軟土地層大斷面管幕—箱涵推進工法

《軟土地層大斷面管幕—箱涵推進工法》是上海市第二市政工程有限公司、上海城建（集團）公司完成的建築類施工工法，完成人是周松、楊俊龍、葛金科、楊光輝、龔葉峰，適用於粉質黏土、淤泥質黏土和黏土等地層的大斷面地下通道工程，尤其對淺埋式不能明挖的大斷面或超大斷面地下通道施工更具優勢。

《軟土地層大斷面管幕—箱涵推進工法》主要的工法特點是鋼管之間採用鎖口相連，鎖口內壓注止水漿液形成密封、隔水的水平鋼管帷幕；採用高精度方向控制的鋼管幕頂進技術；採用微機控制的液壓同步頂進控制系統。

2008年1月31日，《軟土地層大斷面管幕—箱涵推進工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2005-2006年度國家一級工法。

基本介紹

• 中文名：軟土地層大斷面管幕—箱涵推進工法
• 工法編號： YJGF050-2006
• 完成單位：上海市第二市政工程有限公司、上海城建（集團）公司
• 主要完成人：周松、楊俊龍、葛金科、楊光輝、龔葉峰
• 套用實例：上海市中環線北虹路下立交工程
• 主要榮譽：國家一級工法（2005-2006年度）

形成原因

《軟土地層大斷面管幕—箱涵推進工法》是在鋼管幕內推進箱涵的一種新型地下工程施工工法，是在擬建箱涵位置的外周先用頂管法設定小直徑鋼管形成封閉的鋼管幕，再在該水平鋼管幕的圍護下頂進箱涵的施工新技術，該工法不需對地表進行開挖、不需對管幕內的軟土進行水平加固處理，不影響地面交通和生活，能嚴格地控制地表變形，對管線及房屋無影響，因此非常適用於穿越鐵路、公路、機場跑道、人行通道等特殊條件下的非開挖施工。具有良好的社會和經濟效益。該工法已在上海市中環線北虹路下立交工程中得到套用。

工法特點

《軟土地層大斷面管幕—箱涵推進工法》的工法特點是：

1.鋼管之間採用鎖口相連，鎖口內壓注止水漿液形成密封、隔水的水平鋼管帷幕，抑制地表變形，保持開挖面穩定性。

2.箱涵前端的格線式工具頭能維持軟土地層開挖面的穩定，不需要在箱涵頂進前水平加固管幕內的土體，具有顯著的經濟效益。

3.不影響各類地下管線、道路交通、地面的各類建築，施工無噪聲、無環境污染。

4.根據工程需要，結構外圍能構築成不同的形狀和面積的鋼管幕，因此能構築各種斷面的地下空間，適應範圍廣。

5.採用高精度方向控制的鋼管幕頂進技術，實時監控和調整管幕的姿態，能有效控制鋼管幕的姿態精度。

6.採用微機控制的液壓同步頂進控制系統，自動地遠程控制箱涵頂進中各個頂進油缸的頂進速度，實時反映箱涵姿態、頂進力、伸長量，使箱涵推進處於同步可控狀態。

7.在箱涵外壁與鋼管幕之間壓注特殊的泥漿材料，使得箱涵頂進阻力明顯減小，又能有效地控制地面沉降。

8.施工完畢的暗埋段結構可作為箱涵頂進的後靠結構，不需對後方土體進行加固，因而施工工序合理，受力體系安全可靠。

操作原理

適用範圍

《軟土地層大斷面管幕—箱涵推進工法》適用粉質黏土、淤泥質黏土和黏土等地層的大斷面地下通道工程，尤其對淺埋式不能明挖的大斷面或超大斷面地下通道施工更具優勢。例如穿越鐵路、高速公路、機場跑道等的大型下立交工程。

工藝原理

《軟土地層大斷面管幕—箱涵推進工法》的工藝原理敘述如下：

一、鋼管幕

鋼管幕形成縱向具有一定剛度的管幕梁，當箱涵格線的迎面推力小於主動土壓力時，地面產生沉降。在此工況下，由於上排管幕能分擔部分上覆土荷載，可以減小開挖面的土壓力並且抑制地表沉降；當格線箱涵的迎面推力大於被動土壓力時，地表變形為隆起，在此工況下鋼管幕的作用又表現為抑制地表變形。

四周密封的鋼管幕切斷地下水通道，使得管幕內土體自由水得不到補充，有利於開挖面穩定。

二、箱涵頂進

利用軟土地層時空效應原理，箱涵格線在擠土推進時能在開挖面前端形成土拱，充分發揮土體的抗剪強度，減小了格線處土壓力。土壓力通過格線與土體接觸面的摩擦力平衡。

格線內不挖土的擠土推進工藝使地面隆起。格線內適當挖土又使得地表發生沉降，通過不同的推進工藝和挖土量可動態調節地表變形，使其在容許的範圍波動。

施工工藝

• 工藝流程

《軟土地層大斷面管幕—箱涵推進工法》的箱涵頂進總體施工流程見圖1，鋼管幕施工流程見圖2，箱涵頂進施工流程見圖3。

圖1 總體施工流程圖

圖2 鋼管幕施工流程圖

圖3 箱涵頂進施工流程圖

操作要點

《軟土地層大斷面管幕—箱涵推進工法》的操作要點如下：

一、鋼管幕頂進施工要點

1.鋼管幕頂進高精度方向控制（圖4）。

圖4 鋼管幕頂進

必須採取有效的措施保證鋼管幕頂進精度，否則影響鋼管之間的閉合、嚴重時會阻礙箱涵推進施工，為此應注意以下要點。

1）雷射反射誘導裝置：在掘進機內配備了反射形方向誘導裝置（RSG），利用雷射發射點把頂管機本體偏移量、應糾偏量和糾偏量等分別顯示在操作盤的電視屏上，便於糾偏和控制。

2）掘進機內傾斜儀感測器示蹤：通過機內的傾斜儀感測器，實時掌握掘進機的傾角和旋轉角度，以便及時糾偏和糾正偏轉角度。

3）雷射導向：由工作坑內的雷射經緯儀的雷射點射向機頭測量中心靶上，通過機內攝像頭把光點偏移量攝錄，並在地面TV顯示屏上顯示。以指導糾偏操作。

4）輔助糾偏導向裝置：對鋼管幕頂進，由於後續鋼管幕是焊接而成，僅依靠機頭糾偏導向，並不能較好地引導整體鋼管幕的順利直行。為此，在機頭後面緊跟三節過渡鋼管。管節之間採用F形管的接頭形式，並安裝楔形橡膠止水帶。在接頭處還設定拉桿裝置和防偏轉裝置，使得鋼管幕既滿足軸線控制要求，又不致產生旋轉而使鎖口不能正確相接。

5）糾正偏轉角度：當掘進機顯示出偏轉角度以後，可以通過變換刀盤旋轉方向和在機頭內單側設定配重的方法糾正。

2.鋼管幕進、出洞口措施

土體加固：對工作井進、出洞段的軟土進行加固，可採用注漿加固或者水泥攪拌樁，加固後的土體強度在0.8～1.0MPa左右。

3.鋼管鎖口密封止水措施

鋼管幕頂進前，在機頭和鋼管二側加設注漿孔。鋼管幕頂進過程中，通過注漿孔向鎖口部位和管道外壁壓注觸變泥漿，一是減少鎖口對土體的擾動，二是減少鋼管幕的推進阻力和地表變形。鋼管幕頂進後。要及時利用注漿孔對觸變泥漿進行固化處理。固化材料選用純水泥漿。減少地面沉降。固化過程中應按順序進行，還應嚴格控制水泥漿的注漿壓力和注漿量。

4.鋼管幕頂進順序

為了減小鋼管幕施工次序對地表沉降及管幕變形的影響，採取先頂進底排管幕再頂進上排管幕的施工工藝。

5.鋼管幕形成後，應在管幕內全部壓注低強度等級混凝土。壓注前應在管幕尾端設定排氣孔並在管幕內的上部預置注漿管，以便對管幕上部的空隙進一步壓注水泥砂漿，使管幕內的空隙充滿固體。

二、箱涵頂進施工要點（圖5）

圖5 箱涵頂進圖

1.箱涵進、出洞技術

1）進出洞口土體加固：為保證箱涵出洞過程。土體穩定性，必須對工作井外側土體進行加固根據穩定性計算結果確定加固範圍。

2）洞口管幕梁製作：在推進面上的支撐拆除前，應把全部鋼管幕與上部混凝土支撐連成一體，形成鋼筋混凝土管幕梁，應對管幕梁的橫向跨度進行驗算，必要時設定中間支撐點。

3）洞口止水裝置：密封止水裝置設在管幕樑上。應充分考慮箱涵外輪廓特點，設定雙道止水，以保證洞口止水效果。

4）格線工具頭安裝：格線工具頭的開口率及入土深度根據維持開挖面穩定性要求確定。格線由縱橫樑形成空間井字結構，前端設定切口，由型鋼和鋼板焊接而成，現場拼裝。

5）地下連續牆拆除：採用分層分塊爆破拆除和人工風鎬拆除相結合的方法，縮短拆牆時間，提高拆牆安全性。

6）箱涵進洞前，應對格線工具頭及後續箱涵外側的泥漿進行固化處理，防止泥漿竄流到開挖面。

2.特種複合泥漿壓注工藝

1）注漿管路

在箱涵沿縱向每隔約6米設定一注漿斷面，沿橫向在對應管幕鎖口之間設定注漿孔，注漿斷面通過支管與注漿總管相連，注漿支管埋在箱涵結構內，以防過往的運土車壓壞。

2）注漿施工

注漿材料應選擇觸變性能良好，黏度高，不易流動的材料。注漿施工應定點、定量、定壓力進行。注漿壓力應能支托上排管幕和土體重量。

3.推進油缸布置

推進油缸的數量由推進阻力計算後，布置在箱涵底板處。為便於糾偏和控制，油缸沿箱涵中心線分組對稱布置。

4.箱涵的姿態控制

1）箱涵水平姿態控制

推進平台上設定導向墩使得箱涵基本保持直線推進；通過同步推進系統控制箱涵的水平姿態，根據行程儀感測器的顯示數據，通過計算機自動調整各組油泵的流量，使其滿足實時調整不同油缸的頂進速度，實現平面姿態同步推進。

2）箱涵高程姿態控制

通過改變注漿量和開挖面不同的挖土工況調節高程姿態。一般適量挖除底排格線內土體，可使箱涵切口下傾，不挖土的擠土推進可使格線上抬。

5.維持開挖面穩定性措施

開挖面穩定性由經過專門設計的格線工具頭保證。箱涵預製期間，格線採用封門板封住，增加穩定性，減小地面沉降。

6.箱涵頂進引起的地表變形

1）控制箱涵和管幕之間的建築空隙是減少地表變形的重要措施，此間隙宜適當減小。

2）利用格線擠土工藝使地面變形得到有效控制，調節和控制擠土速度和挖土量，取得合適的施工參數。

3）加強泥漿壓注，通過泥漿壓力支撐上部土體。

7.泥漿固化工藝

當箱涵推進結束後，注入純水泥漿，在箱涵周圍形成水泥漿套承擔上部荷載。

8.施工監測

箱涵推進施工中，需對地表變形、箱涵應力、箱涵姿態實時監測。在箱涵預製期間，每天監測一次，推進期間，每推進50厘米監測一次。

材料設備

《軟土地層大斷面管幕—箱涵推進工法》鋼管幕頂進及注漿施工的主要設備見表1、表2，箱涵頂進主要設備見表3。

表1 鋼管幕頂進施工的主要設備

序號	名稱	規格	數量
1	SJ型泥水平衡頂管掘進機	D800	8台
2	泥水管路系統	D1000	8套
3	注漿管路系統	G1"	8套
4	主頂進系統	╱	8套
5	鋼墊塊	╱	8套
6	鋼導軌	╱	8套
7	龍門吊	20噸×5噸	2台
8	雷射經緯儀	╱	8台
9	水準儀	╱	8台
10	低壓配電系統	╱	8套

表2 鋼管幕鎖☐注漿的設備

序	名稱	規格	數量
1	液壓注漿泵	SYB50/50	2台
2	壓漿軟管	G1"	300米
3	泥漿攪拌機	5M200	1台
4	貯漿簡	2立方米	1隻

表3 箱涵頂進施工主要設備

序號	名稱	規格	數量
1	格線工具頭	34.2米×7.85米×1.3米	1台
2	主頂液壓油缸	2500千瓦×1700千瓦	112台
3	主頂液壓泵站	╱	10台
4	液壓注漿泵	SYB50/50	13台
5	泥漿混配系統	M2000	2台
6	貯漿筒	5立方米	13隻
7	注漿管路	G2"	2000米
8	龍門吊	20噸×5噸	2台
9	履帶式挖掘機	0.6立方米	4台
10	土方車	15噸	4台
11	頂塊	1.4米×1.5米×2.4米	165塊
12	軸流風機	╱	2台

質量控制

一、《軟土地層大斷面管幕—箱涵推進工法》應執行《給水排水管道工程施工及驗收規範》GB 50268—97；《建築鋼結構焊接技術規範》JGJ 81—2002、5218—2002、上海市工程建設規範《市政地下工程施工及驗收規範》DGJ 08—236—1999、上海市標準《市政排水管道工程施工及驗收規程》DBJ 08—220—96，除此以外，在施工中還應滿足以下質量標準：

1.鋼管幕頂進的高程和中心偏差控制在±3厘米以內，鋼管幕偏轉角度控制在士2℃以內。

2.箱涵頂進的高程和水平偏差在±5厘米以內。

3.箱涵頂進的地表降起控制在3厘米以內。沉降控制在4厘米以內。

二、《軟土地層大斷面管幕—箱涵推進工法》在施工中還應加強現場管理：

1.技術管理

成立由技術員組成的施工技術組，由技術總工負責，具體職責為：監督施工參數的實施、根據施工情況及時調整施工參數；處理施工中出現的異常情況。

2.質量管理

成立由操作班長和質量員組成的質量組，由質量工程師負責，具體職責為：建立質量安全保證體系和方針目標工作流程圖。嚴格檢驗各工序，尤其是對隱蔽工程，必須同監理工程師配合、嚴格檢查，每道工序均需簽字驗收後方可進行下道工序施工。嚴格各項施工材料合格證的把關制度。

安全措施

採用《軟土地層大斷面管幕—箱涵推進工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

1.嚴格遵照國家頒發的《建築安裝工程安全技術規程》。

2.建立安全管理組織，以項目經理為現場安全保證體系第一責任人的安全領導小組。

3.加強標準化安全電箱管理。頂管機及箱涵內部照明用電應使用安全電壓；施工現場照明設施標準化；施工現場電纜線路敷設規範化，嚴禁隨地鋪設。

4.施工現場必須實行動火申報制度。嚴格執行"十不燒"規章制度，動火必須具有"二證一器一監護"才能進行。

5.在吊車行走路線上不得有任何電源線。

6.定期檢查高壓油管及接頭的安全性，防止爆裂傷人。

7.電焊等各操作人員按操作程式進行，嚴防違章操作。

環保措施

《軟土地層大斷面管幕—箱涵推進工法》的環保措施如下：

一、應執行以下規範

1.上海市工程建設規範《地基基礎設計規範》DGJ 08—08—1999。

2.上海市工程建設規範《基坑工程設計規程》DGJ 08—61—97。

3.《上海捷運基坑工程規範施工規程》SZ—08—2000。

二、鋼管幕頂進環保措施

1.應採用泥水平衡頂管掘進機施工，地表變形應控制在±5毫米以內。

2.每根鋼管幕頂進後，應及時對鋼管外壁觸變泥漿用水泥漿進行固化處理，以減少鋼管幕的後期沉降值。

3.在鋼管幕頂進後，要及時對鎖口位置壓注水泥漿以形成封閉的水平鋼管幕、切斷管幕內外的滲水通徑。為下一步箱涵推進創造條件。

三、箱涵頂進的環保措施

1.箱涵格線工具頭的設計應根據不同的地質條件進行，應能維持開挖面的土壓穩定性。

2.箱涵與管幕之間的建築空隙要合理。在工藝許可的條件下應力求減小此空隙，以減小地表變形。

3.在箱涵推進後，應在出洞口安裝可靠的止水裝置。

4.在箱涵推進過程中，應在鋼管幕與箱涵之間建立具有一定壓力的完整觸變泥漿潤滑套，進一步控制地表變形。

5.在箱涵推進後，應對建築空隙的觸變泥漿及時進行固化處理。

四、監測措施

1.在鋼管幕頂進過程中，在地面應設定沉降監測點，所測數據要及時反饋，用信息化施工手段最佳化推進參數。

2.在箱涵頂進過程中，一是在上排鋼管幕內設定水平測斜管，及時掌握上排鋼管幕的變形情況，以便調整箱涵推進參數。二是在地面上設定沉降監測點，及時反饋地表變形數據，以指導箱涵推進。三是在箱涵格線開挖面設定土壓力計，通過正面土壓力的監測數據來調整挖土方法。

效益分析

《軟土地層大斷面管幕—箱涵推進工法》的效益分析如下：

1.與日本等中國之外在軟土地層從事管幕法隧道施工相比較，由於中國之外通常要對管幕內軟土進行水平加固。所以，該工程的此項加固費用就節約了近4000萬元人民幣。具有良好的經濟效益。

2.鋼管幕切斷了管幕內外的水土聯繫，同時上排管幕分擔了部分上覆土體的重量，同時採取了合理的施工技術，該工法能減小地表變形，從而保護周邊環境，產生良好的社會效益。

3.《軟土地層大斷面管幕—箱涵推進工法》還縮短了建設周期。

註：施工費用以2005-2006年施工材料價格計算

套用實例

《軟土地層大斷面管幕—箱涵推進工法》的套用實例如下：

上海市中環線北虹路下立交工程是中環線的重要組成部分。其軸線基本呈南北走向，沿虹許路穿越虹橋路、西郊賓館接入北虹路，為大斷面長距離淺埋式地道工程，全長為126米，箱涵斷面尺寸為34.2米×7.85米。管幕段由80根ф970，壁厚10毫米帶鎖口的鋼管呈"口"字形組成，相鄰鋼管間採用鎖口連線。管頂覆土厚度約4.5米。管幕內箱涵結構外包尺寸為34.2米×7.85米，其側牆厚1米，中隔牆厚0.8米，頂板厚1.3米，底板厚1.4米。

管幕和箱涵位於③₁灰色淤泥質粉質黏土和④灰色淤泥質黏土層，為飽和軟土。含水量大、承載力低、滲透係數小。

箱涵所需穿越的虹橋路為交通主幹道，車流量很大。虹橋路下的地下管線複雜，其中有直徑1200毫米的上水管。西郊賓館又是高級賓館區，對地表變形要求較高。施工中地表允許變形量：隆起30毫米以內，沉降50毫米以內。

2004年3月上海市第二市政工程有限公司採用管幕一箱涵推進工法施工，2004年8月成功地進行了80根長度為126米的鋼管幕頂進施工。2004年10月開始推進第一節箱涵到2005年4月完成8節箱涵的分節製作、養護和推進。箱涵長度為126米，箱涵斷面外包尺寸為34.2米×7.85米。順利地穿越了虹橋路和西郊賓館。地表變形控制在容許的範圍內，地下管線和地面建築未受影響。

榮譽表彰

2008年1月31日，中華人民共和國住房和城鄉建設部發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》建質[2008]22號，《軟土地層大斷面管幕—箱涵推進工法》被評定為2005-2006年度國家一級工法。