大断面过水箱涵下穿高速公路立体交叉设计比选研究

蔡东明 吴金刚

(北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082)

随着城市经济的快速发展，原有水系已不能满足多功能需求，通过片区扩容，让沟渠、水系连通，将区域内沟渠连通起来发挥联合效应，增加区域内沟渠排涝容积，实现区域防洪排涝达标。水系连通、沟渠扩容使沟渠设计标准提高，过水断面加大。近年来，水利工程与区域内的公路、铁路交叉的情况越来越多。箱涵施工，是解决交叉高速公路工程施工时，由于措施不当等原因引起路面坍塌造成的交通中断工程事故的主要措施。有必要对箱涵下穿方案进行比选研究，选择风险可控、质量可靠、工期可行、经济合理的施工方案，保证高速公路安全运营。

1 工程概况

马驹桥镇五支沟起点马桥干渠，经北京通州物流产业园区东侧及南侧，向南穿过六环路，汇入凤港减河，是物流园区防汛排水的主要通道。五支沟在物流园区东南侧为1孔暗涵(下称园区暗涵)，暗涵尺寸为3m×2m(宽×高)，园区暗涵出口与五支明渠相接处底高程约为19.5m；五支沟在穿六环路处为2孔暗涵，暗涵尺寸为3m×1.5m(宽×高)，暗涵底高程21.00m。由于上游高程低于下游高程，六环路下现况暗涵无法继续使用，故根据物流园区排水规划，在六环路下新增3孔4.4m×2.4m方涵，涵底高程18.54m。

六环路总宽47m，根据规划，六环路远期拓宽后总宽度为62m。《公路安全保护条例》规定：公路建筑控制区的范围,从公路用地外缘起向外的距离标准为高速公路不少于30m。故公路建筑控制区范围为122m，此范围内不能存在永久地上建筑物。同时，六环路建设单位提出要求：为了尽量降低施工对六环路的影响及保证六环路安全和正常运行，下穿箱涵结构顶距离原始路面的竖向距离不得大于6m(见图1)。

2 工程及水文地质

工程位于永定河冲洪积扇平原区，地面高程约22～23m。场区主要为第四系全新统地层。按其形成年代、成因类型及物质组成特征，各土层的岩性结构(见表1)分为两部分。

2.1 人工填土(Qs)

一般为黄褐色，稍湿—湿，松散—中密，以回填粉土和粉质黏土为主，含砂、碎石和砖块，层厚0.8～1.8m。场区局部地表分布杂填土。

2.2 第四系全新统冲洪积地层

a.粉质黏土。褐黄色—黄灰色，稍湿—很湿，可塑—硬塑，在场区近地表此层大部分为稍湿状态，随着埋深增加含水量和密实度增大，湿度逐步呈稍湿至饱和状态，含云母、氧化铁和有机质，有机质含量约3.8%～6.8%。该层局部含粉砂夹层，一般层底高程约16～18m，层厚约3.2～5.5m左右。

b.黏土。灰色—黄灰色，湿—很湿，可塑—硬塑，局部为重粉质粘土，含云母和有机质，有机质含量3.6%～5.4%。一般层底高程约12～13m，层厚一般约3.7～4.3m左右。

c.细砂。灰黄色—黄灰色，饱和，密实，含石英、云母。一般层底高程约6～7m，层厚一般约5.8～6.1m左右。

d.粉质黏土。褐黄色—黄灰色，稍湿—湿，可塑，含云母、氧化铁。一般层底高程约3～4m，层厚一般约2.8～3.1m左右。

e.粗砂。灰黄色，饱和，中密—密实，含石英、云母。

根据本次钻孔勘探结果，工程区含一层地下水，水位埋深约8～9m，水位高程约13～14m，年变幅约1～3m，拟建场区自1955年以来最高地下水位标高接近自然地面。

表1 土层主要物理力学指标建议值

注( )表示平均值。

3 国内同类工程实例调研

目前，大断面隧道、箱涵下穿高速公路、铁路类工程，一般采用的施工方法有顶推法和暗挖法。顶推法根据顶进距离的长短，可分为千斤顶顶推和顶管机顶推。根据工程经验，一般顶进长度在50m以下且断面较小时，采用千斤顶顶推造价低，工程上能实现；当顶进长度大于50m甚至达到100m，并且断面较大时，千斤顶顶推需要分段顶推，管节之间需要设置中继间，结构防水难以保证，实施起来比较困难。遇到长距离、大断面的工程，一般采用顶管机顶推，虽然顶管机造价较高、断面适用性不强，但在控制高速公路沉降、变形方面有很大的优势。本工程属于长距离、大断面顶推工程，同时，六环路对变形控制要求高，若采用顶推法最好采用顶管机顶推。

采用顶推法施工时，受顶管机的尺寸、工程经验、技术水平等限制，目前所了解到的世界最大矩形顶推工程为天津黑牛城地下人行通道与综合管廊连接通道，断面宽度10.42m，高度7.57m。暗挖法施工可以由一个断面整体暗挖下穿。国内同类工程调研实例见表2。

表2 国内大断面隧道下穿工程实例

4 五支沟暗涵下穿六环方案比选

4.1 顶推法

经过现场调研，结合目前施工技术水平，在满足同等过水断面的前提下，将暗涵分为两个独立断面，每个断面内净空均为宽×高=6.6m×2.4m，两结构中间间隔1m。在满足六环路建设单位要求的前提下，箱涵建成后，两侧跌水井的最小距离为122m。施工期间，考虑满足现况六环路保护距离即可，在六环路两侧分别设置始发井和接收井，箱涵顶推段距离为47m(布置见图2)。

考虑到地下水位较高，位于结构底以上，明挖段采用钻孔灌注桩+旋喷止水的围护方案，始发井和接收井采用地下连续墙进行围护，做好施工期间的止水、降水工作。

4.2 暗挖法

暗挖法采用浅埋暗挖技术，隧道断面外尺寸为宽×高=15.54m×4.02m，下穿六环处采用超长锁扣管幕进行超前加固，采用初期支护+二次衬砌复合式衬砌型式。由于断面较大，采用分块开挖、封闭成环、循序渐进的开挖方式，同时做好六环路沉降监测，动态调整加固参数、开挖进度。在满足六环路建设单位要求的前提下，箱涵建成后，两侧跌水井的最小距离为122m。施工期间，考虑满足现况六环路保护距离即可，暗挖段长度47m，两侧明挖段各41.1m，建成后暗埋段122m(布置见图3)。

考虑到地下水位较高，位于结构底以上，明挖段采用钻孔灌注桩+旋喷止水的围护方案，做好施工期间的止水、降水工作。

4.3 设计方案比选

4.3.1 横断面型式及尺寸

顶推法：闭合框架混凝土结构，断面尺寸宽×高=7.8m×3.6m，双洞，混凝土量为24.48m3/m。

暗挖法：初期支护+二次衬砌组合而成的复合式衬砌，断面尺寸宽×高=15.54m×4.02m，三孔，混凝土量30.79m3/m。

暗挖法采用了复合式衬砌，断面尺寸较大，断面混凝土量为顶推法的1.26倍。

4.3.2 工程规模

顶推法：顶推段长度47m，始发井长11m，接收井11m，两侧明挖段各30.1m，建成后暗埋段122m。

暗挖法：暗挖段长度47m，两侧明挖段各41.1m，建成后暗埋段122m。

两种工法建成后暗埋段总长一致，由于工法不同，施工过程中暗挖段和明挖段长度略有不同。

4.3.3 路面沉降控制

顶推法：根据土压平衡原理，主动土压力处于动态平衡，能有效地把持挖掘面稳定，引起的地面沉降比较小，地面沉降可控，通过地面沉降观测，动态调整注浆及掘进参数。

暗挖法：超前加固施工存在不确定因素，超浅埋隧道暗挖易在开挖过程中造成塌陷，开挖、支护及封闭成环施工转换过程存在一定风险，地面沉降控制难度大。

4.3.4 施工难度及风险

顶推法：作业周边土体处于顶管机和管壁支护下，只要采用合理的前方土压力参数、出土顶进速度，加强土体改良措施和管壁注浆，作业安全，安全风险可控。

暗挖法：洞内开挖作业，施工环境恶劣，机械化程度低，人工劳动强度大，施工速度慢，施工难度相对较大，存在不确定性。

4.3.5 施工质量

顶推法：管节结构工厂化预制，标准化生产，混凝土表观可达到清水混凝效果，顶进施工机械自动化程度高，掘进精度大，施工误差可控。

暗挖法：人工洞内施工，施工环境差，结构分段浇筑，二衬施工模板支护难度大，施工质量控制难度相对较大。

4.3.6 工期

顶推法：管节提前预制，减少前期准备时间。顶进阶段，每天施工速度3～4.5m，工期短，总工期约为8个月(含前期准备)。

图2 顶推法平面及竖向布置(单位：m)

图3 暗挖法平面及竖向布置(单位：m)

暗挖法：施工缓慢，每天施工速度1～1.5m，采用跳仓法施工，工期长，总工期14个月。

工程工期为理想状况，还需考虑节假日及特殊会议等其他非技术性原因停工对工程的影响。停工期间，顶推法中矩形顶管机前方和掌子面贴合，能够有效地维持掌子面稳定，有利于路面沉降的控制。暗挖法中前方掌子面悬空且不存在有效支撑力，不能有效保证掌子面稳定，不利于路面沉降控制。

4.3.7 造价

考虑顶管机的摊销因素，估算两种施工方法的造价。顶推法合计6311.20万元；暗挖法合计5911.39万元(见表3)。

表3 造 价 比 较

续表

5 结 语

对该工程两种设计方案从横断面、工程规模、路面沉降控制、施工难度及风险、施工质量、工期、造价7方面进行比较。结果显示，顶推法较暗挖法具有路面沉降控制好、施工风险小、施工质量好、工期短且相对有保证等特点，推荐采用顶推法施工。目前，该工程处于设计阶段，具体实施时要根据现场施工监测情况，对施工过程中的各项设计参数进行动态调整，以便更好控制地表沉降，保证六环路安全。