4.3.4 顶进涵内渗水和流沙层的处理方法

虽然采用井点降水, 但是不可能抽干全部的地下水，积水在前端不能自排，水不排干，土方无法进行开挖及运输，为此应采取以下处理方法：

配置小型抽水设备，从前端及涵节镐锅内进行抽水，排水管视水量大小而配备，管路材料最好用PVC管, 顺涵一侧松架布置。随着涵的顶进，管道在工作坑出口处不断地接长，把水排入工作坑的集水井内，再往上排水。这样的排水设置一定要注意安装漏电保护装置。同时应把电缆线架高布设, 不得拖放在地上。

当掘进前方碰到流沙层时，应本着暂时停止顶进，先处理，再顶进的程序。如果是正面出现流沙层时，要控制掘进土方的进度，根据情况，用木料、短钢筋打入易于坍塌的土层，待砂层的水排出稳定后再施工。如果是二侧出现流沙层时，待流沙层排水稳定后，再往流沙层内填塞稻草、水泥袋、木料、竹编等，外侧上下再用短钢筋或木桩钉住，护住填塞物，注意二侧的填塞物或木桩不能影响二侧的顶进。涵二侧及涵顶的坍塌体空隙禁止用草袋内装土填塞，因为填草袋后，在涵顶进时造成草袋滚动会使空隙越滚越大。

5 结语

从本次在宝城路软基顶涵中，通过采取了以上有效的措施，涵节顶进到位后的情况是：涵前端标高比设计高1.9cm，方向偏杭州方向1.8cm；涵后端标高比设计高3.6cm，方向偏杭州方向1.8cm。经过几天的运营后，涵节下沉2.4cm，目前涵前端标高比设计低0.5cm, 涵后端标高比设计高1.2cm。

（1）通过这次软基上的顶进，我们从中得到，在整个顶进过程中，始终要保证涵节前端处于稍有仰头和相对平坡状态，这样就极容易控制涵节的水平按我们预先设想的轨迹前进。当然要使涵节保持稍有仰头，首先就要处理好顶进段的滑道桩和预先设计好在预制场前端的二道枕头梁，使它既能有效地防护路基边坡，又能在涵节顶进过程中起到支点作用。

（2）控制涵节方向的关键在于分配好左右油顶，使它在顶进过程中通过导向墩和调整左右不对称的顶力控制涵节前进的轴线方向。由于软基地质情况复杂多变，顶进前要先掌握好地基的承载力，地下水位标高、地下有无障碍物等情况，预先对它们进行处理（比如封闭工作坑后进行井点降水，降低地下水的水位；挖拦水沟，防止表面水流入工作坑内，及时抽走部分剩余的地下水，使基坑保持干燥，提高地基的承载力等）。同时顶进时做到短开挖、勤顶进、勤测量，及时调整方向和水平，就能较好地控制涵节的顶进质量。通过这次顶进，我们积累了一些在软基上顶涵和在涵底地质不良时的应急处理的经验，对以后类似在软土地基上顶进涵节起到借鉴作用。