高法启 胡宝成 杨涛 魏斌

1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司 武汉 430010

2.中铁上海工程局集团有限公司 200000

引言

城市道路建设受征地拆迁影响、自然障碍物阻隔等因素限制，经常存在一些断头路、瓶颈段等情况。这些未通节点严重影响路网整体功能的发挥，降低路网运行效率和服务品质，也给沿线交通出行造成很大不便，采取建设地下通道穿越障碍物消除交通瓶颈是目前较为常见的方法［1］。地下通道的施工方法有很多，如顶管法、盾构法、管幕箱涵法等，其中管幕箱涵法具有独特的优势。

管幕箱涵工法是在拟顶推箱涵的周围预先顶入钢管，钢管之间采用锁口连接并注入防水材料而形成密性地下空间，然后在此空间内顶推预制箱涵的方法［2］。管幕箱涵工法具有以下优点：不中断地面交通；地面沉降较小；可以连续施工；适用于各种土层。

湖北荆门市泉水大道建设工程下穿襄荆高速公路时采用管幕箱涵工法，在不中断高速交通的情况下顺利穿越，高速公路地面沉降在允许范围内，证明了此工法的优越性。

1 工程概况

泉水大道是荆门市北城区的重要通道，为双向六车道，设计车速50km／h，在与襄荆高速交叉位置下穿通过，该段长度约49m。

下穿襄荆高速段具有以下特点：下穿施工时不能中断襄荆高速通行；为保证道路纵坡，下穿结构顶部覆土较浅；襄荆高速公路对沉降要求较高；下穿结构断面宽度较大，总宽度达40m；施工工期紧。

上述特点要求本工程设计方案必须可靠，施工必须保证安全且进度要快，对周边的影响降到最低。

2 工程地质条件

工程地貌简单，地形有一定起伏，地下水对建设工程影响较小，地表排水良好，场地基本稳定，未发现不良地质作用，较适宜该工程的建设。

根据岩土工程勘察报告，箱涵顶推所穿越的主要土层基本情况如表1 所示。

表1 岩土层基本特征表Tab.1 Basic characteristics of rock and soil layer

3 总体设计方案

3.1 施工方法选择

根据地质条件、埋设深度、断面形状及尺寸、施工条件及工期要求，可选择的施工方案主要有浅埋暗挖法、管幕箱涵顶推法。

浅埋暗挖法沿用新奥法基本原理，初次支护按承担施工期间全部荷载设计；初次支护和二次衬砌共同承担使用期间全部荷载。本项目由于横断面过大，覆土为填土且厚度过浅，采用浅埋暗挖法地表变形大，风险高。

管幕箱涵顶推法是管幕工法和箱涵顶推工法的结合。采用管幕箱涵工法在管幕的保护下施工箱涵，可以减少施工时地面的沉降。适合于周围环境敏感、浅覆土、大断面非开挖隧道。

根据以上分析，本项目下穿襄荆高速公路采用管幕箱涵顶推法施工。

3.2 箱涵结构设计

1.箱涵横断面

泉水大道由双向六车道机动车道与两侧人非混合车道构成，顶推箱涵可布置单箱四孔断面、双箱两孔断面和四箱单孔断面3 种断面形式，单箱四孔断面宽度大、施工风险高、造价较小，双箱两孔断面施工风险可控、造价适中，四箱单孔断面宽度小、施工风险较小，造价高，综合比选顶推箱涵断面采用双箱两孔断面。

根据下穿箱涵建筑限界及顶上覆土层厚度与荷载，对结构进行受力分析计算，确定箱涵顶板、底板、边墙及中隔板厚度。单个顶推箱涵断面宽度19.6m，高度7.6m，其中结构顶板厚1.1m，底板厚1.2m，侧墙厚0.9m，中墙厚0.6m，左右幅净距0.8m。如图1 所示。

图1 箱涵结构横断面（单位： mm）Fig.1 Cross section of box culvert structure（unit：mm）

2.结构分析

箱涵结构计算采用荷载-结构模式，按弹性地基上的闭合框架进行分析，地基反力采用压弹簧模拟。结构安全等级为一级，构件的重要性系数1.1。考虑施工和使用阶段可能出现的最不利荷载组合，按承载能力极限状态及正常使用极限状态的进行设计。

3.防水设计

结构防水等级为二级，混凝土抗渗等级不小于P8，箱涵结构外表面喷涂石蜡两层，内外表面喷涂渗透结晶材料。

节段间接缝采用1 道遇水膨胀橡胶＋1 道三元乙丙橡胶密封垫进行防水，遇水膨胀橡胶和三元乙丙橡胶的接头处须错开500mm 以上，同时与节段底板中继间处的开槽、钢插销处开洞等错开。

3.3 管幕设计

1.管径及节长

从提高支护强度的角度考虑，管径越大，管幕能提供的强度越高。但随着管径的增加，需要提供的最小覆土厚度也增大。结合国内外同类项目的调查，考虑到本项目施工期间襄荆高速不中断交通，地面荷载较大，变形控制严格，管幕采用钢管，直径采用245mm，壁厚10mm。根据场地情况及施工条件，钢管节长采用5m。

2.覆土厚度

由于管幕法属于比较新的非开挖工艺，在我国起步较晚，目前国内还没有正式出台相应的规范。参考德国非开挖协会ATV-A125 的相关规定，覆土厚度不应小于2 倍顶管直径，最小值为1m。当在铁路或者公路下面进行顶推施工时，最小覆土厚度应大于2.5 倍顶管直径＋0.5m。《顶管施工技术及验收规范》1.0.8 条规定［3］，顶管的附土厚度不小于3m。结合本项目的特点及平纵线型，箱涵顶部覆土厚度取4.3m ～4.65m。

3.锁口设计

箱涵顶部及左右侧钢管之间采用锁口连接，锁口采用四块∠75 ×75 ×8 角钢与钢管焊接而成。锁口的主要作用是增强钢管幕之间的横向连接，并可以密封止水，堵塞自上而下的水流路径，以减小地面沉降［4］。该种接头抗弯刚度较大，制作时易于加工，管幕顶推时易于控制，如图2所示。

图2 管幕锁口示意（单位： mm）Fig.2 Schematic diagram of pipe curtain lock（unit：mm）

4.填充设计

为了提高管幕的刚度，管幕出土完成之后，在出露端封堵并焊接混凝土灌注管，同时安设排气管，管口要求高于管幕10cm，钢管内高压灌注M30 水泥砂浆，直到压力达到0.5MPa，并稳定5min，灌满后封堵端口。

5.管幕与箱涵间隙尺寸

管幕与箱涵之间所预留空隙的大小对地表沉降的影响较为明显。根据已有工程经验，一般有两种预留方式：其一，留较大的空隙尺寸，使箱涵顶推中箱涵与管幕之间的土体能保留，比如台北松山机场下穿跑道的顶推箱涵工程预留顶部285mm、侧部431.5mm的空隙。其二，留较小空隙尺寸，箱涵顶推中不保留空隙中土体，代替以加压的润滑浆液，上海中环线虹许路一北虹路地下立交通道工程采用该种方式，顶部和两侧预留了100mm的空隙，推进的同时向空隙加注润滑浆液［5］。根据施工中的经验当留土厚度小于0.5m时，顶推过程中往往会出现空隙之间的土体随顶推向前挤密，继而后部形成孔洞的问题，易造成管幕局部较大下沉。而采用小间隙的方案时如果做好润滑浆液的填充和保压，就能较好的控制钢管下沉进而减小地面沉降。但小间隙方案对管幕施工设备也提出了较高的精度要求。考虑到顶管施工过程中的误差、顶管下沉量以及与两端环框梁的连接问题，本项目采用第二种预留孔隙方式，在箱涵顶部预留了200mm 的空隙，两侧预留233mm 的空隙，左右幅之间预留278mm的空隙。

3.4 后靠背设计

箱涵顶推过程中，为了将顶推力均匀、有效的作用在所顶推的箱涵上，后靠背结构是关键。本工程后靠背采用承受水平荷载的承台桩基的形式，桩基采用D1200 灌注桩，桩长5m，沿顶推方向设置3 排，每排11 根。桩顶承台为1.4m厚现浇钢筋混凝土板。

3.5 滑板设计

预制场地既是隧道节段预制区，又是隧道节段顶推滑行面，要求顶推滑面平整，并应采取措施保证滑板稳定，不被前顶的隧道节段带走。

滑板采用300mm 厚C25 钢筋混凝土板结构，其上依次设20mm 厚M10 水泥砂浆抹面，石蜡（掺25%机油）一层，滑石粉一层，2mm 厚薄钢板；滑板宽40.6m，纵向沿顶推后背至隧道洞口范围铺设，滑板中心线应与路线中心线一致，滑板坡度可根据顶推施工控制需要略缓于道路坡度；滑板底部设纵横锚梁，滑板上部设置方向墩；滑板顶面平整度误差不得大于2mm，预制每节箱涵前须复核滑板的标高和平整度。

顶推节段在顶推时容易出现‘扎头’和‘抬头’的现象，其调整比较困难，因此，推荐采用在隧道节段底预铺滑行轨道的技术方案。滑轨应由专业施工队伍施工，保证其纵向偏差不超过2cm。滑轨还必须具有较大的强度和刚度，确保其在施工期间不变形，不移位。

3.6 中继间设计

箱涵节与节之间设中继间，中继间顶端、两侧设钢板护套，防止四周土体落入箱涵内。箱涵体内底板设挡土钢板，防止箱涵内运土落入底板镐窝。钢护套位于箱体外侧，防止顶推时土进入箱体内，造成顶推困难，底板护套钢板一次安装到位，在绑扎钢筋前，按设计位置安放到位并焊好锚固筋，两侧护套钢板一次到位困难且精度难以确定，采用预埋钢板后焊接的方法拆除。中继间千斤顶根据箱涵顶推情况确定是否设置。

3.7 钢插销设计

钢插销在顶推过程中，对防止箱体错台有着十分重要的作用，钢插销采用两根P50 钢轨制作，单幅箱涵顶板设4 个，两侧墙各设2 个。钢插销一端预埋入先施工的箱涵结构内，另一端伸出结构外，外露长度不小于顶程加40cm。后施工一节箱体在相应位置预留孔洞，孔洞内预埋10mm厚钢销套，钢插销与孔洞留有活动间隙，确保钢插销伸缩自如，如图3 所示。

图3 钢插销与钢销套（单位： mm）Fig.3 Steel pin and steel pin sleeve（unit：mm）

4 施工关键技术

4.1 管幕施工

为防止管幕顶推过程中造成高速路面沉降，采用导向顶管跟进螺旋出土工法进行施工，该施工工艺能够有效的控制地层沉降。主要施工设备为液压系统，施工中振动和噪音较小，即采用液压顶推系统，螺旋钻杆在管幕钢管内出土，根据沉降控制标准和地层情况及测量数据，可以通过调整控制方向系统，调整钻头与钢管的相对位置，做到超前成孔或滞后出土，将φ245 钢管顶入设计位置，直至全部钢管铺设完成。因钻头直径略小于管幕钢管直径，管幕钢管对周围土体有挤密作用，且未采用通常水循环大扩孔方法，对地层扰动小，施工过程中不会导致地层沉降，可以在完成4 ～5 根管幕钢管铺设后，管幕钢管内填充水泥浆或无收缩水泥砂浆，用来提高管幕钢管刚度和防止管幕钢管因土压力及腐蚀后造成地层空洞影响结构安全。

在打设φ245 管幕之前，先打设一根φ402 的定位钢管，钢管直径较大，可提高管幕施工进度。定位钢管打设原理如图4 所示。

图4 导向顶管跟进螺旋出土示意Fig.4 Schematic diagram of guide pipe jacking

4.2 箱涵顶推

1.顶推设备

（1）千斤顶。下穿箱涵均采用320t 油压千斤顶，每节段箱涵布置30 个，2 个备用，顶长1.8m，设计行程1.2m，有效行程1.0m，见图5。

图5 千斤顶布置横断面（单位： mm）Fig.5 Cross section of jack arrangement（unit：mm）

（2）钢盾构。高速公路路面以下、箱涵顶部土体采用管幕、钢盾构分割土体支护技术，稳固掌子面；同时将钢盾构刃脚做成斜面型，以适应土体自身稳定坡面，最大限度防止土层正面失稳，控制地表沉降。

组合式卷铺隔离钢板盾构主要由以下系统组成：土体支挡系统、子盾构掘进开挖支挡系统、隔离卷板卷铺系统、箱涵顶推减阻和覆盖层防扰动系统、箱涵顶推系统。

（3）顶铁及传立柱。顶铁采用钢板及型钢焊接，外形尺寸为500mm ×500mm ×200mm，传力柱采用钢筋混凝土预制，混凝土强度等级为C30，尺寸为1000m ×600mm ×500mm，其中每个千斤顶计划使用60 块传力柱及5 块顶铁。

2.顶推施工

先顶推右幅三节箱涵，再顶推左幅三节箱涵，顶推采取中继间法提供顶力，钢盾构法提供安全支护，箱涵顶推过程如图6 所示。

图6 箱涵顶推照片Fig.6 Photo of box culvert jacking

3.土方开挖

开挖掌子面被钢盾构网格划分为三大部位：子盾构区土方开挖、墩柱区土方开挖、箱室土方开挖。如图7 所示。

图7 土方开挖顺序示意Fig.7 Schematic diagram of earthwork excavation sequence

施工工艺流程为：第①部开挖→子盾构顶推→第②部开挖→钢盾构顶推→第③部开挖→核心土开挖。土石方主要由人工开挖掘进，小型挖掘机装车，4t自卸车外运。

4.通风除尘

顶推开挖作业过程中，会产生大量粉尘，土石方运输机械产生大量有害尾气，因此箱涵尾端设置两台11kW轴流通风机，铺设送风管道，输送新鲜空气到开挖掌子面。在钢盾构内部每个立柱、子盾构里，设置喷雾除尘装置。

5 沉降监测

箱涵顶推过程中在襄荆高速路面布置16 个监测点，对路面沉降进行监测。通过监测沉降量数据动态调整顶推速度、注浆参数，不断优化施工方案，保证高速公路安全通行。

各监测点路面沉降量随时间变化的曲线如图8 所示。

图8 路面沉降量监测曲线Fig.8 Pavement settlement monitoring curve

根据监测结果，箱涵顶推过程中襄荆高速公路路面沉降量均控制在20mm以内，满足变形控制要求，保证了高速安全通行。

6 结语

泉水大道采用管幕箱涵顶推法下穿襄荆高速，自2020 年11 月9 日开始顶推，2021 年1 月12 日顺利穿越。本项目的基本情况如下：

1.右幅箱涵平均每天顶推约1.5m，左幅箱涵平均每天顶推约1.8m，表明管幕箱涵顶推工法的施工进度可以得到保证。

2.顶推过程中襄荆高速路面沉降均在20mm范围以内，保证了高速公路正常通行，表明管幕箱涵顶推法可以有效控制沉降变形。

3.通过对管幕、顶推等关键环节进行精心设计、规范施工，能够确保工程安全顺利实施。