蔡東明 吳金剛

(北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京 100082)

隨著城市經(jīng)濟的快速發(fā)展，原有水系已不能滿足多功能需求，通過片區(qū)擴容，讓溝渠、水系連通，將區(qū)域內(nèi)溝渠連通起來發(fā)揮聯(lián)合效應，增加區(qū)域內(nèi)溝渠排澇容積，實現(xiàn)區(qū)域防洪排澇達標。水系連通、溝渠擴容使溝渠設(shè)計標準提高，過水斷面加大。近年來，水利工程與區(qū)域內(nèi)的公路、鐵路交叉的情況越來越多。箱涵施工，是解決交叉高速公路工程施工時，由于措施不當?shù)仍蛞鹇访嫣斐傻慕煌ㄖ袛喙こ淌鹿实闹饕胧?。有必要對箱涵下穿方案進行比選研究，選擇風險可控、質(zhì)量可靠、工期可行、經(jīng)濟合理的施工方案，保證高速公路安全運營。

1 工程概況

馬駒橋鎮(zhèn)五支溝起點馬橋干渠，經(jīng)北京通州物流產(chǎn)業(yè)園區(qū)東側(cè)及南側(cè)，向南穿過六環(huán)路，匯入鳳港減河，是物流園區(qū)防汛排水的主要通道。五支溝在物流園區(qū)東南側(cè)為1孔暗涵(下稱園區(qū)暗涵)，暗涵尺寸為3m×2m(寬×高)，園區(qū)暗涵出口與五支明渠相接處底高程約為19.5m；五支溝在穿六環(huán)路處為2孔暗涵，暗涵尺寸為3m×1.5m(寬×高)，暗涵底高程21.00m。由于上游高程低于下游高程，六環(huán)路下現(xiàn)況暗涵無法繼續(xù)使用，故根據(jù)物流園區(qū)排水規(guī)劃，在六環(huán)路下新增3孔4.4m×2.4m方涵，涵底高程18.54m。

六環(huán)路總寬47m，根據(jù)規(guī)劃，六環(huán)路遠期拓寬后總寬度為62m。《公路安全保護條例》規(guī)定：公路建筑控制區(qū)的范圍,從公路用地外緣起向外的距離標準為高速公路不少于30m。故公路建筑控制區(qū)范圍為122m，此范圍內(nèi)不能存在永久地上建筑物。同時，六環(huán)路建設(shè)單位提出要求：為了盡量降低施工對六環(huán)路的影響及保證六環(huán)路安全和正常運行，下穿箱涵結(jié)構(gòu)頂距離原始路面的豎向距離不得大于6m(見圖1)。

2 工程及水文地質(zhì)

工程位于永定河沖洪積扇平原區(qū)，地面高程約22～23m。場區(qū)主要為第四系全新統(tǒng)地層。按其形成年代、成因類型及物質(zhì)組成特征，各土層的巖性結(jié)構(gòu)(見表1)分為兩部分。

2.1 人工填土(Qs)

一般為黃褐色，稍濕—濕，松散—中密，以回填粉土和粉質(zhì)黏土為主，含砂、碎石和磚塊，層厚0.8～1.8m。場區(qū)局部地表分布雜填土。

2.2 第四系全新統(tǒng)沖洪積地層

a.粉質(zhì)黏土。褐黃色—黃灰色，稍濕—很濕，可塑—硬塑，在場區(qū)近地表此層大部分為稍濕狀態(tài)，隨著埋深增加含水量和密實度增大，濕度逐步呈稍濕至飽和狀態(tài)，含云母、氧化鐵和有機質(zhì)，有機質(zhì)含量約3.8%～6.8%。該層局部含粉砂夾層，一般層底高程約16～18m，層厚約3.2～5.5m左右。

b.黏土?；疑S灰色，濕—很濕，可塑—硬塑，局部為重粉質(zhì)粘土，含云母和有機質(zhì)，有機質(zhì)含量3.6%～5.4%。一般層底高程約12～13m，層厚一般約3.7～4.3m左右。

c.細砂?；尹S色—黃灰色，飽和，密實，含石英、云母。一般層底高程約6～7m，層厚一般約5.8～6.1m左右。

d.粉質(zhì)黏土。褐黃色—黃灰色，稍濕—濕，可塑，含云母、氧化鐵。一般層底高程約3～4m，層厚一般約2.8～3.1m左右。

e.粗砂?；尹S色，飽和，中密—密實，含石英、云母。

根據(jù)本次鉆孔勘探結(jié)果，工程區(qū)含一層地下水，水位埋深約8～9m，水位高程約13～14m，年變幅約1～3m，擬建場區(qū)自1955年以來最高地下水位標高接近自然地面。

表1 土層主要物理力學指標建議值

注( )表示平均值。

3 國內(nèi)同類工程實例調(diào)研

目前，大斷面隧道、箱涵下穿高速公路、鐵路類工程，一般采用的施工方法有頂推法和暗挖法。頂推法根據(jù)頂進距離的長短，可分為千斤頂頂推和頂管機頂推。根據(jù)工程經(jīng)驗，一般頂進長度在50m以下且斷面較小時，采用千斤頂頂推造價低，工程上能實現(xiàn)；當頂進長度大于50m甚至達到100m，并且斷面較大時，千斤頂頂推需要分段頂推，管節(jié)之間需要設(shè)置中繼間，結(jié)構(gòu)防水難以保證，實施起來比較困難。遇到長距離、大斷面的工程，一般采用頂管機頂推，雖然頂管機造價較高、斷面適用性不強，但在控制高速公路沉降、變形方面有很大的優(yōu)勢。本工程屬于長距離、大斷面頂推工程，同時，六環(huán)路對變形控制要求高，若采用頂推法最好采用頂管機頂推。

采用頂推法施工時，受頂管機的尺寸、工程經(jīng)驗、技術(shù)水平等限制，目前所了解到的世界最大矩形頂推工程為天津黑牛城地下人行通道與綜合管廊連接通道，斷面寬度10.42m，高度7.57m。暗挖法施工可以由一個斷面整體暗挖下穿。國內(nèi)同類工程調(diào)研實例見表2。

表2 國內(nèi)大斷面隧道下穿工程實例

4 五支溝暗涵下穿六環(huán)方案比選

4.1 頂推法

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，結(jié)合目前施工技術(shù)水平，在滿足同等過水斷面的前提下，將暗涵分為兩個獨立斷面，每個斷面內(nèi)凈空均為寬×高=6.6m×2.4m，兩結(jié)構(gòu)中間間隔1m。在滿足六環(huán)路建設(shè)單位要求的前提下，箱涵建成后，兩側(cè)跌水井的最小距離為122m。施工期間，考慮滿足現(xiàn)況六環(huán)路保護距離即可，在六環(huán)路兩側(cè)分別設(shè)置始發(fā)井和接收井，箱涵頂推段距離為47m(布置見圖2)。

考慮到地下水位較高，位于結(jié)構(gòu)底以上，明挖段采用鉆孔灌注樁+旋噴止水的圍護方案，始發(fā)井和接收井采用地下連續(xù)墻進行圍護，做好施工期間的止水、降水工作。

4.2 暗挖法

暗挖法采用淺埋暗挖技術(shù)，隧道斷面外尺寸為寬×高=15.54m×4.02m，下穿六環(huán)處采用超長鎖扣管幕進行超前加固，采用初期支護+二次襯砌復合式襯砌型式。由于斷面較大，采用分塊開挖、封閉成環(huán)、循序漸進的開挖方式，同時做好六環(huán)路沉降監(jiān)測，動態(tài)調(diào)整加固參數(shù)、開挖進度。在滿足六環(huán)路建設(shè)單位要求的前提下，箱涵建成后，兩側(cè)跌水井的最小距離為122m。施工期間，考慮滿足現(xiàn)況六環(huán)路保護距離即可，暗挖段長度47m，兩側(cè)明挖段各41.1m，建成后暗埋段122m(布置見圖3)。

考慮到地下水位較高，位于結(jié)構(gòu)底以上，明挖段采用鉆孔灌注樁+旋噴止水的圍護方案，做好施工期間的止水、降水工作。

4.3 設(shè)計方案比選

4.3.1 橫斷面型式及尺寸

頂推法：閉合框架混凝土結(jié)構(gòu)，斷面尺寸寬×高=7.8m×3.6m，雙洞，混凝土量為24.48m3/m。

暗挖法：初期支護+二次襯砌組合而成的復合式襯砌，斷面尺寸寬×高=15.54m×4.02m，三孔，混凝土量30.79m3/m。

暗挖法采用了復合式襯砌，斷面尺寸較大，斷面混凝土量為頂推法的1.26倍。

4.3.2 工程規(guī)模

頂推法：頂推段長度47m，始發(fā)井長11m，接收井11m，兩側(cè)明挖段各30.1m，建成后暗埋段122m。

暗挖法：暗挖段長度47m，兩側(cè)明挖段各41.1m，建成后暗埋段122m。

兩種工法建成后暗埋段總長一致，由于工法不同，施工過程中暗挖段和明挖段長度略有不同。

4.3.3 路面沉降控制

頂推法：根據(jù)土壓平衡原理，主動土壓力處于動態(tài)平衡，能有效地把持挖掘面穩(wěn)定，引起的地面沉降比較小，地面沉降可控，通過地面沉降觀測，動態(tài)調(diào)整注漿及掘進參數(shù)。

暗挖法：超前加固施工存在不確定因素，超淺埋隧道暗挖易在開挖過程中造成塌陷，開挖、支護及封閉成環(huán)施工轉(zhuǎn)換過程存在一定風險，地面沉降控制難度大。

4.3.4 施工難度及風險

頂推法：作業(yè)周邊土體處于頂管機和管壁支護下，只要采用合理的前方土壓力參數(shù)、出土頂進速度，加強土體改良措施和管壁注漿，作業(yè)安全，安全風險可控。

暗挖法：洞內(nèi)開挖作業(yè)，施工環(huán)境惡劣，機械化程度低，人工勞動強度大，施工速度慢，施工難度相對較大，存在不確定性。

4.3.5 施工質(zhì)量

頂推法：管節(jié)結(jié)構(gòu)工廠化預制，標準化生產(chǎn)，混凝土表觀可達到清水混凝效果，頂進施工機械自動化程度高，掘進精度大，施工誤差可控。

暗挖法：人工洞內(nèi)施工，施工環(huán)境差，結(jié)構(gòu)分段澆筑，二襯施工模板支護難度大，施工質(zhì)量控制難度相對較大。

4.3.6 工期

頂推法：管節(jié)提前預制，減少前期準備時間。頂進階段，每天施工速度3～4.5m，工期短，總工期約為8個月(含前期準備)。

圖2 頂推法平面及豎向布置(單位：m)

圖3 暗挖法平面及豎向布置(單位：m)

暗挖法：施工緩慢，每天施工速度1～1.5m，采用跳倉法施工，工期長，總工期14個月。

工程工期為理想狀況，還需考慮節(jié)假日及特殊會議等其他非技術(shù)性原因停工對工程的影響。停工期間，頂推法中矩形頂管機前方和掌子面貼合，能夠有效地維持掌子面穩(wěn)定，有利于路面沉降的控制。暗挖法中前方掌子面懸空且不存在有效支撐力，不能有效保證掌子面穩(wěn)定，不利于路面沉降控制。

4.3.7 造價

考慮頂管機的攤銷因素，估算兩種施工方法的造價。頂推法合計6311.20萬元；暗挖法合計5911.39萬元(見表3)。

表3 造 價 比 較

續(xù)表

5 結(jié) 語

對該工程兩種設(shè)計方案從橫斷面、工程規(guī)模、路面沉降控制、施工難度及風險、施工質(zhì)量、工期、造價7方面進行比較。結(jié)果顯示，頂推法較暗挖法具有路面沉降控制好、施工風險小、施工質(zhì)量好、工期短且相對有保證等特點，推薦采用頂推法施工。目前，該工程處于設(shè)計階段，具體實施時要根據(jù)現(xiàn)場施工監(jiān)測情況，對施工過程中的各項設(shè)計參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整，以便更好控制地表沉降，保證六環(huán)路安全。