南水北調天津干線穿越津保高速公路施工技術

□文 /鞏平福

南水北調天津干線穿越津保高速公路施工技術

□文 /鞏平福

在當今長距離輸水調水工程施工中，輸水管線不可避免的要與現有的公路、鐵路等交叉穿行。南水北調中線一期工程天津干線穿越津保高速公路采用鋼管帷幕支護下的箱涵頂進施工工藝，大大提高了施工速度，同時降低材料損耗，減少人員投入，有效控制路面沉降，保證施工期高速公路運行安全。

南水北調；輸水；箱涵；頂進法；穿越；高速公路

1 工程概況

南水北調中線一期工程天津干線穿越津保高速公路段里程樁號為XW130+732～XW130+882，全長150 m，其中箱涵頂進暗挖段長70 m，標準明挖段長80 m。

津保高速公路為雙向4車道，涵址處路基全寬27.0 m。路基（路肩）高程7.49 m，天然地面高程4.2～4.8 m；設計荷載公路-Ⅰ級；橫斷面布置0.75 m（土路肩）+11.5 m（行車道）+2.5 m（中央分隔帶）+11.5 m（行車道）+0.75 m（土路肩）。

南水北調中線天津干線工程穿越保津高速公路K777+105 km處，與高速公路交角122°。該處以C35現澆鋼筋混凝土箱涵設計，箱涵結構尺寸為3孔4.4 m×4.4 m，全寬15.6 m，高5.9 m，涵頂距離路面高度5.8 m。

為確保頂進穿越過程中津保高速公路的正常運行，采用大管幕保護下的箱涵吃土頂進施工工藝，結合止水帷幕、大口井降水、路基注漿加固、高速路路基兩側增設止水止漿墻等措施，將施工對高速公路路面的沉降影響降至最低。

2 工程地質條件

工程區域地層為第四系松散堆積物，下部為全新統下段沖積堆積層，以淺黃、桔黃色壤土為主；中部為全新統中段淺海、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、灰黃色粘土組成，局部為淤泥質粘土、壤土；上部為全新統上段沖積堆積層，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粘性土層。

3 頂進法施工工藝

灌注樁支護區段基坑支護主要采用φ800 mm@1 000 mmC30鋼筋混凝土鉆孔灌注樁和φ600 mm@400 mm的雙排深層水泥攪拌樁止水帷幕。基坑支護鋼筋混凝土灌注樁樁長分為9、15、20 m。其中，9 m樁長灌注樁主要用于平行箱涵軸線方向基坑兩側以及其他支護高度≯3.2 m的部位；15 m樁長灌注樁主要用于出土坡道、管幕頂進后背等支護高度≯5.8 m的部位；20 m樁長灌注樁主要用于與頂進箱涵后背銜接處等支護高度≯7.3 m的部位。止水帷幕采用雙排水泥攪拌樁連續搭接，位于混凝土灌注樁之外，樁深按不同部位分別是10、16、20 m。

3.2 路基注漿加固

津保高速穿越工程施工過程中，先后需進行3次土體注漿加固。

第1次為管幕施工前對高速路基下土體進行加固，使其形成具有一定強度和整體性的殼性體；加固范圍為頂層管幕以上至高速路面以下2 m，加固層厚度約為2.5 m。第2次為管幕實施后對管幕周側進行加固。第3次在箱涵頂進完成后，注漿范圍是箱涵周邊，通過涵身預埋的減阻泥漿管進行注漿，由箱涵中間開始向兩側灌注。

壓力注漿布孔間距0.8 m，梅花形布設，鉆桿直徑32 mm。注入土體的水泥漿液水灰比1∶1，為P.O42.5普通硅酸鹽純水泥漿。漿液通過鉆桿底部花管上的噴漿嘴噴射進入土體，注漿壓力0.2～1 MPa，達到預定孔深后，開啟注漿泵，旋轉鉆桿并向回撤，鉆頭噴嘴處的漿液旋轉切削土體并經拌和形成水泥土結構，鉆頭附近局部注漿壓力可以通過向孔口返漿緩慢釋放。每步注漿的搭接長度10 cm。

加固漿液采用10%～15%水泥漿液，在正式注漿前，結合土層的性質及其埋深通過現場試驗確定注漿壓力參數，注漿過程中，嚴密觀測路基變形情況，隨時調整注漿參數，防止因注漿引起路面起拱。

為保證注漿孔施工精度，采取從高速公路兩側對打，中間交錯搭接的方式。注漿孔以-2.5°～-3°向下鉆進施工，注漿按跳孔間隔注漿方式進行，可有效防止串漿。土體注漿加固后，土體無側限抗壓強度＞0.5 MPa。

3.3 施工降水

大口井分兩處進行布置，一處位于封閉的止水帷幕內，沿灌注樁內側布置，間距8 m，深度15 m；另一處沿高速兩側30 m范圍內設置，間距8 m。

止水帷幕內降水井在土方開挖前15 d左右開始抽水，連續保持井內的低水位，確保地下水位在建基面50 cm以下。為盡量縮短降水對高速公路的影響，高速公路兩側降水井于頂進作業前15 d開始降水，至頂進結束。大口井選用無砂混凝土管井壁，內徑400 mm，井管底部外壁包一層200 g/m2土工布，其外井身填級配濾料，每個井內配置一臺潛水泵抽取井內滲水，潛水泵出水用φ50 mm膠管排放到基坑外側的排水溝內。

3.4 管幕施工

管幕設計使用φ970 mm鋼管，管幕工作坑位于高速公路南側，箱涵工作坑位于高速公路北側，采用泥水平衡掘進機為先導頂進。施工順序是先頂排、后兩側、再底排。兩側管幕需隨工作坑開挖施工，底排管幕在工作坑開挖結束后施工。

管幕頂進的精度對路面沉降及交通運行安全起著決定性的作用。

1）頂進精度控制。頂進精度與頂進設備密不可分，本工程所選用掘進機安裝有目前業內領先的自動糾偏軟件和主動糾偏系統，可以在不同地質條件下實現人機合一，隨時將盾頭前各種參數反饋控制倉，進行動態的實時糾偏。主頂采用4個150 t千斤頂，鋼管受力更加均恒穩定。

在管幕鋼管推進過程中通過監視器觀察位于頂管機尾部光靶上的激光點，光靶中心即是頂管機中心，激光點是管道設計中心。在產生偏差時通過控制臺調節頂管機內的2組方向控制千斤頂，使頂管機能改變其姿態，向目標方向靠攏。

2）減阻泥漿的選用。選用粉砂及砂性土質專用進口減阻泥漿（BIOS），遇水不分解，不被土層吸收，砂層中不滲漏，長時間不變粘稠，不變硬失效，能夠在頂進物周圍形成長效保護膜，有效減少頂進阻力，防止由于頂進阻力過大造成的頂進精度不足甚至路面波形隆起。

3）頂進過程中的控壓保壓。在進洞口和出洞口處分別采用20 mm厚天然橡膠制作的橡膠墊圈對洞口進行封閉，同時制作止水圈梁，確保孔口封閉效果。

4）固結漿置換潤滑漿。一根管幕鋼管頂進就位后，及時利用水泥固結漿置換潤滑漿，從管幕鋼管中部開始進行置換注漿，當兩側流出的漿液均為純水泥漿液為止，漿液置換率達到90%以上。

5）鋼管內充填混凝土。為加強管幕鋼管剛度，減少撓曲變形，為路面傳遞的載荷提供強有力的支撐，在幕管頂進結束后對管內進行C30無收縮細石混凝土填充。為保證充填飽滿，在封閉的兩端管頂設排氣孔管，排氣孔高出幕管0.5 m。在混凝土初凝不再流動時，進行二次素水泥漿補充注漿，以保證填充密實。

3.5 滑板及后背梁施工

3.5.1 滑板制作

基坑滑板制作后退5 m，為管幕施工留出5 m接受坑位置，待管幕施工結束后，用灰土回填接受坑補齊滑板。滑板錨梁溝槽采用人工開挖，與工作坑開挖交叉進行，滑板設3‰抬頭坡度。工作坑開挖結束后進行注漿加固并在工作坑內設置標高控制網，間距2 m，以便使用刮杠找平，滑板采用25 cm后C30混凝土，內置鋼筋網。滑板混凝土平整度誤差≯3 mm。滑板澆筑完畢后，在滑板兩側設排水溝，以排除雨水。采用一油一氈作潤滑隔離層，防止箱涵與滑板粘連并起到潤滑作用來減小頂力。

3.5.2 后背及后背梁施工

頂進基坑后背墻為頂進設備提供反力，采用雙排φ1.2 m灌注樁，樁距1.4 m，基坑開挖前已施工完畢，樁后是水泥攪拌樁止水帷幕。后背梁是一種傳力結構，它將千斤頂的頂力均勻分布給后背梁，所以后背梁必須有足夠的剛度和強度，后背梁寬×高×厚=21.8 m×2 m×1 m，為C30鋼筋混凝土結構，后背梁緊貼后背樁澆筑，與后背梁相連排樁樁間土（后背梁一側）必須挖除干凈并將后背梁與滑板連為一體，防止滑板跟進。后背梁前面要平直，以方便安裝頂鐵。

3.6 箱涵預制

工程包括70 m預制箱涵和80 m現澆箱涵，兩者施工工藝相同，只是預置箱涵變形縫處增設中繼間，需安裝鋼護套、鋼插銷、鋼刃角等埋件。

頂進段70 m箱涵預制工作在箱涵工作坑內滑板上進行，預制分為鋼筋綁扎、模板安裝、混凝土澆筑、養護、保溫等工序。

3.6.1 鋼筋工程

箱涵鋼筋制作在鋼筋加工廠統一加工，加工后的成品鋼筋分別集中堆存于成品堆放區，鋼筋吊裝、運輸采用16 t汽車吊配合鋼筋平板運輸車進行，運至現場的鋼筋采用人工進行綁扎，連接φ16 mm以下鋼筋采用閃光對焊連接，φ16 mm以上的鋼筋采用等強剝肋直螺紋套筒接頭。

3.6.2 模板工程

箱涵中所采用的模板主要選用全鋼大模板系列，適當配以相應小型鋼模板進行配模；異型模板選用材質標準達到Ⅲ等以上的優質紅松并提前備料，干燥后在木工棚制作；八字腋角模板采用定型整體鋼模板。

支承架材料視工程部位一部分選用順直無撓曲變形的φ48 mm×3.0 mm鋼管作為支撐材料，φ16 mm錐母對拉螺栓，經計算可滿足支模的剛度要求。全鋼大模板支撐材料中的背肋、桁架、墊腳等選用正規廠家制造時采用標準型鋼加工而成，作為附件提供。

模板安裝的嵌縫材料為海綿條，以保證拼縫嚴密，無漏漿現象。鋼模板采用WL型環保脫模劑，木模板采用石蠟作為脫模劑。

3.6.3 混凝土工程

箱涵混凝土采用雙摻粉煤灰和磨細礦渣，混凝土拌和系統采用布置在現場的1臺90型攪拌站；混凝土的水平運輸采用容積9 m3的混凝土罐車運送，垂直運輸采用混凝土汽車泵泵送入倉；箱涵混凝土澆筑分底板和邊頂板兩層進行。

1）箱涵底板混凝土澆筑分兩次完成。首先采用斜面分層法澆筑底板八字以下倉內混凝土。待底板澆平后，再分層澆筑八字以上墻體部分。底板墻體澆筑至八字以上500 mm處。

2）箱涵墻體及頂板混凝土澆筑。首先澆筑箱涵側墻，每道側墻以50 cm厚度分層布料，各側墻混凝土均衡上升。為防止混凝土下料高度過大造成混凝土骨料離析以及模板污染，在混凝土泵管末端設4 m軟管深入墻體內，保證軟管末端距離混凝土液面1 m以內。一段側墻混凝土一層澆筑完畢，待泵管內混凝土不再下流后，方可將倉內軟管提升出倉轉入相鄰側墻內繼續分層澆筑，以免管內尚未流盡的混凝土污染臨近倉面。當混凝土達到頂板下皮高程后，采用斜面分層法澆筑頂板混凝土。

3）混凝土振搗。采用HZ-50（30）插入式振動器振搗。垂直振搗，快插慢拔，將振動棒上下略微抽動，以使上下振搗均勻。在振搗上層混凝土時，振動棒插入下層混凝土中5 cm左右，消除兩層之間的接縫。一般每點振搗時間20～30 s，直至混凝土表面不再顯著下沉，不再出現氣泡，表面開始泛出灰漿為準。

4）施工縫的處理。在混凝土初凝前預埋木方，在混凝土強度達到2.5 MPa以后剔出，使已澆筑混凝土上部形成一凹槽，加強止水效果。

混凝土表面采用人工鑿毛，直至露出新鮮石子，然后用高壓水槍將混凝土表面清洗干凈，排除積水。

5）混凝土養護。混凝土底板、頂板上表面和預制構件采取覆蓋養護。側墻采用覆膜養護。箱涵側墻在模板拆除后立即進行保水薄膜敷設。

3.6.4 埋件工程

鋼護套位于箱涵外側，防止頂進時泥土進入箱涵內，造成頂進困難。底板護套鋼板一次安裝到位，在綁扎鋼筋前，按設計位置安放并焊好錨固筋。兩側及頂板護套鋼板一次到位困難，采用預埋鋼板后焊接方法。箱涵驗收合格頂進前，焊接護套鋼板。

鋼插銷在頂進過程中，對防止箱涵錯槎有著十分重要的作用。底板混凝土鉸只能限制水平錯槎，豎向和扭曲錯槎由鋼插銷限制，采用2根50 kg/m的Ⅰ36c工字鋼，每邊墻3個鋼插銷。鋼插銷一端預埋入先施工的箱涵內，另一端伸出箱涵外，外露長度≮48 cm。后施工箱體在相應位置預留孔洞，孔洞內預埋10 mm厚鋼套，鋼插銷與孔洞間留有活動間隙，確保鋼插銷伸縮自如。為防止鋼銷在頂進過程中受力不均而發生脆斷，在安裝鋼銷套時，要保證間隙均勻確保鋼銷共同受力。

頂底板、邊墻都設計有鋼刃角，注漿加固后的土體比較堅硬，沒有鋼刃角切割，頂力將過大，頂底板鋼刃角可一次安裝到位，箱涵在鋼管滑道頂進，底板不需設船頭坡，鋼刃角為90°，直接做模板澆筑在底板前端，頂板鋼刃角不僅有切割土體作用，還有支撐土體作用，鋼刃角長50 cm，2%的坡。

3.7 箱涵頂進

3.7.1 頂進方法

頂進段箱涵長度為70 m，在管幕施工同時進行預制，管幕完工后，預制頂進涵強度達到設計強度后進行頂進作業。頂進采用“先頂后挖、隨頂隨挖、緩慢推進”的工藝，邊頂進邊出土，箱體底、側、頂刃角始終吃土頂進。箱涵頂進完成后高速公路加寬范圍內土體回填密實度達到95%以上。

3.7.2 頂進設備及頂鎬布置

根據設計頂力布置千斤頂，第1節最大頂力5 580 t，第2～4節最大頂力5 320 t，后背梁最大頂力8 210 t。千斤頂和頂鐵對稱布置，在第4節箱涵末尾布置12臺500 t頂鎬、6趟頂鐵，分2組對稱布置在兩側，使用1臺ZK500型超高雙級軸向柱塞泵供油。中繼間兩端留有3.5 m鎬窩，足以安裝7臺頂鎬，每個鎬窩安放5臺500 t頂鎬，1臺高壓油泵加壓供油。

中繼間的千斤頂放置在槽內，固定時一定要保證千斤頂的底座與預埋鐵表面相平行，然后在千斤頂和預埋件之間塞上鋼板使之沒有縫隙，安裝完畢后在放置千斤頂的位置用鋼板蓋上，防止箱涵內的雜物掉入槽內，以便車輛通行。

頂鎬與頂鐵之間安放一道分配橫梁，以保證頂鐵共同受力，分配橫梁用55#工字鋼平臥安放并用鋼板焊成整體；頂鐵與后背之間也應安放一道橫梁，以便后背梁受力更均勻，頂鐵位于分配橫梁和后背之間臥放在滑板上，不斷接長使箱涵不斷前移。頂鐵用鋼軌作成10、20、30、60、120、200、400 cm 共 7 種長度；為保持頂鐵的穩定，分隔6～8 m設一道橫梁，以提高頂鐵整體穩定性，橫梁安設在已換成長頂鐵的固定段內。

3.7.3 頂進作業

為加快進度、減少頂進流程，只有頂力太大威脅后背安全時或方向出現偏移糾正困難時才啟用中繼間頂進，中繼間啟用越少頂進效率越高。箱涵頂進流程見圖1。

圖1 箱涵頂進流程

3.7.4 涵內出土

箱涵為一箱三室結構，每室孔徑4.4 m×4.4 m，空間太小不能使用大型機械作業，每箱內使用一臺0.3 m3微型挖掘機挖土和3 m3裝載機運土，小型運輸車運土。

在挖土過程中控制好挖土量和掌子面坡度，保持吃土頂進，始終保證鋼刃腳對土體的支撐作用。每次頂進量和挖土量一致，不得超挖。超挖會對前方開挖面穩定產生不良影響，容易使箱涵和土體間產生間隙，容易發生塌陷事故。

開挖面含水量大時會影響前端土體自穩性，需要在開挖面上設置水平的排水管。排水管采用φ108 mm鋼管，鋼管上交錯布設滲水孔。為不影響正常挖土，在每個方涵下邊角設置1根排水管。排水管長10 m左右，設置連接管道將水導入排水溝中。采用水平鉆機鉆進或者小型夯管錘打入，隨著箱涵向前推進，排水管隨著進土尺度減小排水效果不能滿足時，在管旁邊重新打入排水管。

開挖面遇到砂質土時，由于自穩性差無法保持開挖面穩定，可以采用超前小導管注漿法加固開挖面，每次加固長度3～5 m，漿體采用水泥-水玻璃混合漿。導管與孔口處采取密封措施進行壓力注漿，使漿體向孔外擴散。

3.7.5 控制重點

1）頂進精度控制。每個箱涵洞內設置固定激光靶，洞外設置自動觀測站，觀測站內有自動攝像頭與激光靶形成映射，每頂一鎬，將箱涵的軸線偏移、高程變化等數據傳輸至電腦自動處理系統并形成監控曲線，以此作為箱涵各項位移指標變化依據。

2）吃土深度控制。頂進作業最小吃土深度0.5 m，施工過程中，根據頂力變化及路面高程變化情況確定最大吃土深度范圍，然后在頂進涵內壁上畫2道紅線，前端線為最小吃土深度線，第2條線為最大吃土深度線，挖土過程中控制好挖土量和掌子面坡度。始終確保吃土量位于2道紅線之間，確保吃土頂進。

3）箱涵的姿態控制。在滑板上頂進時，為防止箱涵方向偏移，在箱涵兩側對稱設置20個導正墩，保證箱涵進洞前軸線不發生偏移。當發生偏轉時可以調節相應位置千斤頂數量和時間來調整箱涵方向。糾正方向時需要挖土配合。首節箱涵進土后及時開始注漿以減少摩擦力。

4）注漿減阻。

4 結語

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，能有效控制路面沉降，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通過，為大型引調水工程穿越高等級公路、鐵路等重要設施提供了一套切實可行的新型施工技術。

TV68

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1008-3197（2013）05-46-04

10.3969/j.issn.1008-3197.2013.05.018

2013-04-18

鞏平福/男，1976年出生，高級工程師，中國水利水電第四工程局有限公司，主要從事水利水電工程施工技術管理工作。