張 振

(上海城建市政工程(集團)有限公司，上海 200333)

0 引言

管幕箱涵法作為一種新興的非開挖工法，先施工帶鎖口的小口徑鋼管形成水平圍護，然后在成型的管幕群中進行箱涵頂進，從而實現大斷面地下空間結構。在常規(guī)箱涵頂進工藝施工中,通過箱涵管節(jié)內預留注漿孔注入以膨潤土為主的復合泥漿，形成泥漿套減小摩阻力已經成為一種普遍的技術措施。國內外學者主要針對頂進觸變泥漿的注漿作用及泥漿的機理進行了大量研究，在減摩工藝上對現場具有一定的指導意義。管幕箱涵法中由于管幕與箱涵之間存在一定的建筑間隙，正面開挖階段往往無法保留間隙內原狀土體，存在一定的超挖現象，常規(guī)的注漿工藝主要圍繞解決箱涵頂進過程中的摩阻力問題，無法有效的保證對上部管幕有著良好的支撐效果，同時大斷面箱涵結構由于運輸及吊裝原因主要采用現場澆筑養(yǎng)護，該階段容易導致漿液失水從而造成的填充量減少并引起上部管幕變形、地面沉降。本文以田林路下穿中環(huán)線地道(中環(huán)線交通節(jié)點改善工程)新建工程為例，介紹了一種超大斷面箱涵頂進注漿施工工藝，通過向鋼管幕和箱涵中間的建筑間隙內注入厚漿及稀漿兩種不同的漿液，在減少箱涵頂進周邊摩阻力同時，還能夠有效的控制地面沉降，確保箱涵的順利施工。

1 工程概況

田林路下穿中環(huán)線地道(中環(huán)線交通節(jié)點改善工程)新建工程地處徐匯區(qū)，該地道打通了被中環(huán)線截斷的田林路，總長度約為1 032.78 m，起點為古美路(西)，終點至桂平路(東)，中間下穿中環(huán)線。下穿中環(huán)線箱涵斷面尺寸為19.8 m長×6.4 m高。穿越中環(huán)段管幕—箱涵平面圖如圖1所示。

鋼管幕由62根帶雌雄口Q235B鋼管(其中頂部鋼管24根，兩側各7根，底部24根)呈口字型分布，每根鋼管86 m長，內徑為80 cm，壁厚1.2 cm。鋼管頂覆土厚度約為6.3 m。鋼管幕外包寬度為21.648 m，垂直高度為8.148 m。

鋼管幕與箱涵間的建筑縫隙擬定為：上部及左右兩側都為10 cm，下部為0。

考慮箱涵井內內部結構以及推進期間的措施，箱涵實際制作長度為89.5 m。在工作井內分5節(jié)制作，首節(jié)13.5 m，2節(jié)～5節(jié)均為19 m，制作一節(jié)頂進一節(jié)。在鋼管幕內開挖掘進的機器采用自主研制的土壓平衡式的箱涵掘進機，能實現開挖面自動平衡，便于管幕段變形與沉降的把控，與鋼管幕一起實現對結構斷面上部土體及地面沉降變形的雙層控制(見圖2)。

2 注漿漿液的主要控制指標及試驗方法

箱涵推進過程中，同步注漿(A漿)與補充注漿(B漿)分為兩個獨立的注漿系統(tǒng)，由于漿液性能指標不同，注漿設備及注漿工藝均具有差異性。其中同步注漿(A漿)采用厚漿，需要同時滿足以下性能要求：

1)泵送性——泵送順暢，不堵管。

2)流動性——快速充填管幕與箱涵之間空隙。

3)支承性——減少地表沉降。

4)潤滑性——降低管幕與箱涵之間的摩阻力，減少推進頂力。

5)長期保水性——長期荷載下保水性能好，確保長期的潤滑性。

其中，泵送性主要依靠注漿設備試驗驗證；流動性以坍落度指標測試；長期保水性以濾失量指標控制；支撐性和潤滑性分別在實驗室內利用圓柱筒試驗及十字板剪切試驗進行測試(見圖3，圖4)，并通過采集六速旋轉流變儀的轉速及扭矩來測試不同配比漿液效果。

補充注漿(B漿)則以稀漿潤滑減摩為主。

兩個系統(tǒng)的注漿漿液主要由膨潤土、高分子添加劑以及分散劑組成。

同步注漿厚漿(A漿)配比參數以密度、坍落度、摩擦阻力系數、失水率(API濾失量)控制。經多次試驗結果得知厚漿漿液密度控制在1.2 g/cm3～1.3 g/cm3，坍落度180 mm～220 mm；摩擦阻力系數0.5 kN/m2～2 kN/m2。API濾失量(1 bar@30 min)：≤15 mL。

補充注漿稀漿(B漿)配比參數以密度、漏斗粘度、塑性粘度、動靜切力控制。經多次試驗結果得知稀漿漿液密度控制在1.03 g/cm3～1.05 g/cm3，漏斗粘度(25±2)s，塑性粘度11 MPa·s～11.5 MPa·s，動切力15 Pa～20 Pa，靜切力(10 min)10 Pa～12 Pa。

實際漿液配置時，根據頂力情況、沉降控制情況，由現場泥漿實驗室進行微調。

3 箱涵注漿施工工藝研究

3.1 箱涵注漿孔布置

箱涵的表面積很大，為了保證機頭尾部的箱涵周邊和土體之間的建筑空隙，能夠隨著機頭的推進及時同步的注滿A漿，故需布置較多的注漿孔和較多的注漿截面，來滿足及時同步的注滿箱涵周邊和土體之間的建筑空隙的設計要求。自機頭尾部與箱涵連接處開始布置首個注漿斷面，并由電動球閥控制該斷面A漿的同步注壓，同時在頂部安裝土壓力計實時監(jiān)控漿液壓力(見圖5)。

由于箱涵推進的過程中，同步注入A漿會逐步損耗，而且已注漿的壓力也會逐步降低。為了保證箱涵體外泥漿的飽滿和壓力，在首個注漿斷面的后續(xù)箱涵管節(jié)中需設置補漿截面和注漿孔。具體布置為每隔3 m布置同步注漿斷面，直至末節(jié)箱涵尾部，根據沉降監(jiān)測情況，以手動控制的方式局部壓注A漿如圖6所示。

另一方面，為減少箱涵頂進阻力，頂進過程中需要根據推力大小、箱涵頂部預埋泥漿壓力盒、沉降監(jiān)測等情況及時補充B漿。考慮到箱涵斷面很大，補充注漿孔也需要布置較多，來滿足補充注漿的設計需求。自機頭尾部首個同步注漿斷面之后，間隔1.5 m布置第一個補充注漿斷面，往后每隔3 m 布置補充注漿斷面。

所有注漿孔均采用鋼管預埋在箱涵結構內，厚漿注漿孔為D50規(guī)格，稀漿注漿孔為D25規(guī)格。其中首個同步注漿斷面中的注漿管內接口安裝縮節(jié)用于安裝電磁閥。厚漿注漿管出口處應設置一個鋼板擋環(huán)，注漿管位于鋼板擋環(huán)的下方，使得注出的減摩泥漿能均勻向后注出，避免直接沖擊土層。

3.2 厚漿注入工藝

同步注漿采用厚漿，僅在首個截面進行，后續(xù)斷面均為補漿斷面，由于首個截面的注漿孔較多，故采用分組多泵注漿的設計。全截面共劃分為4組分別用4個注漿泵注漿，同步注漿只注頂排和側排，注漿孔分組如圖7所示。

同步注漿采用4臺專用泵，為SYB120/10型黏土輸送泵(見圖8)，其排量最大可達到120 L/min，壓力最大可達10 MPa，為恒功率輸送型泵，電機功率30 kW。

在黏土輸送泵外配備一臺專用黏土輸送站，該系統(tǒng)由自動上料系統(tǒng)+拌合機+輸送泵組成，首先在上料系統(tǒng)中設定各組成材料的量值和添加順序，然后進入到拌合機中自動攪拌，經過預設定的拌合時間后，漿液可通過箱涵內管道和手動或電動漿液閘閥，分別輸送到4臺黏土輸送泵中。在箱涵推進施工期間，4臺黏土輸送泵均可移動，在下放混凝土頂塊以及箱涵澆筑推進停滯期間，根據監(jiān)測情況，通過移動輸送泵在A漿孔中補充注漿(見圖9)。

3.3 稀漿注漿注入工藝

頂進過程中需要根據推力大小、箱涵頂部預埋泥漿壓力盒、沉降監(jiān)測等情況及時補充B漿。箱涵頂進過程中，B漿的注入主要在機頭尾部3 m處的首個稀漿注漿斷面，每臺班通注一次。箱涵澆筑推進停滯期間，根據頂進距離，在合適的斷面處進行補漿，每天循環(huán)2次。

稀漿注漿斷面共計24個注漿孔，一個單球閥控制3個注漿孔。采用兩臺注漿設備，各負責一半區(qū)域4個球閥處的注漿，單球閥的注漿時間為30 s。稀漿的注漿泵采用普通的往復式活塞泵(見圖10)。

3.4 注漿量及注漿壓力

機頭尾部與箱涵連接處開始布置的首個同步注漿斷面為注漿重點，在一個1.5 m頂程范圍內，全部注滿建筑空隙?？紤]最不利情況，即機頭背土現象，箱涵和管幕之間的10 cm土體部分或全部流失。考慮管幕的止水密封性能，注漿充盈系數選為2。

正常情況下，建筑空隙為機頭與箱涵之間的2 cm間隙，但如果發(fā)生機頭背土現象，箱涵和管幕之間的10 cm土體部分或全部流失。另外，與常規(guī)的頂管或盾構施工中同步注漿量控制方法不同，由于管幕的止水密封性能，漿液在注入至建筑空隙后，消散時間很長，因此對充盈系數的選取應合理。

頂進速度20 mm/min～30 mm/min，首斷面由4個固定泵控制，每個泵控制3個注漿孔，設計單孔注漿時間為1 min，間隔時間2 min，即一次循環(huán)時間為3 min(3號泵和4號泵負責頂部側面的2孔及其余側面底面的注漿孔，單個循環(huán)時間內，頂板上2孔分別注漿1 min，剩余的1 min為其他孔注漿)。

假設：單孔在1 min注漿時間里(單次循環(huán)時間)負責縱向上12 cm長度范圍，橫向上負責2 m范圍。

單次循環(huán)，頂板每孔需注漿方量：0.12×2×0.1×3=0.072 m3(要求注漿泵流量不小于0.072 m3/min)。側墻上注漿孔每孔需注漿方量：3.2×0.02×0.12×3=0.023 m3(要求注漿泵流量不小于0.069 m3/min，20 s每個側孔，底排注漿在剩余20 s內完成)。

一節(jié)頂鐵頂進距離(1.5 m)的范圍內，總共有13個循環(huán)期，單泵需要的注漿量：1號、2號注漿泵：13×3×0.072=2.808 m3；3號、4號注漿泵：13×(2×0.072+2×0.023)=2.47 m3。

補充注漿通過B漿注漿孔，根據推力大小、箱涵頂部預埋泥漿壓力盒、沉降監(jiān)測等情況在箱涵頂進期間選擇性的手動補充B漿。

注漿量與注漿壓力均應該通過上排管幕的監(jiān)測數據進行及時調整。

3.5 固化注漿防沉降控制

箱涵施工結束后，進行箱涵周圍泥漿固化，置換掉箱涵與管幕間的泥漿，防止中環(huán)線下的地下管線和中環(huán)線主路面出現較大的工后沉降。

需置換泥漿采用水泥和粉煤灰混合，后者占30%。在箱涵周圍形成水泥漿套承擔上部荷載。箱涵四周每隔6 m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3 cm以內，待水泥漿凝固后，相當于每隔6 m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 應用情況

田林路下穿中環(huán)線地道(中環(huán)線交通節(jié)點改善工程)新建工程全部箱涵頂進結束后，從圖11可以看出，曲線的總體規(guī)律是隨著推進長度的增長不斷變大的。箱涵推進在第5節(jié)箱涵啟推時達到最大，為6 687 t。我們算得實際的箱涵周邊摩阻力為5 kN/m2，相比基于保守理論計算得到的20 kN/m2小了75%，這也意味著管幕和箱涵之間建立了良好的泥漿減阻體系，管幕的內插型鎖口保住了從箱涵向外注的減阻泥漿，使得泥漿潤滑得以持續(xù)發(fā)揮作用。同時，地面沉降在厚漿的支撐保護下總體也控制在1 cm以內，實現了工程目標。

5 結語

根據田林路下穿中環(huán)線地道(中環(huán)線交通節(jié)點改善工程)新建工程箱涵頂進過程中，厚、稀兩種漿液的應用，結合施工地面監(jiān)測及箱涵頂力數據分析，得到以下結論：

1)箱涵頂進過程中采用厚漿作為主要同步注漿漿液，具有良好的支承性、保水性，能夠有效解決單一稀漿承載力不足的問題，有利于超大斷面箱涵頂進過程中地面沉降的控制。

2)稀漿補充注漿具有良好的潤滑減摩作用，解決了箱涵結構制作過程中長時間停機導致厚漿失水固結，泥漿套失效的風險。

3)厚、稀漿組合泥漿模式比傳統(tǒng)的單一復合泥漿在同類型的大斷面箱涵頂進施工過程中安全性更高，沉降控制效果更好。