大断面管幕-箱涵顶进技术.doc

上海市中环线北虹路地道工程采用首创的大断面管幕箱涵顶进施工技术施工实施方案简介上海港远建设工程有限公司2009年5月上海市中环线A3.5标管幕法地道从虹许路、虹桥路口穿越虹桥路和西郊宾馆至北虹路。管幕段地道长度126m，双向八车道，宽34.2m，高7.85m，是国内首次在饱和软土地层中进行管幕法工程，也是目前世界上第一大断面的管幕法工程。该工程管幕段地处上海市第层饱和软土地层中，含水量大，强度低。保护虹桥路及周边环境，对地表变形控制要求严格。结合工程实际创造性地开发出超大断面管幕箱涵顶进工法。与现有的国外管幕法工程相比，本工法有以下特点，1）管幕内土体不加固，不需开挖导洞 2）利用暗埋段做顶进后靠 3) 箱涵推进时采用网格工具头稳定开挖面土体 4）在箱涵推进过程中，在管幕与箱涵之间压注复合泥浆，控制地面沉降和减小推进阻力主要施工工艺如下： 第一步：施工南、北两座工作井，工作井采用地下连续墙法施工，工作井平面尺寸为44m24m17m，出洞口土体采用深搅桩加固，加固强度qu0.8Mpa，加固范围33m8m18m。第二步:采用8套泥水平衡顶管机同时进行钢管幕顶进施工。用80根D97010带锁口的钢管形成口字型管幕，管幕段长度126m，管幕内断面尺寸为34.4m8.05m，顶进结束后对锁口处进行防水注浆，并在钢管内充填混凝土，以形成水平矩形密封钢管幕。第三步：由北工作井向南工作井逐节制作和推进箱涵。箱涵分节长度为18m，箱涵外包尺寸为34.4m7.85m，顶板厚1.3m，底板厚1.4m，侧墙厚1.0m，中隔墙厚0.8m，为两孔双向八车道箱涵。在首节箱涵前端安装钢网格工具头，以稳定开挖面土体。箱涵推进采用14组112只2500KN的液压油缸，总推力280000KN，油缸分两层全部布置在箱涵底板位置，运用计算机液压同步控制推进系统进行远距离集中控制。箱涵推进后靠由已建暗埋段结构承受。箱涵推进过程中，在管幕与箱涵外壁之间建立特种泥浆套，既可以大大减小推进阻力又能有效地控制地面沉降。箱涵之间采用柔性接头。箱涵开挖面土体挤入网格后，由挖掘机挖土，再由土方车运至暗埋段内，可实现连续出土。箱涵推进结束后，对泥浆套进行固化处理。2005年4月20日，第八节箱涵顺利推进到位，建成了世界第一大断面的管幕法隧道工程。国内外软土地层浅埋大断面隧道穿越工法主要有管幕法、管棚法、矿山法等。管幕法在日本应用较多，主要有无限自行走（ESA）工法，特点是管幕内软土需加固，费用高，工期长，施工场地大，国内还没有管幕法工程的实例。上海市中环线北虹路地道工程需穿越西郊宾馆和虹桥路，为此该工程创造性地提出了管幕-箱涵顶进工法（RBJ工法）。就是先顶进80根长126m，970mm带锁口钢管，形成34.4m8.05m的口字形管幕，然后在管幕内软土不加固的条件下顶进箱涵。北虹路地道管幕箱涵顶进工法是完全自主创新的工法，也是到目前为止世界上最大断面的管幕法隧道工程。事实证明该施工工艺完全适合于浅覆土、大断面非开挖地道施工，具有施工安全可靠、工期短和经济合理的优点。本项目在以下关键施工技术上取得重大突破；对钢管幕顶进高精度姿态控制技术、箱涵出洞控制技术、箱涵推进姿态控制技术、箱涵推进阻力计算方法及减阻技术、箱涵网格开挖面稳定性控制技术、箱涵推进地表变形预测及控制技术等六个方面进行了深入的研究。主要创新点为：1）首创了管幕箱涵顶进工法（RBJ工法）；2）开发了钢管幕高精度姿态控制技术；3）大断面箱涵开挖面软土不加固的稳定控制技术；4）研制了特种复合泥浆材料和注浆工艺；5）开发了大断面箱涵液压同步自动化控制推进技术。主要技术性能为：1）钢管幕顶进的方向偏差为3cm；2）箱涵顶进地表变形为3cm；3）本工法适合大断面长距离的箱涵推进（宽度满足10车道，推进长度可满足250m）。项目首创的管幕箱涵顶进工法与类似管幕法工程相比，具有施工安全可靠、节约工程投资和缩短工期的优势。经刘建航院士为组长的专家组评审认为该项目总体上达到了国际领先水平，具有推广应用前景。本项目已经荣获2006年度上海市科技进步一等奖和2006年度国际非开挖协会颁发的唯一的一项大奖。这也是我国首次获得此项荣誉。软土地层管幕箱涵顶进施工新技术摘要 上海市中环线北虹路下立交工程是我国第一次采用管幕箱涵顶进施工技术，也是世界上在软土地层中施工的断面尺寸最大的管幕法工程；结合工程实际，提出了创新的管幕结合箱涵顶进的施工工法RBJ工法（roofbox jacking method）。本文详细介绍了该工程钢管幕顶进高精度姿态控制，网格工具头设计，箱涵推进的顶力控制，箱涵推进中地表变形控制及箱涵姿态控制等关键技术，为相关工程的设计、施工提供参考。关键词 RBJ工法，钢管幕顶进，箱涵顶进，施工技术，软土地层1 引言 图1 施工平面布置图管幕法作为穿越道路、铁路、机场等的非开挖技术，在日本、美国和中国台湾都取得了较好的效果。管幕钢管锁口相连，管幕形成后在锁口处注入止水剂或者砂浆，形成密封的止水管幕。然后在管幕的保护下，对管幕内土体加固处理后，边开挖边支撑，直至管幕段开挖贯通，再浇筑结构体；或者先在两侧工作井内现浇箱涵，然后边开挖土体边牵引对拉箱涵。日本在箱涵顶进方面研究较早并开发出许多工法如：ESA（endless self-advancing）,FJ(front jacking)工法等。根据台北市政府工务局新建工程处“松山机场地下道工程简介”，1989年台北松山机场地下通道工程由日本铁建公司承建，采用管幕结合ESA箱涵推进工法施工，长100m，箱涵宽22.2m，高7.5m，水平注浆法加固管幕 内土体。1991年日本近几公路松原海南线松尾工程采用ESA工法推进大断面箱涵，箱涵宽26.6m，高8.3m，长121m1。2000年大池成田线高速公路下大断面箱涵长度47m,宽19.8m，高7.33m，采用管幕结合FJ工法施工，注浆加固管幕内土体2。在软土地层中，以上工法和工程如位于软土地层均要对网格工具管开挖面前的土体进行加固以维持土体的平衡。管幕法是利用微型顶管技术在拟建的地下建筑物四周顶入钢管或其他材质的管子，钢管之间采用锁口连接并注入防水材料而形成水密性地下空间，在此空间内可修建地下建筑物。比较早期采用管幕法的工程是1979年的比利时Antewerp地铁车站的修建3，以后日本逐渐发展并普遍应用管幕工法，中国香港及台湾地区、新加坡、马来西亚已逐渐应用4 5。实测和理论分析均表明具有一定刚度的管幕能显著减小地表变形，增加开挖面稳定性68。上海市中环线北虹路下立交工程是中环线的重要组成部分，其轴线基本呈南北走向，沿虹许路穿越虹桥路、西郊宾馆接入北虹路，为大断面长距离浅埋式地道工程。（见图1）由于虹桥路上交通繁忙，地下有许多管线。西郊宾馆的环境又比较重要。因此经方案反复论证和优化，形成了创新的管幕结合箱涵顶进的施工工法。（RBJ工法）9。2 工程概况图 2 管幕箱涵示意图2.1 结构参数1）南北二座工作井尺寸：LBH24.6m41m17m工作井采用地下连续墙法施工 B0.8m，H=31m2）南北二座工作井的出洞段土体加固范围：LBH8m38m18m加固强度：qu=0.8Mpa3）钢管幕：80根97010带锁口的钢管，形成口字形管幕。锁口材料为角钢1008010，管幕段长度126m。4）箱涵：矩形双孔钢筋混凝土结构，为双向八车道。结构外包尺寸：34.2m7.85m，顶板厚度1.3m，底板厚度1.4m，侧墙厚度1.0m，中隔墙厚度0.8m。箱涵共分8节，前两节分别为18m，第三节为4m，第四第七节为17.5m，第八节为15.2m，第三节箱涵以后改为柔性接头（见图2）5）管幕顶部覆土层厚度：4.5m5.0m。2.2 工程地质和水文地质管幕和箱涵位于1灰色淤泥质粉质粘土和灰色淤泥质粘土层，为饱和软土。含水量大、承载力低、渗透系数小。其物理力学性质指标如表1所示。表1 场地地基土的物理力学性质指标表层序土层名称层底埋深含水量W湿重度压缩系数固快强度峰值无侧限抗压强度C原状土m%KN/m3Mpa1kPakPa灰色淤泥质粉质粘土6.008.4045.617.30.9614.413.030.7灰色淤泥质粘土14.5016.5048.116.91.1514.010.540.23 总体施工工艺流程南北二座工作井施工工作井出洞段土体加固钢管幕顶进暗埋段结构施工南北二座工作井内部结构施工顶进结束北工作井分节制作和顶进箱涵4 RBJ工法的特点1）适用于软土地层浅埋式大断面长距离非开挖地道工程。2）依靠网格工具头稳定开挖面，对管幕内土体可不进行加固处理。3）用已构筑的暗埋段结构提供足够的后靠力，不需对工作井后的土体进行加固。4）用顶进法取代对拉法，使受力体系更简化。5）在管幕与箱涵之间形成完整可靠的支承润滑介质。既可减少箱涵顶进过程中的地表沉降，又能降低箱涵推进阻力。6）用底排钢管幕作为箱涵顶进的基准面。7）可降低工程投资费用，缩短工期，且安全可靠。5 关键施工技术5.1 钢管幕顶进施工技术为了缩短工期，采用八台泥水平衡顶管掘进机同时由北工作井向南工作井顶进，平均每台掘进机日推进约30m。80根钢管施工工期为140天。对带锁口的钢管顶进，关键施工技术是掘进机的高精度姿态控制，包括轴线偏差和旋转偏差的控制10。5.1.1钢管幕顶进高精度姿态控制技术本工程的钢管幕顶进姿态控制，在原来的顶管技术上进行了改进和创新，取得了满意的效果，具体措施如下：1） 高程和水平偏差控制措施a 采用轨迹示踪可视化软件指导纠偏操作b采用泥水平衡掘进机施工保持开挖面的稳定以利于纠偏控制c为掘进机装备RSG激光反射诱导装置，使操作人员能够预知掘进机偏差趋势d在掘进机内设置倾斜仪传感器和纠偏油缸行程仪传感器，即时显示机头的姿态数据。e采用特殊构造措施，一是提高机头长径比，二是在机头后方紧跟三节过渡钢管。钢管之间以可以产生微小空隙的铰相连，形成多段可动的铰构造，这样在纠偏油缸的作用下，可以带动后续钢管，达到纠偏和导向的目的f通过设计合理的钢管顶进顺序，可以控制管幕的累积偏差在允许的范围内。本工程中，钢管先顺序顶进，当累积偏差不能满足精度要求时，则增加基准管，同时对闭合钢管根据测量结果，用异形锁口来封闭。g用机头姿态曲线图指导纠偏操作和确定偏差报警制度等。2）机头旋转控制措施a设置机头偏转传感器，即时显示机头的偏转姿态数据。b依靠过渡钢管之间的防转块来控制机头的旋转。c通过刀盘逆转使正面土体对刀盘产生反向力矩来纠正偏转。d通过单侧压重来纠正偏转。5.1.2 施工后的钢管幕姿态曲线1） 单根钢管纵向姿态曲线（取第12号管幕为例） 图3 上排第12号管幕纵向姿态曲线2） 横截面总体姿态曲线（取距北井49m处的上下二排管幕为例）图4 距北井49m处上下两排管幕横截面姿态曲线由图3、4可见，单根钢管偏差可控制在30mm以内，整体管幕偏差可控制在40mm以内。能够满足下一步对箱涵与管幕之间的建筑空隙确定要求。5.2 箱涵顶进施工技术5.2.1网格工具头的设计钢网格的作用是切土和维持开挖面土体稳定，即在不加固管幕内土体的情况下，要确保开挖面土体平衡，另外要在顶进过程中把地面的变形控制在允许的范围内，为此在顶进的过程中，把土体对工具管的土压力控制在静止土压力附近变动。1） 计算简图把网格工具头看作是双向网格梁，承受网格前端土压力，计算简图如图5 图5 网格工具头计算简图及图片2） 设计荷载网格前端的土压力按底排管幕处计算，本工程取300kPa设计。3）网格尺寸根据计算，网格尺寸为：大网格尺寸水平共分20格，净间距中间两格为1500mm，其余各格为1300mm；竖向共分3层，从下到上净间距依次为第一层1715mm，第二层1400mm，第三层1435mm；大网格的长度为（伸入土内）1300mm（见图5）。4） 实际施工表明，本工程网格工具头设计满足强度和刚度要求，并且在大网格状态下能使开挖面土体保持稳定。5.2.2 箱涵出洞工艺1） 出洞段土体加固范围的稳定性计算 大断面箱涵出洞时，由于要凿除连续墙，为保证洞口土体的稳定性，管幕施工前对工作井外侧土体进行加固。出洞段土体进行8m范围的加固，其中靠近工作井3m范围采用水泥土搅拌桩，另5m采用压密注浆加固11。a 参数取值12对3m搅拌桩加固区段，根据提供的，计算加固后土体参数为： ；，；对5m压密注浆加固区段，1.2 MPa，计算加固后土体参数：；，；b计算结果计算采用简化毕肖普条分法，根据试验结果，当管幕承担上部土体自重时，开挖面稳定安全系数为Fs = 1.2。可以保证开挖面土体的稳定性。2） 洞口地下连续墙的拆除当网格工具头和首节箱涵在工作井下的推进平台上制作安装完成后，将其向前推进到洞口止水装置内，并距地下连续墙为0.8m处，然后利用预先钻孔，装药的爆破系统快速拆除地下连续墙。3） 8m加固区的的挖掘当网格工具头出洞推进到加固区时，这时为大网格状态，由挖掘机直接在网格内挖土。4）实际施工表明，箱涵出洞过程始终处于安全受控状态。5.2.3 箱涵的顶力控制1） 箱涵顶进阻力计算箱涵推进阻力由迎面阻力和周边摩阻力组成的，计算公式如下：迎面阻力为：周边阻力为： 箱涵顶部 ；两侧摩阻力； 箱涵底部摩阻力。总的计算推进阻力为：T12680075000201800kN箱涵启动时，需克服箱涵与隔离层的粘结力，迎面阻力的增加值和箱涵外壁附加阻力，因此总的推进阻力需考虑1.25倍安全系数。2）后靠结构局部承压验算（按C30验算）25008/2.41.4=5952KN/m230000kN/m23）200m暗埋段可提供的摩阻力验算：F5A4f2=8420020336400kN4）顶进油缸布置根据总的推进力，布置112只2500KN主顶油缸，分成14组，每组8只。（见图6）图6 箱涵千斤顶布置图（14组）5）箱涵顶进实测顶力曲线图7 箱涵推进顶力曲线图由图7可见，每节箱涵的起步推力为最大值，起始与结束时的推力差值约为4000050000kN。第八节箱涵的起始推力为250000kN，结束推力190000kN。6）本工程顶力控制可归纳如下：a 暗埋段作为后靠，使得受力体系更加安全可靠；b 112台250t千斤顶布置在箱涵底板处是合理的，同时总的装备推力为28000t也是合理的；c 泥浆套起到了非常明显的减阻作用。5.2.4箱涵顶进的姿态控制1） 箱涵水平姿态控制措施a 计算机液压同步推进系统该系统通过行程仪传感器测得的位移信号传至计算机，由计算机调整10台泵站电机变频器，调整油泵流量，从而控制油缸推进速度达到同步推进的目的。b 在工作井的箱涵两侧设置导向墩在箱涵初始推进阶段，通过在工作井的箱涵两侧设置导向墩对控制箱涵的水平姿态是非常有效的。c 通过实测成果实时修正推进参数 箱涵每推进50cm即进行一次姿态测量，测量成果反馈至计算机液压同步推进系统，修正推进参数，使得箱涵水平姿态得到有效控制。箱涵2） 箱涵的高程姿态控制措施箱涵是贴着底排管幕前进，但在挤土状态下，箱涵切口易上抬，实际施工表明，如果适当地挖除部分底排网格内的土体，可以有效地遏制切口上抬趋势，并满足箱涵高程控制的目的。3）箱涵顶进中姿态偏差曲