超大斷面箱涵頂進(jìn)注漿施工工藝研究

張 振

(上海城建市政工程(集團(tuán))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(hù)，然后在成型的管幕群中進(jìn)行箱涵頂進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)大斷面地下空間結(jié)構(gòu)。在常規(guī)箱涵頂進(jìn)工藝施工中,通過箱涵管節(jié)內(nèi)預(yù)留注漿孔注入以膨潤土為主的復(fù)合泥漿，形成泥漿套減小摩阻力已經(jīng)成為一種普遍的技術(shù)措施。國內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)頂進(jìn)觸變泥漿的注漿作用及泥漿的機(jī)理進(jìn)行了大量研究，在減摩工藝上對(duì)現(xiàn)場具有一定的指導(dǎo)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(nèi)原狀土體，存在一定的超挖現(xiàn)象，常規(guī)的注漿工藝主要圍繞解決箱涵頂進(jìn)過程中的摩阻力問題，無法有效的保證對(duì)上部管幕有著良好的支撐效果，同時(shí)大斷面箱涵結(jié)構(gòu)由于運(yùn)輸及吊裝原因主要采用現(xiàn)場澆筑養(yǎng)護(hù)，該階段容易導(dǎo)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(diǎn)改善工程)新建工程為例，介紹了一種超大斷面箱涵頂進(jìn)注漿施工工藝，通過向鋼管幕和箱涵中間的建筑間隙內(nèi)注入厚漿及稀漿兩種不同的漿液，在減少箱涵頂進(jìn)周邊摩阻力同時(shí)，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(diǎn)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?cái)嗟奶锪致罚傞L度約為1 032.78 m，起點(diǎn)為古美路(西)，終點(diǎn)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(cè)各7根，底部24根)呈口字型分布，每根鋼管86 m長，內(nèi)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(cè)都為10 cm，下部為0。

考慮箱涵井內(nèi)內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及推進(jìn)期間的措施，箱涵實(shí)際制作長度為89.5 m。在工作井內(nèi)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(jìn)一節(jié)。在鋼管幕內(nèi)開挖掘進(jìn)的機(jī)器采用自主研制的土壓平衡式的箱涵掘進(jìn)機(jī)，能實(shí)現(xiàn)開挖面自動(dòng)平衡，便于管幕段變形與沉降的把控，與鋼管幕一起實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)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(biāo)及試驗(yàn)方法

箱涵推進(jìn)過程中，同步注漿(A漿)與補(bǔ)充注漿(B漿)分為兩個(gè)獨(dú)立的注漿系統(tǒng)，由于漿液性能指標(biāo)不同，注漿設(shè)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(shí)滿足以下性能要求：

1)泵送性——泵送順暢，不堵管。

2)流動(dòng)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(jìn)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(shè)備試驗(yàn)驗(yàn)證；流動(dòng)性以坍落度指標(biāo)測試；長期保水性以濾失量指標(biāo)控制；支撐性和潤滑性分別在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用圓柱筒試驗(yàn)及十字板剪切試驗(yàn)進(jìn)行測試(見圖3，圖4)，并通過采集六速旋轉(zhuǎn)流變儀的轉(zhuǎn)速及扭矩來測試不同配比漿液效果。

補(bǔ)充注漿(B漿)則以稀漿潤滑減摩為主。

兩個(gè)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(shù)以密度、坍落度、摩擦阻力系數(shù)、失水率(API濾失量)控制。經(jīng)多次試驗(yàn)結(jié)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(shù)0.5 kN/m2～2 kN/m2。API濾失量(1 bar@30 min)：≤15 mL。

補(bǔ)充注漿稀漿(B漿)配比參數(shù)以密度、漏斗粘度、塑性粘度、動(dòng)靜切力控制。經(jīng)多次試驗(yàn)結(jié)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(dòng)切力15 Pa～20 Pa，靜切力(10 min)10 Pa～12 Pa。

實(shí)際漿液配置時(shí)，根據(jù)頂力情況、沉降控制情況，由現(xiàn)場泥漿實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行微調(diào)。

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(jī)頭尾部的箱涵周邊和土體之間的建筑空隙，能夠隨著機(jī)頭的推進(jìn)及時(shí)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(shí)同步的注滿箱涵周邊和土體之間的建筑空隙的設(shè)計(jì)要求。自機(jī)頭尾部與箱涵連接處開始布置首個(gè)注漿斷面，并由電動(dòng)球閥控制該斷面A漿的同步注壓，同時(shí)在頂部安裝土壓力計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)控漿液壓力(見圖5)。

由于箱涵推進(jìn)的過程中，同步注入A漿會(huì)逐步損耗，而且已注漿的壓力也會(huì)逐步降低。為了保證箱涵體外泥漿的飽滿和壓力，在首個(gè)注漿斷面的后續(xù)箱涵管節(jié)中需設(shè)置補(bǔ)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(jù)沉降監(jiān)測情況，以手動(dòng)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(jìn)阻力，頂進(jìn)過程中需要根據(jù)推力大小、箱涵頂部預(yù)埋泥漿壓力盒、沉降監(jiān)測等情況及時(shí)補(bǔ)充B漿。考慮到箱涵斷面很大，補(bǔ)充注漿孔也需要布置較多，來滿足補(bǔ)充注漿的設(shè)計(jì)需求。自機(jī)頭尾部首個(gè)同步注漿斷面之后，間隔1.5 m布置第一個(gè)補(bǔ)充注漿斷面，往后每隔3 m 布置補(bǔ)充注漿斷面。

所有注漿孔均采用鋼管預(yù)埋在箱涵結(jié)構(gòu)內(nèi)，厚漿注漿孔為D50規(guī)格，稀漿注漿孔為D25規(guī)格。其中首個(gè)同步注漿斷面中的注漿管內(nèi)接口安裝縮節(jié)用于安裝電磁閥。厚漿注漿管出口處應(yīng)設(shè)置一個(gè)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(gè)截面進(jìn)行，后續(xù)斷面均為補(bǔ)漿斷面，由于首個(gè)截面的注漿孔較多，故采用分組多泵注漿的設(shè)計(jì)。全截面共劃分為4組分別用4個(gè)注漿泵注漿，同步注漿只注頂排和側(cè)排，注漿孔分組如圖7所示。

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

在黏土輸送泵外配備一臺(tái)專用黏土輸送站，該系統(tǒng)由自動(dòng)上料系統(tǒng)+拌合機(jī)+輸送泵組成，首先在上料系統(tǒng)中設(shè)定各組成材料的量值和添加順序，然后進(jìn)入到拌合機(jī)中自動(dòng)攪拌，經(jīng)過預(yù)設(shè)定的拌合時(shí)間后，漿液可通過箱涵內(nèi)管道和手動(dòng)或電動(dòng)漿液閘閥，分別輸送到4臺(tái)黏土輸送泵中。在箱涵推進(jìn)施工期間，4臺(tái)黏土輸送泵均可移動(dòng)，在下放混凝土頂塊以及箱涵澆筑推進(jìn)停滯期間，根據(jù)監(jiān)測情況，通過移動(dòng)輸送泵在A漿孔中補(bǔ)充注漿(見圖9)。

3.3 稀漿注漿注入工藝

頂進(jìn)過程中需要根據(jù)推力大小、箱涵頂部預(yù)埋泥漿壓力盒、沉降監(jiān)測等情況及時(shí)補(bǔ)充B漿。箱涵頂進(jìn)過程中，B漿的注入主要在機(jī)頭尾部3 m處的首個(gè)稀漿注漿斷面，每臺(tái)班通注一次。箱涵澆筑推進(jìn)停滯期間，根據(jù)頂進(jìn)距離，在合適的斷面處進(jìn)行補(bǔ)漿，每天循環(huán)2次。

稀漿注漿斷面共計(jì)24個(gè)注漿孔，一個(gè)單球閥控制3個(gè)注漿孔。采用兩臺(tái)注漿設(shè)備，各負(fù)責(zé)一半?yún)^(qū)域4個(gè)球閥處的注漿，單球閥的注漿時(shí)間為30 s。稀漿的注漿泵采用普通的往復(fù)式活塞泵(見圖10)。

3.4 注漿量及注漿壓力

機(jī)頭尾部與箱涵連接處開始布置的首個(gè)同步注漿斷面為注漿重點(diǎn)，在一個(gè)1.5 m頂程范圍內(nèi)，全部注滿建筑空隙。考慮最不利情況，即機(jī)頭背土現(xiàn)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(shù)選為2。

正常情況下，建筑空隙為機(jī)頭與箱涵之間的2 cm間隙，但如果發(fā)生機(jī)頭背土現(xiàn)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(gòu)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(shí)間很長，因此對(duì)充盈系數(shù)的選取應(yīng)合理。

頂進(jìn)速度20 mm/min～30 mm/min，首斷面由4個(gè)固定泵控制，每個(gè)泵控制3個(gè)注漿孔，設(shè)計(jì)單孔注漿時(shí)間為1 min，間隔時(shí)間2 min，即一次循環(huán)時(shí)間為3 min(3號(hào)泵和4號(hào)泵負(fù)責(zé)頂部側(cè)面的2孔及其余側(cè)面底面的注漿孔，單個(gè)循環(huán)時(shí)間內(nèi)，頂板上2孔分別注漿1 min，剩余的1 min為其他孔注漿)。

假設(shè)：單孔在1 min注漿時(shí)間里(單次循環(huán)時(shí)間)負(fù)責(zé)縱向上12 cm長度范圍，橫向上負(fù)責(zé)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(cè)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(gè)側(cè)孔，底排注漿在剩余20 s內(nèi)完成)。

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

補(bǔ)充注漿通過B漿注漿孔，根據(jù)推力大小、箱涵頂部預(yù)埋泥漿壓力盒、沉降監(jiān)測等情況在箱涵頂進(jìn)期間選擇性的手動(dòng)補(bǔ)充B漿。

注漿量與注漿壓力均應(yīng)該通過上排管幕的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

3.5 固化注漿防沉降控制

箱涵施工結(jié)束后，進(jìn)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(xiàn)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(dān)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(nèi)，待水泥漿凝固后，相當(dāng)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(yīng)用情況

田林路下穿中環(huán)線地道(中環(huán)線交通節(jié)點(diǎn)改善工程)新建工程全部箱涵頂進(jìn)結(jié)束后，從圖11可以看出，曲線的總體規(guī)律是隨著推進(jìn)長度的增長不斷變大的。箱涵推進(jìn)在第5節(jié)箱涵啟推時(shí)達(dá)到最大，為6 687 t。我們算得實(shí)際的箱涵周邊摩阻力為5 kN/m2，相比基于保守理論計(jì)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(nèi)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(shí)，地面沉降在厚漿的支撐保護(hù)下總體也控制在1 cm以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了工程目標(biāo)。

5 結(jié)語

根據(jù)田林路下穿中環(huán)線地道(中環(huán)線交通節(jié)點(diǎn)改善工程)新建工程箱涵頂進(jìn)過程中，厚、稀兩種漿液的應(yīng)用，結(jié)合施工地面監(jiān)測及箱涵頂力數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論：

1)箱涵頂進(jìn)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(jìn)過程中地面沉降的控制。

2)稀漿補(bǔ)充注漿具有良好的潤滑減摩作用，解決了箱涵結(jié)構(gòu)制作過程中長時(shí)間停機(jī)導(dǎo)致厚漿失水固結(jié)，泥漿套失效的風(fēng)險(xiǎn)。

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