双幅大断面顶进涵穿越高速公路施工技术

李文斌

摘要：为解决双幅大断面顶进涵施工管幕与左右幅顶进涵精度控制，减阻，沉降等技术难题，结合泉水大道东段下穿襄荆高速顶涵施工，利用导向测量和纠偏装置控制左右幅顶进涵和管幕的施工精度；钢盾构仞角的设计和优化，实现顶进断面的网格化及超前支护；顶进过程中卷铺钢板，实现土体和涵体的隔离减阻。

关键词：顶涵；管幕；钢盾构；顶力计算；隔离钢板

引言

当前单幅小断面顶进涵技术较成熟，广泛用于穿越公路、铁路、街道、构筑物项目施工，国内最大断面顶进涵为上海中环线虹许路北虹路地，单幅顶进涵，断面尺寸为34×7.85米，国外最大断面顶进涵为高雄市中博地下车行通道，单幅顶进涵，断面尺寸为38×3米。但目前，国内外大断面双幅顶进涵施工不常见，相关技术少有报道。

1 工程概况

本工程为下穿箱涵，采用两个箱涵左右分幅顶进施工，箱涵顶进施工采用钢盾构法施工。下穿襄荆高速顶推段长45m，桩号为K1+177～K1+222，采用0.3%的单向下坡，单个顶推箱涵断面宽度19.8m，高度7.6m。箱涵顶进采用管幕法进行超前支护，管幕采用直径245mm，壁厚10mm的钢管。

图1 下穿箱涵纵断面图

图2 箱涵通道横断面图

2 关键施工技术

2.1 管幕与左右幅顶进涵精度控制

2.1.1 管幕精度控制

（1）定位管打设：在打设φ245mm钢管管幕之前，可以先打设一根φ402的管幕定位钢管，钢管直径较大，可提高管幕施工进度。φ402mm钢管中间是φ210mm螺旋钻杆，螺旋钻杆中心是一个φ60的导向观察孔（测量孔）。钻头由切削刀盘、土压仓、方向调节仓、激光发射系统等组成，第一节管幕钢管与钻头活动连接，钻进时，螺旋钻杆带动切削刀盘旋转，切削下来的切削渣压入土压仓，螺旋钻杆将碎屑从φ402钢管内排出，钢管顶进及螺旋出土同时进行，直至导向钢管顶进到位为止。

图3 导向顶管跟进螺旋出土工法示意图

（2）管幕导向测量：定位管幕钢管铺设完成后，开始施作φ245mm管幕钢管，因定位管幕钢管上的锁扣已决定了它相邻φ402mm管幕钢管的走向，导向顶管跟进螺旋出土铺设方法要求在铺设过程中能准确测定钻头在地下的位置和方向。根据钻头在铺设过程中的位置和方向同设计轨迹的差异，利用方向调节油缸调整钻头的方向，从而改变钻头的钻进方向，完成铺设工作。

图4 导向测量原理图

2.1.2 左右幅顶进涵精度控制

（1）顶前精度控制：为确保箱涵在顶进过程中方向不跑偏，在滑板施工时需在滑板两侧及两幅箱涵中间设导向墩，导向墩尺寸为300*300*600mm，间距为4m一个，方向墩采用50×50cm截面钢筋混凝土结构，高50cm，与箱涵边缘预留5cm空隙导向墩施工时需严格控制位置，防止导向墩侵入顶进区域。

图5 滑板导向墩布置断面图

（2）顶进过程中精度控制：箱涵顶进过程中，利用激光断面仪、全站仪、水准仪进行过程中轴线和标高的控制，坚持“一顶一测，实时调整”的方针。

通过控制开挖掌子面的超挖和欠挖来控制盾构钢仞角的精度。

顶涵发生“扎头”现象时，在框架前端底板增加上翘角度，吃土顶进开挖时欠挖8-10cm，或换填基础材料，增加基础承载力，换填材料略高于顶涵底，做仰坡顶进，“扎头”超限时，可做抬涵处理，但抬涵难度大，费用高，施工中预防为主，施工中每顶一次，测量一次，避免发生“扎头”超限现象。

顶涵发生“抬头”现象时，通过调整顶涵顶板欠挖，底板超挖来控制。

顶涵左右偏差过大，通过调整左右侧千斤顶的顶力来调整顶涵前进的方向。

2.2 钢盾构仞角设计

钢仞角采用I32b工字钢钢构结构，长19.8米，宽7.62米，工程实践表明，在土压力和路面上部车辆荷载的作用下，边跨柱易发生失稳破坏，采用合理的盾构设计对于结构的安全至关重要。

考虑核心土对钢仞角顶进过程的影响，将核心土和盾构边柱的互相作用通过土弹簧来模拟，将钢仞角受力简化为弹性地基梁计算模式，通过GTS有限元计算得到所需的结果。与传统简支梁计算模型相比，可以节约大量钢材。

图6 有限元模型

图7 最不利状况轴力图	图8 最不利状况弯矩图
图9 最不利状况剪力图	图10 最不利状况总位移图

根据《钢结构设计规范》，钢结构的应力下式计算。

通过计算最不利状况下最大应力均位于两侧立柱与横梁的相接位置，最大压应力为60.7MPa，拉应力为-106.6MPa。都小于Q235 工字钢的应力屈服值215MPa。针对最不利位置，可进行双边包钢板加固处理，施工中两侧立柱与横梁的相接位置为钢结构验收重点检查部位。

2.3 箱涵顶进施工

2.3.1、顶力计算

箱涵顶入时顶力必需克服由于自身重力产生周边的摩擦力、周围土的摩擦力及钢刃脚前端的阻力。顶力按照下式进行计算：

（N1-箱涵顶面上荷载，N2-箱涵总重,E-箱涵两侧土压力,R-刃角前方单位面积阻力,A-刃角与前方土体接触面积,f1、f2、f3-摩擦系数取 0.4）

箱涵宽19.8米，高7.6米，每延米体积59.94m3，每延米箱涵重量59.94×26=1558.24KN/m，钢仞角重量3548.6KN，面积2.608m2，第一节箱涵加仞角重1558.44×11+3.548.6=20691.44kN，第二、三节箱涵重量为1558.44×17=26493.48kN。

PK1=[6×550+(9+11)×4.65×19.8×19]×0.4+[6×550+(9+11)×4.65×19.8×19+20691.44]×0.4+2×1/2×(19×4.65+19×12.65)×0.4×7.6×(9+11)×0.4+2.608×550=48334.24KN。

计算得第一节箱涵顶进最大阻力48334.24KN，第二、三节箱涵顶进时最大阻力38979.64KN。

根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012），对箱涵结构荷载分项系数按照 1.4计算，箱涵的最大水平顶进推力设计数值为：

P=1.4Pk=48334.24×1.4=67667.94KN

所需千斤顶的数量：N=67667.94/3200*0.8=26.43个，实际布置千斤顶30个，预留2个。

2.3.2、卷铺钢板隔离土层

在箱涵顶部沿顶进轴线方向通长设置5mm厚减阻钢板。钢仞角上部设置17个子盾构区间，在每个子盾构伸缩框内安装了一卷与子盾构等宽、厚度5mm、与箱涵等长的隔离卷板，卷板尾部固定在路基外。离卷板铺设后相对土体是固定不动，不存在对上部土体的二次扰动，因此采用本方法能有效控制高速公路下沉。

（10、掘进刀，12、隔离卷板卷筒，25、可调轴承座，11、伸缩动力（油缸），17、隔离卷板，16、隔离卷板尾部固定体，26、隔离卷板导向槽，19、润滑脂涂布器，15、隔离卷板补充焊接架）

图11 隔离卷板卷铺机构示意图

图12 卷铺隔离钢板顶进图

2.3.3 减阻模拟试验

通过减阻模拟试验，在模型钢板与钢板外壁涂抹不同的减阻材料，采用石蜡，工业黄油，滑石粉，石蜡机油混合物四种减阻力材料，通过千斤顶顶力数值，涂抹不同材料润滑剂顶进摩擦系数大小依次为：f_{石蜡机油混合物}＜f_石蜡＜f_工业黄油＜f_滑石粉。因此，在施工中采用石蜡机油混合物作为减阻材料。

图13 顶涵模拟试验

3 结论

通过泉水大道下穿襄荆高速顶涵施工，解决了双幅大断面顶进涵施工过程中的精度控制，减阻，沉降等难题，提高了安全性，具有一定的推广应用价值。

参考文献

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[2]孙宗良，杨楼城，浅覆土下穿铁路大跨度箱涵顶进方案优化[J]，南昌工程学院学报，2015。

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