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        大管幕保護下的箱涵吃土頂進技術(shù)在高速公路上的應(yīng)用

        2013-11-16 11:54:36趙素潔
        交通運輸研究 2013年2期
        關(guān)鍵詞:高速公路施工

        趙素潔

        (河北省交通規(guī)劃設(shè)計院,河北 石家莊 050011)

        0 引言

        南水北調(diào)中線一期工程天津干線廊坊市段全長9.148km,期間與已建河北省保津高速公路交叉,并以現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)形式穿越保津高速公路。箱涵結(jié)構(gòu)斷面尺寸為三孔4.4m×4.4m,全寬15.6m,高5.9m。穿越工程全長150m,其中,箱涵頂進段長70m,明挖段長80m。頂進涵頂距離路面高度5.8m。

        為確保頂進過程中高速公路的正常運行,采用大管幕保護下的箱涵吃土頂進的施工工藝,結(jié)合止水帷幕、大口井降水、路基注漿加固、高速路路基增設(shè)止水止?jié){墻以及邊坡邊溝護砌等措施,將施工對高速公路路面沉降影響降至最低。本工程頂進涵橫斷面示意圖如圖1所示。

        1 箱涵頂進技術(shù)施工工藝和關(guān)鍵工序

        頂進涵工程總體施工工藝流程為:基坑支護→帷幕止水及進出口門洞止水止?jié){墻→路基注漿加固→施工降水→管幕頂進→箱涵頂進→固結(jié)止?jié){。

        圖1 頂進涵橫斷面示意圖

        1.1 基坑支護和帷幕止水

        本工程灌注樁支護區(qū)段基坑支護主要采用間距1m的φ800mm C30鋼筋混凝土鉆孔灌注樁和間距0.4m的φ600mm的雙排深層水泥攪拌樁止水帷幕?;又ёo鋼筋混凝土灌注樁樁長分為9m、15m、20m三種。 其中,9m樁長灌注樁主要用于平行箱涵軸線方向基坑兩側(cè)以及其它支護高度不大于3.2m的部位。15m樁長灌注樁主要用于出土坡道、管幕頂進后背等支護高度不大于5.8m的部位。20m樁長灌注樁主要用于與頂進箱涵后背銜接處等支護高度不大于7.3m的部位。止水帷幕采用雙排水泥攪拌樁連續(xù)搭接,位于混凝土灌注樁之外,樁深按不同部位分別是10m、16m和20m。

        1.2 注漿加固

        1.2.1 注漿加固范圍

        注漿工作分三次進行。第一次加固為管幕實施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2m,加固層厚度約為2.5m;第二次注漿加固為管幕實施后對管幕周側(cè)進行加固,加固范圍為底層管幕下2m、兩側(cè)管幕外各5~8m;第三次注漿在箱涵頂進完成后,范圍是箱涵周邊與管幕之間,主要目的是通過注漿填充頂進施工擾動造成的箱涵外側(cè)與管幕之間的土體空隙,增強土體穩(wěn)定性,降低沉降風(fēng)險。注漿通過箱身預(yù)埋的減阻尼泥漿管進行,順序由箱涵中間開始向兩邊后退。

        1.2.2 注漿

        壓力注漿布孔間距為0.8m,梅花形布設(shè),鉆桿直徑為32mm,單根長度為1m(可連續(xù)接長),花管長度為1m。注入土體的水泥漿水灰比為1∶1,為42.5號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,注漿壓力在0.2~1MPa左右。達到預(yù)定孔深后,開啟注漿泵,旋轉(zhuǎn)鉆桿并向回撤,鉆頭噴嘴處的漿液旋轉(zhuǎn)切削破壞土體并經(jīng)拌和形成水泥土結(jié)構(gòu),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為10cm。為保證注漿孔施工精度,采用從高速公路兩側(cè)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(cè)限抗壓強度將大于0.5MPa。加固注漿液采用10%~15%水泥漿液,在正式注漿前,結(jié)合土層的性質(zhì)及其埋深確定通過現(xiàn)場試驗確定注漿壓力參數(shù)。注漿過程中,嚴密觀測路基變形情況,隨時調(diào)整注漿參數(shù),防止因注漿引起路面起拱。

        1.3 施工降水

        從本工程基坑現(xiàn)有開挖面觀測來看,地下水位僅高于箱涵底板約1.5m左右,雨季地下水位最高,約高于箱涵底板2.1m左右,距高速公路頂面約10.2m。降水雖不是路面沉降的主要因素,但仍不可忽視。所以,施工時工作坑內(nèi)需設(shè)置大口井進行降水。為確保將作業(yè)面內(nèi)對高速公路帶來的降水達到最低的影響,大口井分兩處進行布置,一處位于封閉的止水帷幕內(nèi),沿灌注樁內(nèi)側(cè)布置,間距為8m,深度為15m;另一處沿高速兩側(cè)30m范圍內(nèi)設(shè)置,間距為8m。止水帷幕內(nèi)降水井在土方開挖前15d左右形成并開始抽水,連續(xù)保持井內(nèi)的低水位,確保地下水位至建基面在50cm以下。考慮到盡量縮短降水對高速公路的影響,高速公路兩側(cè)降水井于箱涵頂進作業(yè)前15d開始降水,至頂進結(jié)束,盡量縮短降水周期。

        1.4 管幕工程施工

        管幕使用φ970mm鋼管,頂進涵上側(cè)16根,底板下16根,涵體兩側(cè)各5根,主要作用是為頂涵作業(yè)提供有利支撐,減少路面沉降。管幕工程是箱涵穿越已建高速公路的關(guān)鍵工序,與箱涵預(yù)制平行施工,管幕工作坑和箱涵工作坑分別位于高速公路兩側(cè)。φ970mm鋼管采用泥水平衡掘進機為先導(dǎo)頂進,施工順序是先頂排、后兩側(cè)、再底排。兩側(cè)管幕需隨工作坑開挖施工,底排管幕在工作坑開挖結(jié)束后施工。

        1.4.1 管幕頂進關(guān)鍵環(huán)節(jié)

        1.4.1.1 精度控制

        選用原裝進口泥水平衡掘進機,該機安裝有自動糾偏軟件和主動糾偏系統(tǒng),可在不同地質(zhì)條件下實現(xiàn)人機合一,隨時將盾頭前各種參數(shù)反饋控制艙,進行動態(tài)糾偏。主頂采用4個150t千斤頂,鋼管受力更加均衡穩(wěn)定。在管幕鋼管推進過程中通過監(jiān)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(shè)計中心。在產(chǎn)生偏差時通過控制臺調(diào)節(jié)頂管機內(nèi)的兩組方向控制千斤頂,使頂管機能改變其姿態(tài),向目標方向靠攏。

        1.4.1.2 減阻泥漿的選用

        選用特種化學(xué)潤滑漿液(BIOS),該潤滑漿液具有遇水不分解,不被土層吸收,砂層中不滲漏,長時間不變粘稠,不變硬失效等特點,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。

        頂進時通過頂管機鉸接處及管節(jié)上預(yù)先焊接的注漿孔,向管內(nèi)外壁壓入一定量的減阻泥漿,在管道四周外圍形成一個泥漿套,改變原來的干摩擦狀態(tài),減小管節(jié)外壁和土層間的摩阻力。頂進時,頂管機尾部的壓漿孔及時跟蹤壓漿,始終保持頂進過程中環(huán)狀間隙泥漿壓力大于土應(yīng)力,對周圍土體起到支撐作用,確保形成完整有效地泥漿套。為提高減阻泥漿的保壓和潤滑效果,在注漿管路上安裝穩(wěn)壓罐,通過穩(wěn)壓罐上的減阻泥漿可消除柱塞泵造成的脈沖壓力,穩(wěn)壓罐上的傳感器控制注漿泵的開啟。

        1.4.1.3 頂進過程中的控壓保壓

        為確保管幕頂進過程中管周的保壓,在進、出洞口處采用20mm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??卓诜忾]效果。

        1.4.1.4 固結(jié)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(jié)漿置換潤滑漿,從管幕鋼管中部開始進行置換注漿,當兩側(cè)流出的漿液均為純水泥漿液為止。

        1.4.2 管內(nèi)充填混凝土

        為加強管幕鋼管剛度,減少撓曲變形,在幕管頂進結(jié)束后對管內(nèi)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(shè)排氣管,排氣管高出幕管0.5m。在混凝土初凝不在流動時,進行二次素水泥漿補充注漿。

        1.5 箱涵頂進

        頂進段箱涵長度為70m,在管幕施工的同時進行預(yù)制,管幕完工后,預(yù)制頂進涵強度達到設(shè)計強度100%后進行頂進作業(yè)。頂進采用先頂后挖、隨頂隨挖、緩慢推進施工工藝,邊頂進邊出土,箱體底、側(cè)、頂刃腳始終吃土頂進。箱涵頂進是本項目穿越津保高速的最后一道主要程序,其穿越效果直接關(guān)系到本項目的成敗。

        1.5.1 頂進精度控制

        在每個箱涵洞內(nèi)設(shè)置固定激光靶,洞外設(shè)置自動觀測站,觀測站內(nèi)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(shù)據(jù)傳輸至電腦自動處理系統(tǒng),并形成監(jiān)控曲線,以此作為箱涵各項位移指標變化依據(jù)。并描繪出頂程與頂力關(guān)系曲線和頂程與方向高差的關(guān)系曲線,用控制圖控制頂進質(zhì)量。

        1.5.2 吃土深度控制

        頂進作業(yè)最小吃土深度為0.5m,在施工過程中,根據(jù)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(nèi)壁上畫2道紅線,前端線為最小吃土深度線,第二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條線之間,確保吃土頂進。

        1.5.3 頂進開挖過程中的注意事項

        若頂進開挖過程中,發(fā)現(xiàn)開挖面含水量大,影響到前端土體自穩(wěn)性時,在開挖面上設(shè)置水平的排水管。排水管采用φ108鋼管,鋼管上交錯布置滲水孔。為了不影響正常挖土,在每個方涵下邊角設(shè)置一根排水管將水導(dǎo)入排水溝中。若開挖面遇到砂質(zhì)土?xí)r,由于自穩(wěn)性差無法保持開挖面穩(wěn)定,采用小導(dǎo)管注漿法加固開挖面,導(dǎo)管使用φ42鋼管,每次加固長度可達3~5m,漿體采用水泥-水玻璃混合漿。導(dǎo)管與孔口處采用密封措施進行壓力注漿,使?jié){體向孔外擴散。初凝后拔出導(dǎo)管。

        1.5.4 頂進中箱涵的姿態(tài)控制

        為防止箱涵方向偏移,在箱涵兩側(cè)對稱設(shè)置20個導(dǎo)正墩,保證箱涵進洞前軸線不發(fā)生偏移。當發(fā)生偏移時可調(diào)節(jié)相應(yīng)位置千斤頂數(shù)量和時間來調(diào)整箱涵方向。糾正方向時需要挖土配合。首節(jié)箱涵進土后及時開始注漿以減小摩擦力。

        1.5.5 注漿減阻

        減阻注漿對減小頂進阻力和路面下沉至關(guān)重要。沒有減阻泥漿箱涵與土體摩擦阻力很大,頂進過程中不斷把箱涵周圍土體帶走,特別是頂部土體不斷下沉補充,頂程越長下沉量越大,路面沉降量越大。如使用減阻泥漿,箱涵帶走的是泥漿,而泥漿可以不斷補充,保證了土體的穩(wěn)定,減阻泥漿還有加壓、保壓作用,使土體維持原來壓力不變或更大,從而避免和減小地面沉降。為確保潤滑減阻效果,本項目頂涵減阻泥漿采用與管幕鋼管相同的進口潤滑漿。

        2 結(jié)語

        隨著社會經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展,路網(wǎng)、水系等規(guī)劃建設(shè)不免交織,對穿越已建項目如公路、鐵路、機場等類事例會越來越多。本文所述的大管幕保護下的箱涵吃土頂進技術(shù),在不影響被穿越項目運營的情況下,能將施工對現(xiàn)有高速公路路面或鐵路沉降影響降至最低,具有重要參考價值和社會經(jīng)濟效益。

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