管幕-顶涵法穿越高速公路顶进施工关键技术

杜辉（天津市水利工程有限公司，天津300222）



管幕-顶涵法穿越高速公路顶进施工关键技术

杜辉
（天津市水利工程有限公司，天津300222）

［摘 要］管幕-顶涵法是一种在管幕保护下顶进大型预制箱涵的施工方法，涉及管幕顶进和涵体顶进技术，用以解决明挖施工中断给地面交通带来的不便。特别是在高等级路面下作业时，对路面变形、沉降、安全稳定性都有极高的要求。文中以南水北调中线工程天津干线管幕-顶涵法穿越津保高速工程为例，介绍了其施工关键技术及相关控制要点。

［关键词］南水北调；管幕-顶涵法；关键技术

1 工程概况

南水北调天津干线与津保高速公路交叉点的桩号为XW 130+803.5，斜交角度为122°。天津干线穿越津保高速公路涵段长150 m，其中顶进段长度为70 m，起讫桩号XW130+732—XW130+882，如图1所示。津保高速公路为双向4车道，涵址处路面+路肩全宽27.0 m，高程6.87 m，天然地面高程4.48～2.96 m。设计荷载公路Ⅰ级。

根据专家会审意见，将原高速公路暗挖方案改为顶进方案。其中输水暗涵为3孔钢筋混泥土框架结构，总宽15 600mm，总高5 900mm，长17 000mm+17 000mm+18 000mm+18 000mm= 70 000mm，共4节。箱涵四周先期顶进42根准970mm，壁厚14mm的钢管形成管幕保护，以对顶涵形成强有力的超前支护，管幕设计长70 000mm。如图1所示。

2 施工方案策划

根据设计阶段确定的施工工艺流程，在施工阶段对管幕-顶涵施工工艺的具体保证细节进行了反复的论证和细化，将基坑开挖稳定性、顶力控制、顶进段涵体实体质量、路基土体注浆加固、顶进阶段润滑浆保压、顶进出洞、润滑浆固结置换做为施工控制的重点。

图1 顶进段平面布置图

3 过程策划与控制

3.1 工作坑开挖

基于工程总安排，南北两侧工作坑土方同时开始施工，由南侧工作坑施工管幕，管幕完成后从北侧顶进箱涵。工作坑上层4 m左右开挖坡度为1∶1.5，开挖后进行护坡钢筋混凝土灌注桩桩垂直支护施工。其中顶涵工作坑（高速路北侧）顶力支撑端灌注桩兼作后背支撑，并于灌注桩后设置准600mm@400mm的水泥搅拌桩格构墙加固后背土体，顶管工作坑（高速路南侧）顶力支撑端灌注桩兼作后背支撑。

3.2顶进控制力参数计算

3.2.1 管幕钢管顶力计算

式中：P——计算的总顶力，kN；D1——管道外径，m，该工程为0.97 m；L——管道设计顶进长度，m,该工程为70 m；fs——管道外壁与土的平均摩阻力,kN/m2；PF——顶管机的迎面阻力，kN。

工程采用触变泥浆减阻技术并大部处于粘土层，少部分处于壤土层。根据《给水排水管道工程施工及验收规范》，钢管顶进摩阻力系数fs取5 kN/m2。

式中：Dg——顶管机外径，此工程为0.990 m；R——主动土压力，kN/m2。

式中：Ka——主动土压力数，计算公式为tan2（45°-准/2），内摩擦角准综合考虑取10°,忽略粘聚力影响，计算得Ka=0.70；H0——地面至掘进机中心距离，覆土平均值顶排管幕3.18 m，底排管幕10.2 m；r——土的湿重度，取19 kN/m3。

通过计算得：

1）顶排管幕

2）底排管幕

3.2.2 钢管970mm的承力计算

钢管规格：外径D1=0.97 m；壁厚t=14mm；内径d=0.956 m；材料为Q235钢材，取σs=235 MPa。

钢管能承受的最大顶力F1为：

式中：［σ］——许用应力，N/mm2；Sn——钢管净截面面积，mm2。

其中：

［σ］=σs/n=235/1.33=177 N/mm2；n——安全系数，取1.33；

计算得：

故，顶进作业安全。

3.2.3 涵体顶力计算

涵体顶入时所需的顶力必须克服涵体自身重力产生于滑板上的摩阻力、周围土的摩阻力及前刃角切土时的阻力。顶力可按下式进行计算：

式中：N1——顶管顶以上的荷载（包括动载），kN；f1——涵体顶面与其上面荷载的摩擦系数，此顶进涵顶部喷洒石蜡加润滑油，可取0.8；N2——全部管道自重，kN；f2——涵体底面与基底土的摩擦系数，一般采用0.8；E——顶管两侧土压力，kN；f3——侧面摩擦系数，涵体表面涂刷石蜡和润滑油，取0.26；R——55 kN/m2；A——钢刃角正面积，取A=0 m2；K——系数，一般取1.2。

采用上式计算，最大顶力为8 349.04 kN。

3.3 涵体预制

涵体在顶进阶段不仅要承受端部顶力，还要承受周围土体带来的挤压力以及洞内作业机械的震动力，所以，涵体质量的控制是保证顶进工程安全顺利实施的关键一环。

3.3.1 钢筋混凝土主体质量控制

对钢筋混凝土的主体质量控制，除按照规范要求进行精心的模板支护、钢筋绑扎、预埋件安装、混凝土原材控制、浇筑、振捣、养护外，涵体预制还根据处于低温季节施工的特殊情况，采用开合式阳光保温棚的措施，为涵体预制的各个环节的质量控制提供有利的保证。

3.3.2 注浆管路预埋

根据以往工程经验，外挂式注浆管路虽维修方便，但在洞内出土阶段经常被作业设备损坏，影响使用效果，本项目经过细化改良，将注浆管路预埋在涵体内部，为防止注浆管路出现堵塞，在管路末端设专门用于顶涵的专利注浆喷嘴（发明专利号ZL2013 1 0203474.1），另外加设一路备用管路（同时做为固结注浆管路）。

3.3.3钢刃角改进置安

根据以往经验，钢刃角过短，对前端掌子面土体支撑不足，土体支撑效果不好。工程钢刃角长1 m，用厚度为10～16mm的钢板制作。为使刃角牢固，每个螺栓用2个螺帽并加弹簧垫圈。侧刃角较桥涵端面外框尺寸略大，以减小顶进阻力，并为注浆喷嘴提供一定的注浆空间。

3.3.4 中继间制作

该顶进方案非特殊情况，不启用中继间。但考虑到顶进工程的特殊性，设置中继间做为顶进应急预案。中继间钢护套位于箱体外侧，前后两节涵体间设限位插销。钢插销采用2根50 kg/m钢轨制作，3边墙各设3个。钢插销一端预埋入先施工的箱体混凝土内，另一端伸出混凝土外，外露长度不小于顶程加20 cm。后施工一节箱体在相应位置预留孔洞，孔洞内预埋10mm厚钢套，钢插销与孔洞留有活动间隙，确保钢插销伸缩自如。

3.4 其他保证措施

1）对顶进涵体周边土体进行注浆加固，增强土体的自承力和稳定性。

2）在顶进进出洞口设置保压橡胶圈和保压环，一是为防止顶进阶段注入的润滑浆液沿洞口缝隙流失，保证润滑浆压力不损失，提升润滑效果；二是能有效防止涵周土体随润滑浆液流失，造成地表沉降。

3）在进出洞口侧同时施作水泥搅拌桩挡墙，既能确保洞口框架梁的施工效果，也能够保证进洞和出洞阶段掌子面的安全稳定。

4）在顶涵出洞口侧施作软土堆挡，高度为涵体高度的2/3，呈直角梯形，上顶宽度1.5 m，底宽7.5 m，防止顶涵出洞接近时土体坍塌威胁高速公路安全。

5）管幕（涵体）顶进就位后，及时采用水泥浆置换润滑浆，采取多次置换的方式，直至润滑浆液不再流出，水泥浆流出为止，以消除由于顶进阶段形成的管周（涵周）空隙所带来的路面沉降隐患。

4 结语

图2 管幕实际顶力曲线图

南水北调天津干线穿越津保高速路工程在参建各方的共同努力下最终成功完成顶进施工。顶进过程中各项指标和参数均在控制之中，没有启

动中继间，施工中采取了一定措施保证了津保高速公路的正常行车以及各种管线的安全。箱身结构在顶进过程中无破损无裂缝，涵体就位误差满足规范要求。至今，工程完工已3年，涵内通水无渗漏及任何问题。津保高速公路顶进施工经验表明，在管幕-顶涵保护工法的配合下，其工艺安全、高效、经济，适用于大型线路交叉下穿地面建筑物施工。

［中图分类号］TU74

［文献标识码］B

［文章编号］1002－0624（2016）06－0017－03

[收稿日期]2016-04-27