明挖衡重式頂進(jìn)技術(shù)在上穿地鐵河道施工中的應(yīng)用

(北京通成達(dá)水務(wù)建設(shè)有限公司，北京 101300)

按照城市副中心行政辦公區(qū)規(guī)劃方案，在辦公區(qū)中軸線附近新建河道，承擔(dān)區(qū)域內(nèi)灌溉排澇功能，同時滿足景觀要求。根據(jù)設(shè)計圖紙，新建河道在運(yùn)河?xùn)|大街處要垂直上穿地鐵6號線，二者豎向凈距4.6m。為保證6號線安全暢通運(yùn)行，施工期間，地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形不能大于2.5mm，傳統(tǒng)的大開挖式河道施工方法無法滿足要求。為解決這一難題，現(xiàn)場技術(shù)人員經(jīng)過多方考察、試驗(yàn)和計算，將頂進(jìn)和明挖兩種方案融合，研究確定了一套明挖衡重式頂進(jìn)工藝。

1 技術(shù)要點(diǎn)

1.1 預(yù)制U形槽設(shè)計

為保證河道的排澇和景觀要求，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條件，將上穿地鐵段河道按照原斷面尺寸，設(shè)計為預(yù)制鋼筋混凝土U形槽結(jié)構(gòu)。一般因河道斷面較大，預(yù)制槽體不適合運(yùn)輸和吊裝，因此在現(xiàn)場進(jìn)行預(yù)制。

本工程受施工場地限制，僅具備預(yù)制單節(jié)U形槽條件，需第一節(jié)U形槽頂出后，再預(yù)制第二節(jié)U形槽。U形槽結(jié)構(gòu)底板厚1.2m，側(cè)墻厚1m，內(nèi)凈寬23m，全寬25m，每段長20m， U形槽斷面如圖1所示。

圖1 頂進(jìn)段河道結(jié)構(gòu)斷面示意圖

1.2 衡重壓載

為了滿足地鐵線路2.5mm的變形控制要求，必須對開挖斷面土體的卸載量進(jìn)行彌補(bǔ)，從密度、體積及河道斷面綜合考慮，本工程選用鋼錠作為壓載物，并根據(jù)斷面形式，設(shè)計定制了異形塊。

1.3 明挖頂進(jìn)施工

待U形槽結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，在底板上壓載配重，在頂進(jìn)過程中，為保證地鐵線路變形控制在2.5mm內(nèi)，必須確保在土體卸載的同時進(jìn)行結(jié)構(gòu)和配重的壓載，因此在施工過程中，設(shè)置長臂挖掘機(jī)在U形槽前端，邊頂進(jìn)邊開挖前方土體，并根據(jù)結(jié)構(gòu)頂進(jìn)的偏差情況及時改進(jìn)挖土方法。

2 頂力計算及頂鎬、鋼錠配重布置

2.1 頂力計算

河道U形槽頂進(jìn)時，必須克服結(jié)構(gòu)與土壤之間的摩擦阻力，這些阻力即為頂進(jìn)施工時所需的頂力。頂力是根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、頂進(jìn)長度、土質(zhì)、地下水情況及施工方法等因素確定的。本次頂進(jìn)施工，結(jié)構(gòu)頂部無覆土，頂進(jìn)時的阻力主要來自結(jié)構(gòu)本身、永久配重及土體。

2.1.1 設(shè)計永久配重

a.經(jīng)過計算，40m河道的土方開挖卸載量為9632t。

b.混凝土結(jié)構(gòu)總重量

G=V×ρ

式中G——混凝土結(jié)構(gòu)總重量，kg；

V——混凝土結(jié)構(gòu)總體積，m3；

ρ——混凝土結(jié)構(gòu)密度，kg/m3。

經(jīng)計算：G=3869900kg≈3870t

c.除去混凝土U形槽結(jié)構(gòu)總重量，結(jié)構(gòu)底板頂需設(shè)置5762t永久配重鋼錠。

2.1.2 頂力計算

E=(e1+e2) ×H×L/2

P=K[N1×f1+(N1+N2)×f2+2×E×f3+R×A]

式中E——箱涵單側(cè)主動土壓力,kN。

頂部土壓力e1=ξ×γ×H1，不予考慮；

底部土壓力e2=ξ×γ×H2，ξ取0.3，γ取19kN/m3，H2為地面至箱底高度，H2=H=5.007m，L為U形槽河道長度40m，

計算得出：E=2857.99kN

P——頂力,kN；

K——安全系數(shù)，取K=1.2；

N1——涵頂上荷載；N1max=0kN；

f1——涵頂荷載與涵頂摩擦系數(shù)，取0.3；

N2——箱涵荷載(含箱涵內(nèi)鋼錠及施工荷載)，N2=57619+38699+100=96418kN；

f2——箱涵底板與地基土摩擦系數(shù)，取0.8；

f3——箱涵側(cè)邊與地基土摩擦系數(shù)，取0.8；

R——刃角正面阻力，取550kP；

A——刃角正面積，取7.2m2。

計算得出：P=102800kN，換算約為10280t。

2.2 頂鎬布置

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，U形槽兩節(jié)之間設(shè)中繼間。

根據(jù)公式N×X×P1≥P，式中N為頂鎬個數(shù)，X系數(shù)一般取0.6，P1為頂鎬設(shè)計頂力500t，P代表單節(jié)最大頂力值5140t,計算得出N=17.1，則第一節(jié)頂進(jìn)時需設(shè)置18臺千斤頂，第二節(jié)加入后，中繼間內(nèi)另外設(shè)置18臺千斤頂。

為確保頂進(jìn)過程安全、有效、快速、順利完成，本工程除配備36臺500t千斤頂外，另有10臺同規(guī)格千斤頂備用。

設(shè)備布置是否恰當(dāng)，關(guān)系到頂進(jìn)的成效，因此，安裝前，對液壓系統(tǒng)的各部件應(yīng)進(jìn)行單體實(shí)驗(yàn)，合格后方可安裝。

千斤頂布置示意如圖2和圖3：

圖2 后背千斤頂設(shè)置示意圖

圖3 中繼間千斤頂設(shè)置示意圖

2.3 鋼錠配重擺放

頂進(jìn)施工前，準(zhǔn)備好配重所需施工機(jī)械設(shè)備，在結(jié)構(gòu)底板上均勻放置鋼錠。

底板上的鋼錠采用吊車吊入基坑內(nèi)，叉車進(jìn)行鋪設(shè)，正式頂進(jìn)前，需將所有鋼錠放置完畢。另外備用100t臨時配重，根據(jù)監(jiān)測情況，靈活布置。

鋼錠排放布置情況如圖4和圖5。

圖4 U形槽鋼錠布置斷面示意圖

圖5 U形槽鋼錠布置縱斷面示意圖

3 施工工藝操作要點(diǎn)

3.1 滑板施工

滑板是提供承載、潤滑功能的混凝土結(jié)構(gòu)物，滑板兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)向墩。

3.1.1 施工工藝流程

測量放線確定滑板頂高程→鋼筋綁扎(留出與后背錨固鋼筋)→澆筑混凝土→養(yǎng)護(hù)→設(shè)置潤滑層和隔離層→澆筑隔離層保護(hù)層。

3.1.2 施工要求

a.滑板應(yīng)滿足預(yù)制U形槽結(jié)構(gòu)所需強(qiáng)度及穩(wěn)定要求。

b.為加強(qiáng)頂進(jìn)后背力量，在滑床板靠近后背處預(yù)留不小于1.5m長鋼筋，深入到后背范圍，待頂進(jìn)后背施工時，與其一起澆筑，使滑板與后背形成一體。

c.結(jié)合地質(zhì)資料，確定是否在滑板施工時預(yù)留坡度及防扎頭措施，比如在滑板制作時將其標(biāo)高整體抬高5cm并將滑板設(shè)置成前高后低的1‰～5‰的仰坡,以防止頂進(jìn)時因土質(zhì)原因造成扎頭等。

d.鋪設(shè)3mm厚的3∶7機(jī)油和滑石粉的混合料作為潤滑層。

3.2 試頂

頂進(jìn)的實(shí)施是整個工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此開頂前應(yīng)進(jìn)行試頂，試頂頂力一般約為頂進(jìn)結(jié)構(gòu)自重的 0.4～0.8倍，但開始起動時不應(yīng)突然增到此數(shù)值，而應(yīng)使頂鎬同步逐漸加壓，最好是每次升到一定壓力后穩(wěn)定幾分鐘，并對設(shè)備及滑板，特別是后背和頂進(jìn)的結(jié)構(gòu)體進(jìn)行檢查，如一切正常，方可再次加壓。

試頂工作以頂動結(jié)構(gòu)為止，在試頂時加強(qiáng)結(jié)構(gòu)中線、水平和縱向位移的觀察，同時注意觀察后背和底板的變化。

在加壓過程中，如油壓突然下降，一是表明結(jié)構(gòu)已脫離滑板開始移動，這時則可續(xù)頂進(jìn)；二是后背或框架出現(xiàn)變形，這時應(yīng)停止頂進(jìn)，分析變形原因，采取加固措施。

當(dāng)頂力達(dá)到0.8倍結(jié)構(gòu)自重時結(jié)構(gòu)未啟動，立即停止頂進(jìn)，找出原因采取措施后重新加壓頂進(jìn)。

3.3 頂進(jìn)挖土

頂進(jìn)過程中挖土采用長臂挖掘機(jī)及1臺PC220挖掘機(jī)，另外備用1臺挖掘機(jī)以滿足施工要求。挖掘機(jī)位于頂進(jìn)段的前方，采用后退式挖土，邊頂邊開挖前方土體。

3.4 結(jié)構(gòu)頂進(jìn)

頂進(jìn)前，在結(jié)構(gòu)側(cè)墻四個角點(diǎn)設(shè)置水平標(biāo)高觀測點(diǎn)，沿軸線在兩端設(shè)置中線位移觀測點(diǎn)，用于標(biāo)高和位移偏差的觀測和糾偏。

頂進(jìn)過程中，進(jìn)行跟蹤測量，每頂進(jìn)一次測量一次，方向測量隨時進(jìn)行，根據(jù)方向調(diào)整好頂鎬頂力，隨時糾偏。糾偏方法以調(diào)節(jié)兩側(cè)頂力為主。

頂進(jìn)過程中做到隨挖隨頂。挖好的工作面不得長時間暴露，嚴(yán)禁超前挖土。

頂進(jìn)過程中，頂鐵與千斤頂須處于同一軸線上，為防止縱向頂鐵過長失穩(wěn)，每隔4m設(shè)一道橫向聯(lián)結(jié)系，以提高橫向穩(wěn)定性。

頂進(jìn)作業(yè)允許偏差如表1所列。

表1 頂進(jìn)允許偏差 單位：mm

3.5 測量控制

測量控制是頂進(jìn)施工的重要組成部分，它直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)物的就位精度。每完成一個頂程，就要進(jìn)行一次水準(zhǔn)測量，以便及時掌握結(jié)構(gòu)的坡度變化情況。方向觀測一般以結(jié)構(gòu)中線基樁為原點(diǎn)，用全站儀設(shè)置頂進(jìn)觀測站和觀測基點(diǎn)，頂進(jìn)時在觀測站內(nèi)架設(shè)全站儀，進(jìn)行連續(xù)觀測，以便隨時糾偏。

3.6 結(jié)構(gòu)方向糾正

3.6.1 左右糾偏方法

a.用增減一側(cè)千斤頂?shù)捻斄Α?/p>

b.開動兩邊高壓油泵調(diào)整。

c.后背頂鐵調(diào)整。

d.可在前端一側(cè)超挖，另一側(cè)少挖土或不挖來調(diào)整方向。

e.在結(jié)構(gòu)前端加橫向支撐來調(diào)整。

3.6.2 糾正結(jié)構(gòu)“抬頭”的方法

當(dāng)結(jié)構(gòu)“抬頭”量不大時，可將結(jié)構(gòu)前開挖面挖到與結(jié)構(gòu)底面平或稍作超挖。如“抬頭”量較大，則多超挖一些，在頂進(jìn)中逐步調(diào)整。

3.6.3 糾正“扎頭”的方法

a.挖土?xí)r，開挖面基底保持在箱身底面以上8～10cm，利用船頭坡將高出部分土壤壓入結(jié)構(gòu)底，糾正“扎頭”。

b.如基底土壤較松軟時，可采用換鋪20～30cm厚的卵石、碎石、混凝土碎塊、混凝土板、澆筑速凝混凝土等方法加固地基，增加承載力，借以糾正“扎頭”。

c.增加結(jié)構(gòu)后端平衡壓重，改變結(jié)構(gòu)前端土壤受力狀態(tài)，達(dá)到糾正“扎頭”的目的，但應(yīng)注意增加重量后要逐步卸載，否則會出現(xiàn)“抬頭”現(xiàn)象，同理亦可用于糾正“抬頭”現(xiàn)象。

d.在澆筑滑板時設(shè)有前高后低的滑板仰坡，保證在出現(xiàn)扎頭的情況下，結(jié)構(gòu)也能落到預(yù)期位置。

3.7 施工監(jiān)控及監(jiān)測

3.7.1 頂進(jìn)過程姿態(tài)控制

頂進(jìn)前，為了可以更好地控制結(jié)構(gòu)的姿態(tài)，在結(jié)構(gòu)側(cè)墻設(shè)置高程控制點(diǎn)；中線控制點(diǎn)設(shè)置在結(jié)構(gòu)頂進(jìn)方向的南、北兩端。且為了保證頂進(jìn)精度，基點(diǎn)距離必須大于實(shí)際頂程，頂進(jìn)時在觀測站內(nèi)架設(shè)全站儀，進(jìn)行連續(xù)觀測，以便隨時糾偏。

頂進(jìn)結(jié)構(gòu)姿態(tài)控制點(diǎn)布置圖，見圖6。

圖6 頂進(jìn)結(jié)構(gòu)姿態(tài)控制點(diǎn)布置

3.7.2 施工期間對地鐵隧道的監(jiān)控

根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50911—2013)，臨近城市軌道交通地下線路的監(jiān)測項(xiàng)目如表2所列。

表2 監(jiān)測項(xiàng)目

地鐵監(jiān)測由第三方監(jiān)測，本工程給出的地鐵6號線郝家府及區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)變形控制值為2.5mm。

4 施工效果

4.1 第一節(jié)施工

河道U形槽第一節(jié)共頂進(jìn)21.5m，根據(jù)第三方監(jiān)測數(shù)據(jù)，地鐵隧道左線結(jié)構(gòu)總變形最大點(diǎn)為ZZD10，變形量為+1.94mm，自頂進(jìn)累計上浮最大點(diǎn)為ZZD10，頂進(jìn)階段累計上浮量為+1.09mm，總累計值為+1.94mm；地鐵隧道右線結(jié)構(gòu)總變形最大點(diǎn)為YZD11，變形量為+1.48mm。

4.2 第二節(jié)施工

待第二節(jié)結(jié)構(gòu)預(yù)制完成，頂進(jìn)2m，與第一節(jié)之間形成中繼間后開始一起頂進(jìn)，至就位完成。根據(jù)第三方監(jiān)測數(shù)據(jù)，地鐵隧道左線結(jié)構(gòu)總變形最大點(diǎn)為ZZD9，變形量為+1.97mm，自頂進(jìn)累計上浮最大點(diǎn)為ZZD13，頂進(jìn)階段累計上浮量為+1.16mm，總累計值為+1.96mm；地鐵隧道右線結(jié)構(gòu)總變形最大點(diǎn)為YZD11，變形量為+1.84mm，自頂進(jìn)累計上浮最大點(diǎn)為YZD12，頂進(jìn)階段累計上浮量為+0.99mm，總累計值為+1.80mm。

4.3 總體效果

截至2018年3月15日，地鐵隧道結(jié)構(gòu)豎向累計變形最大點(diǎn)為ZZD13，變形量為+1.92mm，均小于控制值2.5mm。說明采用本技術(shù)后，對地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形擾動較小，確保了地鐵6號線安全暢通運(yùn)行。

5 結(jié) 論

明挖衡重式頂進(jìn)技術(shù)針對河道上穿地鐵施工，創(chuàng)新性地按河道斷面預(yù)制鋼筋混凝土U形槽，對開挖土體的卸載采用配重進(jìn)行彌補(bǔ)，利用頂進(jìn)設(shè)備和挖掘機(jī)配合，隨挖隨頂，成功將既有線路(地鐵6號線)的變形控制在2.5mm以內(nèi)。實(shí)踐證明，該施工工藝能夠滿足地下既有線路變形控制精度高、地上開挖斷面大的線性工程施工需要，具有良好的社會效益和應(yīng)用價值。