箱体顶进施工关键技术分析

胡益民

（天津市政工程设计研究总院有限公司 深圳分公司，广东 深圳 518000）

随着城市化进程的加快，基础设施建设不断加强，下穿既有公路项目为保证施工期间既有交通能够正常运营，多会对既有路基进行加固，然后采用箱体顶进施工技术。下穿既有线路箱体顶进施工技术优点突出[1～2]：一是顶进施工时间短，对既有线路正常运营影响小；二是箱体可在场外提前预制，占用场地小；三是施工工序简单高效，顶进就位后即可后续施工；四是可全程监控顶进路线，就位精度高。本文以实际工程为例，介绍箱体顶进施工技术。

1 工程概况

广东江门大道下穿中江高速公路节点位于现状西环ZK28+219.2处，交角90°，现状高速公路跨线桥梁为整体式断面布置，左右幅宽均为12 m。上部结构采用5×18.6 m预应力混凝土空心板，下部结构采用肋板式桥台，0#和5#桥台均设置了2级锥坡，锥坡采用浆砌片石防护。

江门大道左幅道以顶进箱体的形式下穿中江高速公路。为降低顶进箱体对桥台及高速公路交通的影响，保证较高的安全度，顶进箱体作业面设置在桥台后10 m处，最大覆土厚度6.75 m。顶进箱体为单孔结构，宽17.9 m、净高8.43 m、总长48 m。见图1。

图1 顶进箱体结构

箱体顶进施工采用传统的管幕支护和中继间顶进法，高速公路两侧设置工作坑，箱体由高速公路北幅向南幅顶进。北幅工作坑长55.2 m、宽21.9 m，作为预制箱体和顶推箱体作业的出发井；南幅工作坑长15 m、宽21.9 m，作为顶进箱体的接收井和管幕顶管施工的工作井，管幕顶管由南幅向北幅顶进。见图2。

图2 箱体顶进施工

顶进施工工点区为低缓丘陵区，地形起伏较大，地表植被发育。顶进坑和接收坑位于左辅道的山体斜坡上，区域内覆盖层为第四系土层，主要为填土层、粉质黏土层等组成；穿越层岩性主要为寒武系变质砂岩，变质砂岩呈褐黄色，原岩结构构造已完全破坏，岩石风化完全。顶进地道在山体中，由于现场地势较高，场内地表水不发育。

2 箱体结构设计

采用MIDAS/Civil 2012软件进行箱体结构计算，选取纵向单位长度闭口断面建立梁单元模型，共56个节点、56个单元。考虑荷载[3]主要包括：结构自重、底板铺装、升降温、底板汽车荷载、顶板覆土压力荷载、侧墙土压力、浮力及土体反拱荷载。边界条件：支点节点全部固结，底板与支点节点弹性连接。读取结构最大正负弯矩，见图3。

图3 箱体结构基本组合弯距最大值

由图3可知：

1）箱体顶板支点处承受负弯矩，上缘受拉，最大弯矩为-3 000.8 kN·m；跨中处承受正弯矩，下缘受拉，最大弯矩为2 455.5 kN·m；

2）左侧墙承受正弯矩，外侧受拉，最大弯矩出现在支点处，为3 967.9 kN·m；右侧墙承受负弯矩，外侧受拉，最大弯矩出现在支点处，为4 053.6 kN·m；

3）底板支点处承受正弯矩，上缘受拉，最大弯矩为2 588.0 kN·m，跨中处承受负弯矩，上缘受拉，最大弯矩为-2 212.6 kN·m。

根据上述计算结果完成箱体结构配筋：顶板顶面φ32 cm@10 cm，底面双排φ32 cm@10 cm，箍筋φ20 cm@50 cm，支点处箍筋间距缩小至30 cm，支点布置φ25 cm@50 cm抗剪弯起筋局部加强；底板顶面双排φ32 cm@10 cm，底面φ32 cm@10 cm，箍筋φ20 cm@50 cm，支点处箍筋间距缩小至30 cm，支点布置φ25 cm@50 cm抗剪弯起筋局部加强；侧墙内侧φ32 cm@10 cm，外侧双排φ32 cm@10 cm，箍筋φ20 cm@50 cm。按照规范[4]完成基本组合承载能力验算和短期组合抗裂验算，见表1。

表1 箱体结构验算

3 箱体顶进施工

箱体预制在高速公路北侧滑板上进行，为便于顶进，48 m箱体分4节预制，每节长12 m，每节之间在前一节尾端设500 cm×120 cm镐窝后浇带，后一节做为前一节顶进的后背，用节间设置的中继间千斤顶进行顶进，中继间内的千斤顶到达最大顶程后，前节箱体暂停前进，进行后节箱体的顶进。此时，前节中继间的千斤顶随着后节箱体的前进而压缩，箱体最后一节还要依靠后背墙的反力进行顶进，不过后背墙的最大反力仅为最后一节箱体的顶力。

3.1 顶进施工的顶力计算

箱体顶进力设计时主要考虑顶进过程中遇到的以下阻力：

1）箱体顶部以上的垂直土压力引起的涵体与土的摩擦力；

2）涵体自重产生的涵体与土的摩擦力；

3）由水平力引起的涵体与土的摩擦力；

4）顶进过程中涵体前切土阻力。

经计算，设计顶力为25 100 kN，采用4 000 kN顶力的油压千斤顶，效率按70%计算，最终确定共设置12台千斤顶，两个镐窝各放置6台，3个中继间合计48台千斤顶并配置好相应的顶铁、顶柱的截面和排数，再按油压千斤顶个数配置油泵。

3.2 后背墙的设计

箱体顶推后背墙采用2排φ130 mm钻孔灌注桩进行支撑，灌注桩桩长17 m、间距1.3 m，共设置44根。后背墙后土体维持现状不开挖，以提供对后背墙的支撑。后背墙与顶进千斤顶间设置钢筋混凝土后背梁，后备梁尺寸为2.0 m×1.0 m。

4 管幕支护设计

4.1 管幕工法加固

管幕工法也叫排管顶进法，是在箱体顶进位置的外周先用顶管法设置钢管，形成封闭的钢管幕，再在这个钢管幕的围护下顶进箱体。施工管幕目的在于减少高速公路路面沉降和增加箱体施工时开挖面的稳定性。管幕的钢管在箱体顶进到位后，不可拔除，以防扰动路基。

本项目管幕采用Q235螺旋焊接钢管，直径为970 mm，壁厚16 mm，沿箱体外轮廓线布设，共设置54根，管幕两侧设热轧轻型10#和14#槽钢双角钢锁口。管幕可以采用泥水平衡顶管掘进机单侧顶进，受锁口的约束，管幕顶进可以控制在5 cm之内。为了保证管幕不侵入箱体限界，上排钢管、侧面钢管和箱体之间的间隙分别设置为41、34 cm。

地道进出口设置管幕的支撑门架，采用双排φ100 mm钻孔灌注桩支护，桩顶设置160 cm×100 cm门架梁，管幕两端均嵌固于门架梁中。见图4。

图4 管幕工法

4.2 顶进状态管幕挠度计算

为了简化计算，管幕挠度计算做出如下假定：

1）因锁口钢管之间的抗弯刚度远小于钢管本身的纵向抗弯刚度，所以假设钢管幕为搁置在弹性地基上的管幕梁，忽略横向刚度的影响；

2）假定上覆土沉降与管幕钢管变形一致，管幕上覆土重量全部由管幕钢管承载。

管幕顶进时的受力分析见图5和图6。

图5 管幕挠度计算简图一

图6 管幕挠度计算简图二

由弹性地基梁可知，CD中点的挠度最大，参照弹性地基梁公式和结构力学公式列出相应的位移计算公式

式中：δmax为CD梁的位移；q为上覆荷载总重，为130.8 kN/m（其中覆土厚度为5.5 m，土重22 kN/m3）；b为管幕计算宽度，取1.15 m；EI为钢管幕的抗弯刚度，管幕弹性模量E=2.1x108kPa，管幕惯性矩；M为弯矩，kN·m；l0为主动区长度，l0=htan(45o-)，h为上下管幕之间的净距，φ为土层摩擦角，取27°；k为地基基床系数，取14 715；λ为基床系数，；系数A0=C0=D0=1[5]；Q为剪力，kN。

CD梁的受力平衡有由C点与C′点或者D点与D′点转角相等条件得到

联立式（1）～（3），得Q=415.7（kN），M=346.3（kN·m），δmax=12.4（mm）。

式中：W为截面抵抗矩。

架空管幕强度可靠。

5 施工监测

本工程地质条件复杂、管幕的顶进不可逆且穿越重要高速公路，有必要对箱体顶进过程实时监测，以便随时掌握重要信息，发现问题，及时处理。

监测高速公路路面的沉降，先在路面顶涵范围及周边50 m范围内布设监测点并对每一测点初始高程和水平位置详细记录，顶进过程中对测点的高程、水平位移和路面裂缝情况进行测量，随时掌握高速公路变形情况并视变形程度采取相应的处理措施。见图7。

图7 中江高速公路跨线桥及路面右幅测点沉降曲线

参考软土地区路基相关规定[6]，高速公路桥台与路堤相邻处容许工后沉降标准≯10 cm，本节点影响范围内路基沉降最大值为4.6 cm，满足要求。

6 结语

在顶进过程中，箱体顶进影响范围内中江高速公路没有出现路基较大变形、坍塌和行车中断等情况。本项目施工顺利进行并通过竣工验收表明：

1）箱体实体有限元模型选取合理，以其计算结果进行结构配筋合理可行；

2）箱体顶进力计算方法合理可行；

3）管幕支护设计和挠度计算合理可行；

4）监测沉降值在规范允许范围内，施工中采用的方法可行。