新东路下穿京港澳高速箱涵施工技术

周 勇

(湖南省交通科学研究院，湖南 长沙 410015)

1 简介

箱涵顶推是一种非开挖的穿越道路、铁路、机场等的地下施工技术，这种技术最早于1971 年出现在日本的穿越铁路的通道工程中。在国内，由于现在地质环境复杂多变，具有更多的不确定性，施工过程就变得更加不确定，不利因素就会更多，但是由于箱涵顶推施工具有很多优势，利用自身的优势可以弥补施工过程中问题的不足，从而大大的增加了施工的进度和安全性，如无需开挖、不中断交通、与地面施工干扰小等，所以这种技术已在我国得到广泛的应用，并且取得了更大效益。然而箱涵施工过程中，监测也是必不可少的环节，通过监测可以时刻地观察到整个施工过程中信息与不利因素，然而信息化施工就是利用监控测量和信息反馈技术对施工过程进行控制，为施工期间优化施工组织设计提供可靠情报，对后续施工方案提出建议，预测施工过程可能出现的险情并采取预防措施。在国内外，很多学者都对箱涵进行了研究、分析与探讨，都取得了一定成果，然而本项目的施工环境较为特殊，地表沉降控制要求严格、顶进距离长、地下水位高、地质条件差。通过这个项目，为研究在复杂条件下的箱涵施工控制技术，对箱涵在顶进施工过程中的结构应力、滑行道沉降、箱涵的空间姿态进行动态监测，实时反馈监测结果，为后面的施工过程提供可靠的依据。

2 工程概况

本工程为湖南株洲欧洲工业园新东路下穿京港澳高速相交工程，线路中线相交于京港澳高速K1540 处。采用正交箱涵，两孔单箱单室箱框长45 m，宽2×15 m，箱涵内净宽13 m，净高5.2 m。轴线与高速公路斜交夹角89°。箱涵采用中继间法(无缝带土顶进)，顶进箱涵分三节预制，每节长度分别为:13、15、17 m，节与节之间设一道3 cm 的沉落缝，箱涵顶板至高速公路路面为2.1 ～1.8 m。箱涵位于粉质粘土中，箱涵底处土层为粉质粘土，但根据地质报告，该处含水量极为丰富，地基承载力180 ～200 kPa，可作为基础持力层。本箱涵顶进穿过京港澳高速公路，施工的工作坑及施工预制场地均布置在高速公路的东侧位置，箱涵在工作坑内顺向预制。

3 箱涵顶推的检算

3.1 已知计算条件

本箱涵15 m 宽，每延米箱涵体积:44.5 m3;

C40 砼容重:γ=2.6 t/m3;

每延米箱涵质量:44.5 m3/m×2.6 t/m3=115.7 t/m;

每节箱涵质量:115.7 t/m×15 m+300 t(“钢盾构”重量)=2 035.5 t。

3.2 箱涵最大顶力计算

箱涵最大顶力计算公式:

式中:P 为最大顶力，t;K 为安全系数，取值1.2;N1为箱涵顶面上荷重(由A1+A2+A3三部分组成)。

A1汽车荷载:由高速公路横断面设计图中知箱涵顶进时最多时有3 条车道，其中两条行车道，一条应急车道(按两条重型车道计算)。高速公路设计荷载为汽－超20，挂－120。考虑到高速公路上所行驶车辆的实际重量，取用超载系数1.1;

土层厚仅2.1 ～1.8 m，取冲击系数1.2。

所以最不利汽车荷载为:

A1=2×55 t×1.1×1.2=145 t;

A2土体重:(15 m×15 m×2 m)×2.1 t/m3=945 t;

A3钢盾构顶板上土体重:10 m×15 m×2 m×2.1 t/m3=630 t;

则:N1=A1+A2+A3=1 720 t。

f1为桥涵顶上表面与顶上荷重的摩擦系数，取f1=0.3;

N2为箱涵身重，经以上计算N2=2 035.5 t;

f2为箱涵底板与基底土的摩擦系数;根据经验以及本工程采取的一系列减阻措施，f2取值0.7;

E 为两侧土压力，按计算公式:E=1/2(e1+e2)×HL;

箱涵顶土压:e1=ξrH1=0.3×1.8 t/m3×2 m=1.08 t/m2;

箱涵底土压:e2=ξrH2=0.3×1.8 t/m3×10.1 m=5.454 t/m2;

其中ξ 为静土压力系数，ξ=0.3;r 为填料容重，京港澳高速公路在该段为填土路堤，取r=1.8 t/m3;H1为路面至箱涵顶高度，H1=2 m;H2为路面至箱涵底板底高度，H2=10.1 m;

所以:E=1/2(1.08 t/m2+5.454 t/m2)×8.1 m×15 m=396.9 t;

f3为箱涵侧向摩擦系数:根据经验以及本工程采取的一系列减阻措施，f3取0.7。

R 为钢刃角的正面阻力;

A 为钢刃角正面积;

由于本工程采取的特殊方案，RA=0;

故:

3.3 所需油顶台数

顶进采用320 t 油顶，单台320 t 油顶实际顶力:P1=320 t×70%=224 t(单台油顶按额定顶力的70%计算)。

N=4 440.61 t/224 t=19.8 台，故所以需320 t油顶20 台，为了施工现场可能出现应急需要，备用油顶2 台，共22 台。

4 施工过程的关键技术

4.1 路基加固及安全防护处理

箱涵施工安全的进行主要还是要考虑到其他的因素，整个项目安全完工关系到整个施工过程中的每个环节，然而路基的加固和安全防护措施是第一要务，要做好排水系统，在此项目的东西面沿高速公路方向各做一条排水沟，将路面雨水引至路基坡脚排出，并对边坡进行覆盖引水，减少雨水在顶进过程中带入对路基的浸泡;顶进施工过程中，根据施工进度的需要，为确保施工安全及路面行车安全，对高速公路的车辆进行限速引导，限速60 km/h，在施工段内严禁超车和变道，以预防任何意外事故的发生。

4.2 箱涵的预制

整个箱涵顶进的过程都需要依靠整个箱涵的涵身，所以箱涵的预制就尤为重要，并且其施工完成后要保证其在整个施工过程中的完好性，防止在施工过程中出现开裂、脱节的情况，所以箱涵的制作也是关键的因素之一，首先先间隔绑扎箱涵墙身部位的水平钢筋，随混凝土灌筑时再逐一绑上，便于混凝土的震捣;箱身底板钢筋焊接时应在施焊地点铺设一块石棉板，随着焊接位置而移动，以免烧坏隔离层。内外模板均采用1.5 m×1.2 m 的大块钢模，边墙倒角采用特制的整块角模，以保证混凝土浇灌质量和外观;箱涵外模板支架采用钢管支柱式支撑，内模板支架采用承插型扣式钢管支架，顶板及实体段横向间距60 cm，底板及立墙处的横向间距为90 cm，箱涵的纵向间距均为60 cm，步距120 cm，剪刀撑用φ 48×3.5 mm 的钢管搭设，整个支架的横向、纵向和水平方向都用剪刀撑加固。每一块模板设4 根Ф 14 的对拉螺杆将内外侧支撑锁紧，确保模板支立直顺平整，不得出现鼓肚、错茬现象。当箱涵制作完成之后应该对其进行校验，如果没有达到规定的要求，应该要求重新进行预制，一定要达到施工的要求，并且做好施工记录，以防后面箱涵的预制出现类似的问题，杜绝犯第二次错误。

4.3 箱涵顶进施工流程

在进行顶进涵施工过程中，需先在顶进的一侧挖工作坑，然后在坑内做一滑板，滑板上预制钢筋混凝土箱涵，再在离箱涵尾部不远处打入板桩修筑后背，在后背与箱涵底板之间安装千斤顶，千斤顶借后背的反力将桥涵顶入路基，后背是重要的施工组成部分，承受着顶进时的全部水平顶力，虽然是临时结构，但直接影响工程的质量和进度。

箱涵顶进施工是工程中的重点、难点工程，采用盾构法顶进施工，它属于切削泥土，人力定位出土，带公路坡比顶进。掘进时，各掘进机构相继推进20 cm 后，将箱涵底板前滞后的坡比土转出相同距离，并推进箱涵为一工作循环，转运土方与顶进工作循环交替进行。上部土方由掘进机构前刃切割下落。开顶前，应进行试顶，做好路基的检查、顶进设备的检查。基底处理完毕后即刻顶进，基底暴露时间不宜过长。顶进过程中应根据上一循环制定出的纠偏措施，积极实施纠偏。顶进施工工艺流程如图1 所示。

图1 顶进施工工艺流程图

由于盾构壳体与框构套连成一个整体并一起作用运动，主体利用22 台320 t 油压顶布置于顶进箱涵的末端按合力的轴线方向布置，设置纠偏千斤顶来推动整个箱涵的前进。中继间共设一套液压系统，利用后节箱涵作后背来推动前节箱体的前进，并随时调节中继间的油顶数量，中继间的油顶分别由一套液压操纵台来控制。计算好顶进过程中的合力的作用线，设置纠偏千斤顶，按照力的分解线来调整油顶的位置。

4.4 箱涵顶进控制措施

当所有的准备工作做好之后，接下来要做的就是箱涵的顶进，然而在箱涵顶进的过程中要先确定好应该要采取哪些措施去控制其达到合理的要求，并且要预估施工过程中可能出现的问题，并做好应对措施。箱涵顶进施工过程中，基底处理完毕后即刻顶进，基底暴露时间不宜过长。箱涵顶进过程中应观测油泵的工作压力数值，如有异样，则应停止顶进，查找问题，以防止顶进设备损伤及其他事故发生，解决问题后，再行顶进。顶进过程中应根据上一循环制定出的纠偏措施，积极实施纠偏。左右纠偏为利用油顶非均匀布置来完成，在顶进过程中，尽量使整个箱涵受力均匀，左右顶程保持一致，勤观测和检查，找出偏差趋势和出现偏差原因，及早处理。

油顶的位置必须放置准确，在顶进过程中，油顶按箱涵受力的轴线均匀布置于箱涵底板尾部，使整个箱涵受力均匀，左右顶程保持一致，挖土应两侧对称，勤观测和检查，找出偏差趋势和出现偏差原因，及早处理，其处理方法为(以沿顶进方向为准):当左侧偏移时，千斤顶的左侧缓慢顶进，而右侧的千斤顶锁定油压，直到符合测量的中线为止，右侧则相反;同时在顶进过程中控制好底部基础的挖土，可以适当采取超挖的办法来进行调整，当出现错误时，采取欠挖基础土方或通过对基础进行一定的处理，并采用调节前盾构座底板的挖土来消除出现的偏差。

在施工过程中监测是必不可少的环节，并且是重中之重的环节，它提供的数据可以人为的最好的防止出现不必要的隐患，施工过程本就是一个复杂多变的过程，所以要做到实时监控，实时检查，校对纠偏。在顶进过程中应该进行控制及建立人工记录与观测:在后背以后的某一位置设立观测仪器，每顶完一个行程，且不得超过2 m，对框架进行中线和水平的检查，并作好记录;在盾构的前后设置一水平中线点，框箱每进一个行程对其进行水平、中线的监测，并对测量成果予以分析，及时发现及解决问题，做好“钢盾构”行走轴线图记录;在公路上左右两幅框架桥对应的位置共设置12 个观测桩点，每天3 次观测公路的沉降变化情况;在顶进中注意观察油压的变化情况，并作好记录，对出现异常情况予以分析解决;在中继间建立观测点，注意箱体前后节标高及位移的变化，以便对施工顶进方案进行调整。

5 结语

随着现在高速公路的建设越来越迅速，高速公路的建设也越来越重要，然而现在公路的施工环境也变得越来越复杂多变，很多因素都会影响整个施工过程，从而影响整个施工的进度、安全和成本，对甲方或者乙方都是不必要的损失，而箱涵顶推的施工有效地解决了这个难题，虽然随着时代的发展，许多施工方法也越来越多越来越先进，除了一些专门的施工方法外，但是高速公路中更多的采用的是箱涵顶推施工，本文主要是根据一个完整的施工项目，通过理论计算和施工过程中的箱涵的安装，介绍了在施工过程中的理论和重要的技术的应用，为同类工程提供一个比较好的理论基础和实际工程经验，使之在今后的施工过程中提供重要的技术支持。

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