管幕顶进技术在京沪高速公路穿越工程中的应用

屈永强

（天津市水利勘测设计院，天津 300204）

南水北调中线一期工程天津干线 （以下简称天津干线）在桩号XW135+859处穿越京沪高速公路，该处高速公路桩号AK56+709。为保证穿越施工时高速公路运行安全，本穿越工程采用钢管帷幕保护下的箱涵顶进施工方案。

1 概况

1.1 地形地质条件

天津干线穿越京沪高速公路工程地处河北冲积-海积平原，地形平坦、开阔，地面高程在4.8 m左右，穿越处路基高程9.44 m。

工程区域地层为第四系松散堆积物，下部为全新统下段（Q41）冲积堆积层，以浅黄、桔黄色壤土为主；中部为全新统中段（Q42）浅海、湖沼堆积层，浅海堆积层由灰色、浅灰色壤土组成，含有机质和贝壳碎屑，湖沼堆积层由灰黑色、灰绿色、灰黄色黏土组成，局部为淤泥质黏土、壤土；上部为全新统上段（Q43）冲积堆积层，为黄褐色、灰黄色壤土。地下水为第三系孔隙潜水，主要赋存于第四系全新统黏性土层，地下水埋深0.4～1.6m。

1.2 工程概况

天津干线穿越京沪高速公路工程全长200 m，分进口段、路基段和出口段三部分。其中，路基段长62 m，为3孔4.4 m×4.4 m C35钢筋混凝土箱涵结构，箱涵分3节，2节长21 m，1节长20 m，边墙厚70 cm，中墙厚50 cm，顶板厚70 cm，底板厚80 cm，底板顶高程为-3.949 m。进、出口段采用敞开式明挖法，这里重点介绍路基段采用的管幕顶进施工。管幕设计按箱涵外包尺寸15.6 m×5.9 m呈“口”字形布置，涵顶及两侧设28根Φ970×16 mm钢管，底部设39根Φ325×11.2 mm钢管，相邻钢管由锁口连接。

京沪高速公路系国家高速公路网G2号高速公路，是天津港外部配套工程港口南通道重要组成部分。穿越处路基高程9.44 m，横断面布置为0.75 m（波形护栏）+19.75 m（行车道）+3.0 m（中央分隔带）+19.75 m（行车道）+0.75 m（波形护栏），全宽 44 m。公路边坡1∶1.5，放坡长度7.3 m。

2 管幕支护施工

2.1 管幕法简介

管幕法，亦称排管顶进法，是一种新型地下构筑物施工技术。其原理是在始发基坑与接受基坑之间利用小型顶管机顶进钢管到土体中，以单根钢管顶进为基础，各钢管间依靠锁口相连，并在锁口空隙注入止水剂形成密封的止水帷幕作为超前支护。然后，在管幕支护下，进行地下构筑物施工。管幕法施工，可以显著减少地面沉降，增强开挖掌子面稳定性。在高地下水情况下，管幕隔离作用可以有效减少地下水对施工的影响。

2.2 管幕法施工工艺流程

天津干线穿越京沪高速公路工程管幕法施工工艺流程如下：①在公路两侧施工钢管顶进基坑和接受基坑，并在顶进基坑设置导坑、导轨和后靠背，在接受基坑设置接受导轨；②利用小型顶管机按设计轴线依次顶入钢管，在钢管锁口注浆形成封闭管幕；③箱涵顶进工作坑基坑降水，施工基坑支护结构，开挖基坑，做好后背土体加固，浇筑后背梁混凝土，安装顶进设备和观测设备，做好滑板基础处理，筑造滑板，敷设润滑隔离层；④依次浇筑钢筋混凝土箱涵；⑤箱涵试顶；⑥箱涵正式顶进，直至施工结束。

2.3 管幕施工

2.3.1 钢管顶进

根据本工程地质以及水文地质条件和设计要求，为保证管幕施工精度、满足地面沉降控制和最大顶推力要求，天津干线穿越京沪高速公路工程选用具有国际领先水平的日本RASA公司生产的DH-800型泥水平衡盾构机顶进Φ970钢管、DT-325型泥水平衡盾构机顶进Φ325钢管。考虑土体压力、机头摩阻以及钢管侧摩阻等，经计算管幕顶进最大推力为1 570 kN。

该盾构机由设备主体、后方顶进装置、泥水平衡和输送系统、操作系统四部分组成。设备主体从前端开始，依次布置条幅式刀盘及其驱动装置、方向控制千斤顶、液压动力站、电气控制台、方向指针和仪表板以及电视摄像机，下部设送排泥管。后方顶进装置采用三段等推力构造，最大总推力2 000 kN，系统可通过液压回路在0～2 000 kN间实现推力的无级调节。盾构机顶进最大速度为100 mm/min。通过顶进面压力和排泥流量调节顶进速度，一般控制在50～100 mm/min，以控制地面沉降。顶进过程中泥土的排出，由以送排泥泵为动力的泥水输送系统进行。操作系统实现了遥控操作，由控制电缆和同轴电缆分别将机内电气和图像信号传送至工作坑内操作台仪表盘或屏幕上，操作员根据情况操作设备主体、后方顶进装置和泥水输送系统。

钢管顶进精度是本工程成败的关键，否则易引起钢管锁口变形或脱焊，严重者导致管幕无法闭合，甚至后续箱涵顶进无法实施。因此，钢管顶进采取了严格的精度控制措施：

（1）设置基准顶管：单根顶管不受锁口约束，顶进时先行顶进多根基准管，控制基准管顶进精度在±3 cm，在此基础上可有效提高管棚整体顶进精度。

（2）建立方向诱导纠偏系统：盾构机配备激光诱导装置，使得顶进严格控制在正确方向上，实现高精度顶进作业，最大轴向偏差要求控制在±25 mm。

（3）严格控制顶进速度：开始顶进和结束顶进之前速度不宜过快，顶进过程中顶进速度应逐步提高，并尽量保持均衡，减少波动。同时，顶进速度要适应注浆要求。一般正常顶进条件下，控制顶进速度在50 mm/min左右，遇障碍物或地基加固土体则将顶进速度控制在10 mm/min以内。

（4）旋向纠偏：由于本工程选用盾构机机头较小、重量较轻，顶进过程中易发生偏转位移，导致锁口扭曲受损。施工中，要在洞口设置约束钢管轴向旋转的加固装置，在洞外管与导轨间设置限制钢管旋转控制装置。顶进过程中，根据情况不断改变刀盘旋转方向控制钢管旋向偏转，同时配备偏转传感器并在盾构机一侧叠加配重。上述措施可有效控制旋向偏差。

顶进施工过程中，为减小顶进阻力，需要向管外环状间隙压入适量减阻泥浆。减阻泥浆在管外壁与土体之间形成泥浆套，避免了干涩摩擦，减小了管壁与土体间的摩阻力，顶进力可大大减小。另外，施工中控制减阻泥浆压力大于土应力，可起到对周围土体的支撑作用。

钢管内间隔10～12 m布置1组注浆孔，每组2孔，间隔布置在两侧锁口一上一下。采用螺杆泵通过注浆孔和盾构机铰接处压浆，压浆与顶进同步进行，保证管外环状间隙基本处于稳压状态。注浆压力基本保持在管顶覆土压力的2.5倍以内，顶部注浆压力为0.2～0.4 MPa，底部注浆压力为0.3～0.6 MPa。减阻泥浆质量要稳定，要求不失水、不沉淀、不固结，具有良好的流动性和一定稠度，保证足够的运动黏滞度，以达到润滑-支撑双重作用。

2.3.2 管幕注浆

由于京沪高速公路穿越工程地下水位较高，为了保证止水效果、提高管幕整体性，钢管顶进完成后应置换减阻泥浆，并对钢管锁口进行注浆。

（1）减阻泥浆置换：当左右相邻2根钢管顶入后，进行减阻泥浆置换。置换材料采用纯水泥浆，要求其凝固体强度介于5 000～1 000 kPa之间，既保证足够连接强度，又不会在箱涵顶进时产生太大阻力。置换注浆采用后退式注浆，即自管幕中间开始注浆，按一定间距设置出浆孔，出浆口排出泥浆中见水泥浆后关闭出浆口，加压后停止注浆。再以此出浆口为进浆口，设下一出浆口，依次类推，直至全部间隙充满水泥浆。注浆置换率不低于90%，注浆压力控制在减阻泥浆注浆压力1.5～2倍之间，即0.2～0.6 MPa，瞬间压力不超过1 MPa。

（2）钢管锁口注浆：减阻泥浆置换完成后，需对钢管锁口进行注浆。注浆口预留在锁口母口一侧，注浆材料选用聚氨酯，注浆应保证密封良好的止水效果。

2.3.3 钢管充填

为增强管幕整体刚度、防止钢管锈蚀后造成地面沉降，管幕顶进施工结束后需对钢管内充填无收缩、免振捣混凝土。充填材料选用具有良好流动性和自密实性能的细石混凝土，采用自封闭端后退式泵送灌注，以钢管体积和灌注量判断填充密实程度。

2.4 箱涵顶进施工

天津干线京沪高速公路穿越工程路基段采用3节箱涵分别进镐顶进方案。基坑开挖完成后，施工双排1.2 m直径钢筋混凝土灌注桩后背墙，桩距1.4 m。后背墙与千斤顶间设置1.2 m×1.0 m钢筋混凝土后背梁。同时，预制3节钢筋混凝土箱涵，节间设置中继间。

考虑土体压力、箱涵四周摩阻等因素，第1节箱涵最大顶力为2 800 t，第2、3节最大顶力为3 000 t。中继间和后背处均采用10个500 t千斤顶，油泵采用ZK500型超高双级轴向柱塞泵。箱涵顶进采用吃土顶进，即在箱涵首部设置钢刃角，钢刃角要始终插入土体，然后挖土、顶进，循环往复。顶进和开挖过程中，要保证掌子面稳定，且严禁超挖，始终保证钢刃角对前方土体的支撑作用，以免背侧土体流失引起沉降。必要时，对开挖面进行超前注浆加固。

箱涵顶进过程中，采用了以下纠偏措施以控制箱涵姿态：①箱涵外表面和钢刃角涂抹润滑剂，减少顶进阻力。②顶进基坑、进洞口箱涵两侧设置导正墩，进洞口箱涵顶板与侧壁设置滚轴支点台车，保证进洞前轴线不发生偏移。③保证所有千斤顶同步顶进，尽量不发生偏移。顶进过程中，随时采用定位仪器监测箱涵偏移情况。发现偏移，则调节相应千斤顶进行纠偏，纠偏有效后方可正常顶进。④顶进基坑内滑板应平整，滑板表面光滑，并喷涂润滑剂，滑板高程误差控制在±3 mm，顶面预留2%抬头坡度以控制箱涵下沉。滑板底4 m以内土体进行注浆加固，避免滑板沉降。

顶进结束后，通过箱涵外壁预留注浆孔，对箱涵与外侧土体间隙注入水灰比1∶1的水泥浆，注浆完成后封堵注浆孔。

3 结语

天津干线京沪高速公路穿越工程采用钢管帷幕支护下的箱涵顶进施工工艺，对周围土体干扰小，能有效控制地面沉降，施工安全可靠，保证了施工期高速公路运行安全和输水箱涵顺利实施，为大型引调水工程穿越高等级公路、重要铁路等设施提供了一套切实可行的新型施工技术。