管幕-箱涵法隧道穿越軟土地層沉降控制技術研究

劉金龍

（上海建工集團股份有限公司 上海 200080）

0 緒論

隨著我國基礎設施建設以及城市交通系統建設的不斷深入，在地下工程施工中，對沉降的控制，對精度的要求、對環境的影響，對風險的控制等都提出了更高更嚴格的要求。對于上海這個國際大都市而言，研究適合軟土介質的城市隧道或地下通道施工方法是對地下工程建設安全、經濟、有效、快速的有力保障[1-2]。

1 工程概況

1.1 地道基本概況

田林路下穿中環線地道（中環線交通節點改善工程）新建工程位于徐匯區漕河涇開發區中部，是田林路上重要的交通節點，西起古美路，東至桂平路，并下穿中環線，全長約1032.78m，工程地理位置如圖1所示。

圖1 田林路地道工程地理位置

田林路下穿中環線地道兩端為敞開段與暗埋段，采用明挖法施工。穿越中環線段采用管幕-箱涵法施工，始末里程樁號為K0+663～K0+749，穿越長度86m。穿越段地道斷面布置為雙向3快2慢，箱涵斷面長度19.8m，高度6.4m。

1.2 工程地質

根據詳勘階段地質勘查報告，場地主要由飽和粘性土、粉性土、砂土組成，一般具有成層分布特點。上排鋼管幕處在③號淤泥質粉質粘土，兩側和底排鋼管幕多處于④號淤泥質粘土。中環線路面結構層厚度1.1m，主要為：5cm厚瀝青層；12.5cm厚中粒混凝土層；36.5cm厚粗粒混凝土層；36cm厚混凝土層以及20cm厚礫石層，礫石大小約6cm×7cm。中環線路面下部有2.2m厚素填土層。

2 鋼管幕頂進施工

2.1 頂進時姿態控制

鋼管頂進時，需要對累計偏差進行嚴格控制，在累積偏差較大的情況下，如果未能及時采取有效的糾偏措施，會造成鋼管幕無法根據設計要求頂進至正確位置。在比較嚴重的情況下會造成鋼管鎖口撕裂的問題，對于管幕密封性產生很大不利影響。因此，鋼管幕頂進精度控制是工程成敗的一個關鍵因素[3-4]。

（1）確保導軌的制作及安裝精度，要求導軌四角的高程和軸線誤差小于3mm。

（2）增加洞口限位裝置，鋼管和機頭進入洞口后，使鋼管與導軌密貼，鋼管位置精度可靠保證，如圖2所示。

（3）采用專用的泥水平衡頂管機施工保持開挖面穩定，并采用計算機軌跡控制軟件指導施工。

（4）利用激光反射糾偏系統、傾斜儀傳感器和糾偏油缸行程儀傳感器等，在頂進過程中有效提高掘進機的頂進精度。

（5）應用網絡監控平臺開展監測，實時收集管幕鋼管頂進時的軸線偏差和扭轉數據，保證鋼管穿越中環線過程中連續施工監測及姿態可視化，確保及時糾偏，及時調整鋼管姿態。

（6）采用精細化施工，加強施工過程控制，根據頂進過程中各項施工區域以及各項施工參數數據，實時糾偏。

通過上述措施，保證鋼管頂進軸線偏差在±3cm之內，扭轉偏差在±3°之內。

圖2 洞口限位裝置

2.2 頂進時沉降控制

（1）采用適用于③號及④號地層的泥水平衡鋼管幕專用頂管機。它采用改進激光顯示及糾偏系統，操作人員實時糾偏，實現高精度的姿態控制，鋼管頂進糾偏幅度較一般頂管要小得多。

（2）精細化的開挖面穩定管理。除了采用變頻自動控制進排泥量，機頭水土壓力自動平衡系統保證開挖面穩定外，還可嚴格根據監測結果，人工調節進排泥流量，控制泥水倉壓力。

（3）針對性施工參數控制。為了有效地控制鋼管幕頂進時，同時，在重要管線影響區域降低頂進速度、加強管線監測、及時調整施工參數。

（4）特種觸變泥漿。管幕鋼管頂進時，采用特種觸變泥漿作為潤滑材料注入到頂進管道與周邊土層之間的環狀空間中，泥漿不僅具有支撐土體的作用，同時，大大減少了鋼管鎖口對土體的擾動。

3 箱涵推進施工

大斷面箱涵推進施工時，中環線地面交通不封閉，對地表和地下管線的沉降變形控制要求非常高，主要采用7大措施，如圖3所示。

圖3 大斷面箱涵穿越中環線沉降控制措施

3.1 箱涵推進姿態控制

箱涵推進過程中，由于掘進機自身沒有糾偏能力，主要靠箱涵后部80只液壓油缸來進行左右姿態糾偏。箱涵推進施工時，應用了包含7組液壓油缸的同步推進控制系統，并采取了各自獨立的液壓泵站，分別對每組液壓缸進行驅動控制。在箱涵的左側和右側，分別設置2臺激光測距儀，用于獲得箱涵行程差作為控制基準，計算調整各泵站變頻器輸出頻率，實現箱涵推進自動同步控制。

除此之外，還將導向墩布置于工作井內箱涵兩側。主要作用在于能夠在箱涵始發階段，有效控制其推進始發過程中的中心偏差現象。

3.2 箱涵推進開挖面穩定管理

箱涵掘進機為土壓平衡式，并具備PLC可編程序計算器。通過開挖面的土壓力計，能夠以自動或手動兩種方式，針對頂進速度、螺旋輸送機轉速進行合理調整，使得開挖面土壓力能夠保持較為穩定的狀態，在此基礎上確保正面水土壓力的平衡。

掘進機土壓傳感器對于維持開挖面穩定具有關鍵作用，其中在土艙內總共包含14處土壓傳感器，其中頂部與底部分別設置4處，而中間位置設置6處。土壓傳感器主要用于監測正面土體壓力，從而平衡開挖面。

箱涵掘進機正常掘進速度為2-4cm/min，在進行推進施工時，如果土倉當中的某一部分局部土壓存在下降趨勢，同時下降的數值較小，此時系統能夠對螺旋機出土量做出自動調節，使得螺旋機內土壓提高，從而能夠發揮對土倉內部土壓的調整作用，使其能夠繼續保持平衡狀態。而針對于土艙內土體壓力過大的情況，此時需要對螺旋機排土量進行提高。當出現整體土倉壓力變化時，系統根據壓力變化值，螺旋機調整出土速度，保持土倉內壓力平衡。

根據地道埋深及土體容重，正常推進時可保持前艙土壓0.18～0.2MPa。在此狀態下，是不考慮鋼管幕的截斷作用，因此，正常推進情況下為輕微狀態下的悶頂，這對地下管線及中環線路面沉降控制是非常有利的。

3.3 箱涵推進外周AB觸變泥漿

箱涵推進過程中，擬就建立同步注漿（A漿）與補充注漿（B漿）分為兩個獨立的注漿系統，在漿液的配比、注漿設備的選擇、注漿控制要點等方面，A漿與B漿存在一定的差異。并且A漿與B漿的性能也有所區別，其中同步注漿（A漿）以管幕支撐好、保水性好為主，補充注漿（B漿）以潤滑減摩為主。

同步注漿（A漿）系統，與掘進機一起控制，在掘進機操作室內實現遠程自動控制。當掘進機開始推進時，同步注漿系統亦同時開啟。注漿漿液采用膨潤土含量較高，流動性相對較差，保水和支撐性較好的厚漿。

補充注漿系統（B漿），則設置補充注漿控制臺，在由專人另外控制。補充注漿的開啟和注漿位置則根據推力大小、箱涵頂部預埋泥漿壓力盒、沉降監測等共同控制。補充注漿系統采用膨潤土含量較低的稀漿，流動性相對較好，保水和支撐性較差的稀漿。

3.4 箱涵首節試推

首節箱涵長度僅為13.5m，此時箱涵掘進機切口未至中環線，僅在中環線西側輔道下。因此，首節箱涵作為試推段，根據監測數據及時反饋信息，為后續地道穿越中環線，從理論和經驗上選取各項施工參數，對施工及時加以調整是非常必要的。

箱涵推進過程中，對密封倉土壓力、刀盤轉速及壓力，推進速度，千斤頂推力，注漿壓力及注漿量等，分別采用幾組不同施工參數進行試掘進。在確定施工參數時，需要結合相關的測量數據以及地表沉降情況，以此指導全過程施工，但應以符合地表沉降標準、管線沉降變形、掘進機姿態控制等要求為準則。

圖4 首節箱涵試推

3.5 箱涵外周泥漿固化

在頂進施工結束后，應對箱涵與管幕中的泥漿進行泥漿置換工作。置換泥漿配置上，應采用水泥與占比30%的粉煤灰作為原料。在箱涵周圍形成水泥漿套承擔上部荷載。箱涵四周每隔6m有一道注漿斷面，水泥漿仍采用該注漿孔，由注漿壓力和注入量控制地表變形，使地面的隆起控制在3cm以內，待水泥漿凝固后，相當于每隔6m即形成一道橫向支撐梁，即使梁之間有部分泥漿未固化，由于管幕作用，可以把荷載傳遞至箱涵而不至于引起較大的工后沉降。

4 結論

管幕-箱涵工法在軟土地層中具有較為廣闊的應用前景，尤其在密集的城市空間，對沉降要求、周圍環境要求等非常高的前提下，對施工精度、工藝改善和施工管理提出了新的要求，這就需要進一步優化和提供施工工藝和管理水平。結合田林路下穿中環線地道新建工程，對其中的幾個關鍵問題和技術措施進行了闡述和總結。

（1）鋼管幕的精確施工是管幕-箱涵工法成敗的重要一環，其頂進時的姿態控制又尤為重要，采用導軌搭設控制、洞口限位裝置、專用泥水頂管機、高精度激光糾偏系統、信息化網絡實時監測平臺、精細化施工等多項措施保證鋼管幕施工精度。

（2）箱涵在鋼管幕內推進，間隙較小，對姿態控制要求非常高，主要采用同步推進控制系統，精確控制箱涵水平姿態，實現箱涵推進自動同步控制。

（3）為了實現大斷面箱涵推進，地面及地下管線的沉降變形控制，主要采用合理的開挖面穩定管理措施和箱涵外周泥漿系統，其中同步注漿應以管幕支撐好、保水性好為主。

（4）封閉式箱涵掘進機斷面較大，又由多個螺旋機出土，應更加注意螺旋機出土之間的相互協調以及施工參數的合理選擇與控制。