杜輝（天津市水利工程有限公司，天津300222）

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管幕-頂涵法穿越高速公路頂進施工關鍵技術

杜輝
（天津市水利工程有限公司，天津300222）

［摘 要］管幕-頂涵法是一種在管幕保護下頂進大型預制箱涵的施工方法，涉及管幕頂進和涵體頂進技術，用以解決明挖施工中斷給地面交通帶來的不便。特別是在高等級路面下作業(yè)時，對路面變形、沉降、安全穩(wěn)定性都有極高的要求。文中以南水北調中線工程天津干線管幕-頂涵法穿越津保高速工程為例，介紹了其施工關鍵技術及相關控制要點。

［關鍵詞］南水北調；管幕-頂涵法；關鍵技術

1 工程概況

南水北調天津干線與津保高速公路交叉點的樁號為XW 130+803.5，斜交角度為122°。天津干線穿越津保高速公路涵段長150 m，其中頂進段長度為70 m，起訖樁號XW130+732—XW130+882，如圖1所示。津保高速公路為雙向4車道，涵址處路面+路肩全寬27.0 m，高程6.87 m，天然地面高程4.48～2.96 m。設計荷載公路Ⅰ級。

根據(jù)專家會審意見，將原高速公路暗挖方案改為頂進方案。其中輸水暗涵為3孔鋼筋混泥土框架結構，總寬15 600mm，總高5 900mm，長17 000mm+17 000mm+18 000mm+18 000mm= 70 000mm，共4節(jié)。箱涵四周先期頂進42根準970mm，壁厚14mm的鋼管形成管幕保護，以對頂涵形成強有力的超前支護，管幕設計長70 000mm。如圖1所示。

2 施工方案策劃

根據(jù)設計階段確定的施工工藝流程，在施工階段對管幕-頂涵施工工藝的具體保證細節(jié)進行了反復的論證和細化，將基坑開挖穩(wěn)定性、頂力控制、頂進段涵體實體質量、路基土體注漿加固、頂進階段潤滑漿保壓、頂進出洞、潤滑漿固結置換做為施工控制的重點。

圖1 頂進段平面布置圖

3 過程策劃與控制

3.1 工作坑開挖

基于工程總安排，南北兩側工作坑土方同時開始施工，由南側工作坑施工管幕，管幕完成后從北側頂進箱涵。工作坑上層4 m左右開挖坡度為1∶1.5，開挖后進行護坡鋼筋混凝土灌注樁樁垂直支護施工。其中頂涵工作坑（高速路北側）頂力支撐端灌注樁兼作后背支撐，并于灌注樁后設置準600mm@400mm的水泥攪拌樁格構墻加固后背土體，頂管工作坑（高速路南側）頂力支撐端灌注樁兼作后背支撐。

3.2頂進控制力參數(shù)計算

3.2.1 管幕鋼管頂力計算

式中：P——計算的總頂力，kN；D1——管道外徑，m，該工程為0.97 m；L——管道設計頂進長度，m,該工程為70 m；fs——管道外壁與土的平均摩阻力,kN/m2；PF——頂管機的迎面阻力，kN。

工程采用觸變泥漿減阻技術并大部處于粘土層，少部分處于壤土層。根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》，鋼管頂進摩阻力系數(shù)fs取5 kN/m2。

式中：Dg——頂管機外徑，此工程為0.990 m；R——主動土壓力，kN/m2。

式中：Ka——主動土壓力數(shù)，計算公式為tan2（45°-準/2），內摩擦角準綜合考慮取10°,忽略粘聚力影響，計算得Ka=0.70；H0——地面至掘進機中心距離，覆土平均值頂排管幕3.18 m，底排管幕10.2 m；r——土的濕重度，取19 kN/m3。

通過計算得：

1）頂排管幕

2）底排管幕

3.2.2 鋼管970mm的承力計算

鋼管規(guī)格：外徑D1=0.97 m；壁厚t=14mm；內徑d=0.956 m；材料為Q235鋼材，取σs=235 MPa。

鋼管能承受的最大頂力F1為：

式中：［σ］——許用應力，N/mm2；Sn——鋼管凈截面面積，mm2。

其中：

［σ］=σs/n=235/1.33=177 N/mm2；n——安全系數(shù)，取1.33；

計算得：

故，頂進作業(yè)安全。

3.2.3 涵體頂力計算

涵體頂入時所需的頂力必須克服涵體自身重力產(chǎn)生于滑板上的摩阻力、周圍土的摩阻力及前刃角切土時的阻力。頂力可按下式進行計算：

式中：N1——頂管頂以上的荷載（包括動載），kN；f1——涵體頂面與其上面荷載的摩擦系數(shù)，此頂進涵頂部噴灑石蠟加潤滑油，可取0.8；N2——全部管道自重，kN；f2——涵體底面與基底土的摩擦系數(shù)，一般采用0.8；E——頂管兩側土壓力，kN；f3——側面摩擦系數(shù)，涵體表面涂刷石蠟和潤滑油，取0.26；R——55 kN/m2；A——鋼刃角正面積，取A=0 m2；K——系數(shù)，一般取1.2。

采用上式計算，最大頂力為8 349.04 kN。

3.3 涵體預制

涵體在頂進階段不僅要承受端部頂力，還要承受周圍土體帶來的擠壓力以及洞內作業(yè)機械的震動力，所以，涵體質量的控制是保證頂進工程安全順利實施的關鍵一環(huán)。

3.3.1 鋼筋混凝土主體質量控制

對鋼筋混凝土的主體質量控制，除按照規(guī)范要求進行精心的模板支護、鋼筋綁扎、預埋件安裝、混凝土原材控制、澆筑、振搗、養(yǎng)護外，涵體預制還根據(jù)處于低溫季節(jié)施工的特殊情況，采用開合式陽光保溫棚的措施，為涵體預制的各個環(huán)節(jié)的質量控制提供有利的保證。

3.3.2 注漿管路預埋

根據(jù)以往工程經(jīng)驗，外掛式注漿管路雖維修方便，但在洞內出土階段經(jīng)常被作業(yè)設備損壞，影響使用效果，本項目經(jīng)過細化改良，將注漿管路預埋在涵體內部，為防止注漿管路出現(xiàn)堵塞，在管路末端設專門用于頂涵的專利注漿噴嘴（發(fā)明專利號ZL2013 1 0203474.1），另外加設一路備用管路（同時做為固結注漿管路）。

3.3.3鋼刃角改進置安

根據(jù)以往經(jīng)驗，鋼刃角過短，對前端掌子面土體支撐不足，土體支撐效果不好。工程鋼刃角長1 m，用厚度為10～16mm的鋼板制作。為使刃角牢固，每個螺栓用2個螺帽并加彈簧墊圈。側刃角較橋涵端面外框尺寸略大，以減小頂進阻力，并為注漿噴嘴提供一定的注漿空間。

3.3.4 中繼間制作

該頂進方案非特殊情況，不啟用中繼間。但考慮到頂進工程的特殊性，設置中繼間做為頂進應急預案。中繼間鋼護套位于箱體外側，前后兩節(jié)涵體間設限位插銷。鋼插銷采用2根50 kg/m鋼軌制作，3邊墻各設3個。鋼插銷一端預埋入先施工的箱體混凝土內，另一端伸出混凝土外，外露長度不小于頂程加20 cm。后施工一節(jié)箱體在相應位置預留孔洞，孔洞內預埋10mm厚鋼套，鋼插銷與孔洞留有活動間隙，確保鋼插銷伸縮自如。

3.4 其他保證措施

1）對頂進涵體周邊土體進行注漿加固，增強土體的自承力和穩(wěn)定性。

2）在頂進進出洞口設置保壓橡膠圈和保壓環(huán)，一是為防止頂進階段注入的潤滑漿液沿洞口縫隙流失，保證潤滑漿壓力不損失，提升潤滑效果；二是能有效防止涵周土體隨潤滑漿液流失，造成地表沉降。

3）在進出洞口側同時施作水泥攪拌樁擋墻，既能確保洞口框架梁的施工效果，也能夠保證進洞和出洞階段掌子面的安全穩(wěn)定。

4）在頂涵出洞口側施作軟土堆擋，高度為涵體高度的2/3，呈直角梯形，上頂寬度1.5 m，底寬7.5 m，防止頂涵出洞接近時土體坍塌威脅高速公路安全。

5）管幕（涵體）頂進就位后，及時采用水泥漿置換潤滑漿，采取多次置換的方式，直至潤滑漿液不再流出，水泥漿流出為止，以消除由于頂進階段形成的管周（涵周）空隙所帶來的路面沉降隱患。

4 結語

圖2 管幕實際頂力曲線圖

南水北調天津干線穿越津保高速路工程在參建各方的共同努力下最終成功完成頂進施工。頂進過程中各項指標和參數(shù)均在控制之中，沒有啟

動中繼間，施工中采取了一定措施保證了津保高速公路的正常行車以及各種管線的安全。箱身結構在頂進過程中無破損無裂縫，涵體就位誤差滿足規(guī)范要求。至今，工程完工已3年，涵內通水無滲漏及任何問題。津保高速公路頂進施工經(jīng)驗表明，在管幕-頂涵保護工法的配合下，其工藝安全、高效、經(jīng)濟，適用于大型線路交叉下穿地面建筑物施工。

［中圖分類號］TU74

［文獻標識碼］B

［文章編號］1002－0624（2016）06－0017－03

[收稿日期]2016-04-27