近接地下箱涵頂進施工技術研究

滿建泰

（中鐵十六局集團有限公司，北京 100018）

隨著我國城市化快速發展，地下箱涵與地鐵線路交叉施工的情況頻繁出現，在地下箱涵上穿既有地鐵線路常采用頂進施工。

在箱涵頂進應用方面，最早可追溯至1957年德國奧芬堡市的2.5m×2.4m 鋼筋混凝土箱涵下穿既有鐵路線的頂進施工，至20 世紀末，波士頓25m×12m 的3 座當時世界上截面和施工難度最大的預制箱涵頂進就位，標志著箱涵頂進技術的應用在歐美國家達到頂峰。另外，日本也于1970 年代開始了對箱涵頂進施工的研究，并相繼研發了FJ（front jacking）、URT（Under Railway Tunneling）等工法，其中FJ 工法在47m×19.8m×7.33m 的大斷面箱涵頂進施工中得到成功應用。我國箱涵頂進技術的應用與研究起步于20 世紀60 年代初期，經過60 余年的發展，已成功克服單倉箱涵下穿既有管線、雙倉箱涵下穿河床等施工難題，并在箱涵應力、支護變形、既有管線沉降等不同工況下因箱涵頂進引起的各類變形規律進行了理論分析研究。但是針對上穿既有地鐵線路的兩個近接地下箱涵先后頂進施工的工程實例及相關研究鮮有報道，因此，本文以近接箱涵頂進為研究對象開展相關研究以期為后續類似工程的施工提供經驗借鑒。

1 工程概況

北京某地下箱涵總長996m，其中40m 長度范圍內的箱涵需穿越既有地鐵線的雙線盾構區間，穿越既有地鐵線路的上下行線隧洞投影的長度為21m，箱涵底板與既有地鐵線隧洞頂部的凈距離為3.96m，為防止明挖基坑、地下水對既有地鐵線路結構造成上浮，40m 長度范圍內采用預制箱涵頂進施工方案，先后頂進的地下箱涵間距500mm，箱涵與既有地鐵線路位置關系如圖1 所示。

圖1 箱涵與既有地鐵線路位置關系圖

施工場地地處潮白河沖積洪積扇中下部，整體地形較平坦，表層0.50～5.30m 以粘質粉土素填土、粉質粘土素填土及房渣土等人工堆積而成，其下為新近沉積的粉質粘土、重粉質粘土，粘質粉土、砂質粉土及重粉質粘土、粘土；粉砂、細砂及粘質粉土、砂質粉土。場地內不良地質主要為地震液化，液化土層：粘質粉土、砂質粉土②1 層及粉砂、細砂③層，其液化等級為輕微～中等，局部嚴重。

施工場地地下主要為第一層潛水和第二層承壓水，潛水普遍分布于場區內，水位標高為8.48～11.59m。主要存于粘質粉土、砂質粉土②1層，粉砂、細砂③層，細砂、粉砂④1 層，細砂、中砂④層和中砂、細砂⑤層中，該層地下水受周邊大量在建工程的降水影響，穩定水位在本工程范圍內存在較大幅度的下降，對本工程有利。

2 施工難點

1）土體加固可能存在盲區 頂進施工段范圍內的地層主要為粘質粉土和砂質粉土，易液化，在頂進過程中，因注漿加固可能存在盲區而發生土體流動對箱涵產生擠壓。

2）既有地鐵線路保護要求高 既有線路長期變形控制值為：豎向上浮預警值為1.4mm、報警值為1.6mm、控制值為2mm；橫向變形預警值為1.4mm、報警值為1.6mm、控制值為2mm；變形速率小于0.2mm/h。施工中對既有線路土體產生的擾動影響范圍大，頂進過程持續時間較長。

3 工藝原理

預制箱涵時，以一側后頂進箱涵為例進行說明，如圖2 所示，分別在先頂進和后頂進箱涵底板臨近的一側預埋1#、2#錳板，為防止頂進過程中巨大的摩擦力使錳板脫落，在錳板上焊錨筋與箱體底板連接牢固。

圖2 箱涵錳板預埋示意圖

在后頂進箱涵預埋的2#猛板上均勻焊接工字鋼，工字鋼長度為2 個箱涵間距，在工字鋼的另一端同樣焊接一塊3#錳板，尺寸同先頂進箱涵底板預埋的1#錳板一樣。

頂進過程中在1#和3#錳板上涂抹潤滑劑，借此為來弱化后頂進箱涵因2 塊錳板相互摩擦而產生的摩阻力，使近接箱涵在頂進過程中始終保持固定的間距，保證后頂進箱涵在頂進過程中不會發生偏移。箱涵頂進施工示意圖如圖3 所示。

圖3 箱涵頂進施工示意圖

4 施工工藝流程及操作要點

施工工藝為：施工準備→工作坑施工→箱涵預制→預埋錳板→制作滑動裝置→頂進施工。

4.1 施工前操作要點

施工前必須對既有線隧道破裂角范圍的土體采取袖閥管注漿工藝進行加固，加固厚度1 960mm，以增強土體的自穩能力和固結性，減少頂進過程中對隧道結構的擾動，注漿加固達到強度值后進行工作坑施工，然后進行后頂進箱涵的預制，頂進前在箱身的前后口兩側設置高程觀測點，在中間設置中心線偏差觀測點，用于高程和位移觀測。

4.2 施工時操作要點

頂進時，為避免土方開挖卸載對既有地鐵線的影響，在40m 的頂進長度內采用單個353mm×295mm×1 430mm 鋼錠進行補充差重，通過對后頂進的箱涵結構和開挖的土體進行荷載計算確定鋼錠的配重量。

箱涵頂進開挖的土方重量為

其中，M1為開挖的土方重（t）；V1為開挖土方的體積（m3）；ρ為土密度（t/m3）。

箱涵結構重量為

其中，M2為箱涵結構重（t）；V2為箱涵體積（m3）；ρ為箱涵密度（t/m3）。

需補充的鋼錠重量為

在箱涵底板上共均勻布置1 484 個單重為1.03t 的鋼錠。

頂進過程中，用全站儀和水平儀進行跟蹤測量，每頂進一次測量一次，方向測量隨時進行，根據方向調整好頂鎬頂力，隨時糾偏。糾偏方法以調節兩側頂力為主。為防止頂桿過長失穩，應將頂鐵用高強螺栓連接，每4m 頂柱安裝1 個頂梁，并用挖出的土方進行碾壓覆蓋，再依次頂進施工，直至頂進到位，以提高橫向穩定性。頂進作業允許偏差見表1 所示。

表1 箱涵頂進允許偏差表 (單位：mm)

4.3 施工后操作要點

箱涵頂進進行到后期，由于前方邊坡未進行處理，造成阻力減小，前方刃角處很容易產生側向塌方，此時應盡量減少吃土量，但也不能超挖。刃角前方少挖，挖出一鎬的距離頂一鎬。

5 質量控制及安全措施

5.1 頂進施工質量控制

1）箱涵“抬頭” 預防措施 控制平整度及坡度，保持頂進力水平，并在上方設置管棚，避免出現抬頭現象。

2）箱涵“扎頭” 預防措施 先對地基進行注漿加固，增加地基的承載力，預留刃角吃土頂進，底部預留20cm 土體進行人工基底清平。

3）開挖掌子面及側壁質量控制 掌子面按照1∶1 坡度開挖。將每一頂程長度嚴控在0.5m 以內，減少側壁暴露時間。

5.2 頂進施工安全措施

1）后頂進箱涵抬頭和扎頭處理措施 當箱身“抬頭”量不大時，可將箱身前開挖面挖到與箱底面平或稍做超挖；“抬頭”量較大時，則需多超挖一些，在頂進中逐步調整。增加箱身后端平衡壓重的辦法，改變箱身前端土壤受力狀態，達到糾正“扎頭”的目的，但應注意增加重量后要逐步卸載，否則會出現“抬頭”現象。頂進完成后，利用注漿孔對基底進行注漿，填充基底空隙。

2）開挖掌子面及側壁坍塌處理措施 立即停止施工作業，同時安全撤退所有施工人員至安全區。事故現場周圍應設警戒線。坍塌事故發生時，應對現場進行聲像資料的收集。發生后立即組織搶險人員在半小時內到達現場。立即采用地面回填及暗涵內部回填粘性土的措施，并分層碾壓密實，減小掌子面坍塌卸載對地鐵的影響。

3）頂力不足處理措施 遇到頂力不足，頂進作業無法繼續時可采用注減阻黃油的技術來減小頂進時箱涵底與土層摩擦形成的阻力。注減阻黃油施工遵循同步注漿與沿途注漿相結合“先注后頂、隨頂隨注、及時補漿”的原則。

6 監測值分析

6.1 箱涵頂進偏差監測

采用本技術的后頂進箱涵施工日期內，中線偏差和高程偏差監測數據如圖4 所示。

圖4 監測數據

由監測數據可以看出，采用本技術施工的后頂進箱涵，在開始進行頂進作業時，中線偏差和高程偏差均達到峰值但仍在可控范圍內，這是由于剛開始作業時設備和作業人員未完全調整至最佳狀態所至，通過調整偏差值在施工過程中均趨于平穩。

為更好地預測偏差變化情況，對偏差值曲線進行擬合得到方程式（4）、式（5），回歸方程決定系數均大于85，分別為中線偏差R2=0.9473、高程偏差R2=0.9795，說明曲線擬合良好，回歸方程可靠。

6.2 既有地鐵線路上浮監測

地下箱涵頂進前，既有地鐵線右線已累計上浮位移0.6mm，左線已累計上浮位移0.3mm。運營單位要求當變形達到報警值1.6mm 時，必須立即停止頂進，頂進過程中沿地鐵行進方向每隔5m 設置一個自動化監測點。如表2 監測點數據所示，頂進過程結束后既有地鐵線路左線累計上浮最大位移1.06mm、右線累計上浮最大位移1.25mm，均未達到預警值，地鐵線路變形是安全可控的。

表2 既有地鐵線上浮監測數據分析

7 施工效果評價

1）工期效益 分別對先頂進箱涵兩側的2 個后頂進箱涵采用未預埋錳板的傳統施工方法和本技術進行施工，傳統施工方法40m 頂進距離用時16 天完工；采用本技術40m 頂近距離用時10 天完工，工期僅為傳統施工方法的63%。

2）經濟效益 與傳統施工方法相比，本技術每天在中線偏差糾偏方面所節省的機械臺班費、人工費、管理費等各類費用可降低30%。

3）技術效益 “近接箱涵頂進施工”克服了后頂進箱涵因土壓力作用造成兩個箱涵碰撞的問題，可為后續類似工程的施工提供經驗借鑒。

8 結語

1）該技術采用事先預埋錳板、施工中涂抹潤滑劑等措施，節省了工期、降低了成本，填補了國內該領域技術空白。

2）該技術對既有線隧洞破裂角范圍的土體采取預注漿加固和在箱涵底板設置配重的措施，降低了既有地鐵線上浮的風險，同時減少了地下箱涵下沉的可能性。

3）該技術很好地穩定了箱體頂進姿態，保證了箱涵結構的間距，避免發生碰撞，為近接箱涵頂進施工技術開了先河，大大提升了近接箱涵頂進施工的水平。