管幕頂進技術在京滬高速公路穿越工程中的應用

屈永強

（天津市水利勘測設計院，天津 300204）

南水北調中線一期工程天津干線 （以下簡稱天津干線）在樁號XW135+859處穿越京滬高速公路，該處高速公路樁號AK56+709。為保證穿越施工時高速公路運行安全，本穿越工程采用鋼管帷幕保護下的箱涵頂進施工方案。

1 概況

1.1 地形地質條件

天津干線穿越京滬高速公路工程地處河北沖積-海積平原，地形平坦、開闊，地面高程在4.8 m左右，穿越處路基高程9.44 m。

工程區域地層為第四系松散堆積物，下部為全新統下段（Q41）沖積堆積層，以淺黃、桔黃色壤土為主；中部為全新統中段（Q42）淺海、湖沼堆積層，淺海堆積層由灰色、淺灰色壤土組成，含有機質和貝殼碎屑，湖沼堆積層由灰黑色、灰綠色、灰黃色黏土組成，局部為淤泥質黏土、壤土；上部為全新統上段（Q43）沖積堆積層，為黃褐色、灰黃色壤土。地下水為第三系孔隙潛水，主要賦存于第四系全新統黏性土層，地下水埋深0.4～1.6m。

1.2 工程概況

天津干線穿越京滬高速公路工程全長200 m，分進口段、路基段和出口段三部分。其中，路基段長62 m，為3孔4.4 m×4.4 m C35鋼筋混凝土箱涵結構，箱涵分3節，2節長21 m，1節長20 m，邊墻厚70 cm，中墻厚50 cm，頂板厚70 cm，底板厚80 cm，底板頂高程為-3.949 m。進、出口段采用敞開式明挖法，這里重點介紹路基段采用的管幕頂進施工。管幕設計按箱涵外包尺寸15.6 m×5.9 m呈“口”字形布置，涵頂及兩側設28根Φ970×16 mm鋼管，底部設39根Φ325×11.2 mm鋼管，相鄰鋼管由鎖口連接。

京滬高速公路系國家高速公路網G2號高速公路，是天津港外部配套工程港口南通道重要組成部分。穿越處路基高程9.44 m，橫斷面布置為0.75 m（波形護欄）+19.75 m（行車道）+3.0 m（中央分隔帶）+19.75 m（行車道）+0.75 m（波形護欄），全寬 44 m。公路邊坡1∶1.5，放坡長度7.3 m。

2 管幕支護施工

2.1 管幕法簡介

管幕法，亦稱排管頂進法，是一種新型地下構筑物施工技術。其原理是在始發基坑與接受基坑之間利用小型頂管機頂進鋼管到土體中，以單根鋼管頂進為基礎，各鋼管間依靠鎖口相連，并在鎖口空隙注入止水劑形成密封的止水帷幕作為超前支護。然后，在管幕支護下，進行地下構筑物施工。管幕法施工，可以顯著減少地面沉降，增強開挖掌子面穩定性。在高地下水情況下，管幕隔離作用可以有效減少地下水對施工的影響。

2.2 管幕法施工工藝流程

天津干線穿越京滬高速公路工程管幕法施工工藝流程如下：①在公路兩側施工鋼管頂進基坑和接受基坑，并在頂進基坑設置導坑、導軌和后靠背，在接受基坑設置接受導軌；②利用小型頂管機按設計軸線依次頂入鋼管，在鋼管鎖口注漿形成封閉管幕；③箱涵頂進工作坑基坑降水，施工基坑支護結構，開挖基坑，做好后背土體加固，澆筑后背梁混凝土，安裝頂進設備和觀測設備，做好滑板基礎處理，筑造滑板，敷設潤滑隔離層；④依次澆筑鋼筋混凝土箱涵；⑤箱涵試頂；⑥箱涵正式頂進，直至施工結束。

2.3 管幕施工

2.3.1 鋼管頂進

根據本工程地質以及水文地質條件和設計要求，為保證管幕施工精度、滿足地面沉降控制和最大頂推力要求，天津干線穿越京滬高速公路工程選用具有國際領先水平的日本RASA公司生產的DH-800型泥水平衡盾構機頂進Φ970鋼管、DT-325型泥水平衡盾構機頂進Φ325鋼管。考慮土體壓力、機頭摩阻以及鋼管側摩阻等，經計算管幕頂進最大推力為1 570 kN。

該盾構機由設備主體、后方頂進裝置、泥水平衡和輸送系統、操作系統四部分組成。設備主體從前端開始，依次布置條幅式刀盤及其驅動裝置、方向控制千斤頂、液壓動力站、電氣控制臺、方向指針和儀表板以及電視攝像機，下部設送排泥管。后方頂進裝置采用三段等推力構造，最大總推力2 000 kN，系統可通過液壓回路在0～2 000 kN間實現推力的無級調節。盾構機頂進最大速度為100 mm/min。通過頂進面壓力和排泥流量調節頂進速度，一般控制在50～100 mm/min，以控制地面沉降。頂進過程中泥土的排出，由以送排泥泵為動力的泥水輸送系統進行。操作系統實現了遙控操作，由控制電纜和同軸電纜分別將機內電氣和圖像信號傳送至工作坑內操作臺儀表盤或屏幕上，操作員根據情況操作設備主體、后方頂進裝置和泥水輸送系統。

鋼管頂進精度是本工程成敗的關鍵，否則易引起鋼管鎖口變形或脫焊，嚴重者導致管幕無法閉合，甚至后續箱涵頂進無法實施。因此，鋼管頂進采取了嚴格的精度控制措施：

（1）設置基準頂管：單根頂管不受鎖口約束，頂進時先行頂進多根基準管，控制基準管頂進精度在±3 cm，在此基礎上可有效提高管棚整體頂進精度。

（2）建立方向誘導糾偏系統：盾構機配備激光誘導裝置，使得頂進嚴格控制在正確方向上，實現高精度頂進作業，最大軸向偏差要求控制在±25 mm。

（3）嚴格控制頂進速度：開始頂進和結束頂進之前速度不宜過快，頂進過程中頂進速度應逐步提高，并盡量保持均衡，減少波動。同時，頂進速度要適應注漿要求。一般正常頂進條件下，控制頂進速度在50 mm/min左右，遇障礙物或地基加固土體則將頂進速度控制在10 mm/min以內。

（4）旋向糾偏：由于本工程選用盾構機機頭較小、重量較輕，頂進過程中易發生偏轉位移，導致鎖口扭曲受損。施工中，要在洞口設置約束鋼管軸向旋轉的加固裝置，在洞外管與導軌間設置限制鋼管旋轉控制裝置。頂進過程中，根據情況不斷改變刀盤旋轉方向控制鋼管旋向偏轉，同時配備偏轉傳感器并在盾構機一側疊加配重。上述措施可有效控制旋向偏差。

頂進施工過程中，為減小頂進阻力，需要向管外環狀間隙壓入適量減阻泥漿。減阻泥漿在管外壁與土體之間形成泥漿套，避免了干澀摩擦，減小了管壁與土體間的摩阻力，頂進力可大大減小。另外，施工中控制減阻泥漿壓力大于土應力，可起到對周圍土體的支撐作用。

鋼管內間隔10～12 m布置1組注漿孔，每組2孔，間隔布置在兩側鎖口一上一下。采用螺桿泵通過注漿孔和盾構機鉸接處壓漿，壓漿與頂進同步進行，保證管外環狀間隙基本處于穩壓狀態。注漿壓力基本保持在管頂覆土壓力的2.5倍以內，頂部注漿壓力為0.2～0.4 MPa，底部注漿壓力為0.3～0.6 MPa。減阻泥漿質量要穩定，要求不失水、不沉淀、不固結，具有良好的流動性和一定稠度，保證足夠的運動黏滯度，以達到潤滑-支撐雙重作用。

2.3.2 管幕注漿

由于京滬高速公路穿越工程地下水位較高，為了保證止水效果、提高管幕整體性，鋼管頂進完成后應置換減阻泥漿，并對鋼管鎖口進行注漿。

（1）減阻泥漿置換：當左右相鄰2根鋼管頂入后，進行減阻泥漿置換。置換材料采用純水泥漿，要求其凝固體強度介于5 000～1 000 kPa之間，既保證足夠連接強度，又不會在箱涵頂進時產生太大阻力。置換注漿采用后退式注漿，即自管幕中間開始注漿，按一定間距設置出漿孔，出漿口排出泥漿中見水泥漿后關閉出漿口，加壓后停止注漿。再以此出漿口為進漿口，設下一出漿口，依次類推，直至全部間隙充滿水泥漿。注漿置換率不低于90%，注漿壓力控制在減阻泥漿注漿壓力1.5～2倍之間，即0.2～0.6 MPa，瞬間壓力不超過1 MPa。

（2）鋼管鎖口注漿：減阻泥漿置換完成后，需對鋼管鎖口進行注漿。注漿口預留在鎖口母口一側，注漿材料選用聚氨酯，注漿應保證密封良好的止水效果。

2.3.3 鋼管充填

為增強管幕整體剛度、防止鋼管銹蝕后造成地面沉降，管幕頂進施工結束后需對鋼管內充填無收縮、免振搗混凝土。充填材料選用具有良好流動性和自密實性能的細石混凝土，采用自封閉端后退式泵送灌注，以鋼管體積和灌注量判斷填充密實程度。

2.4 箱涵頂進施工

天津干線京滬高速公路穿越工程路基段采用3節箱涵分別進鎬頂進方案。基坑開挖完成后，施工雙排1.2 m直徑鋼筋混凝土灌注樁后背墻，樁距1.4 m。后背墻與千斤頂間設置1.2 m×1.0 m鋼筋混凝土后背梁。同時，預制3節鋼筋混凝土箱涵，節間設置中繼間。

考慮土體壓力、箱涵四周摩阻等因素，第1節箱涵最大頂力為2 800 t，第2、3節最大頂力為3 000 t。中繼間和后背處均采用10個500 t千斤頂，油泵采用ZK500型超高雙級軸向柱塞泵。箱涵頂進采用吃土頂進，即在箱涵首部設置鋼刃角，鋼刃角要始終插入土體，然后挖土、頂進，循環往復。頂進和開挖過程中，要保證掌子面穩定，且嚴禁超挖，始終保證鋼刃角對前方土體的支撐作用，以免背側土體流失引起沉降。必要時，對開挖面進行超前注漿加固。

箱涵頂進過程中，采用了以下糾偏措施以控制箱涵姿態：①箱涵外表面和鋼刃角涂抹潤滑劑，減少頂進阻力。②頂進基坑、進洞口箱涵兩側設置導正墩，進洞口箱涵頂板與側壁設置滾軸支點臺車，保證進洞前軸線不發生偏移。③保證所有千斤頂同步頂進，盡量不發生偏移。頂進過程中，隨時采用定位儀器監測箱涵偏移情況。發現偏移，則調節相應千斤頂進行糾偏，糾偏有效后方可正常頂進。④頂進基坑內滑板應平整，滑板表面光滑，并噴涂潤滑劑，滑板高程誤差控制在±3 mm，頂面預留2%抬頭坡度以控制箱涵下沉。滑板底4 m以內土體進行注漿加固，避免滑板沉降。

頂進結束后，通過箱涵外壁預留注漿孔，對箱涵與外側土體間隙注入水灰比1∶1的水泥漿，注漿完成后封堵注漿孔。

3 結語

天津干線京滬高速公路穿越工程采用鋼管帷幕支護下的箱涵頂進施工工藝，對周圍土體干擾小，能有效控制地面沉降，施工安全可靠，保證了施工期高速公路運行安全和輸水箱涵順利實施，為大型引調水工程穿越高等級公路、重要鐵路等設施提供了一套切實可行的新型施工技術。