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软土地区管幕法箱涵顶进施工技术
作者：佚名  来源：广东建设工程信息网  发布时间：2007-1-13 10:42:13
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    管幕法是利用顶管机建造大断面地下空间的施工技术，是一种新型的地下暗挖技术。其原理是以单根钢管顶进为基础，各钢管间依靠锁口相连，并在锁口处注入止水剂，形成密封的止水帏幕。采用管幕法时，由于开挖土体或者推进箱涵是在管幕的保护下进行的，因此，可以显著减少地面沉降和增加施工时开挖面的稳定性，同时，由于管幕具有隔离地下水的作用，故施工时无需降低地下水位。本文详细讨论了有关软土地区管幕法箱涵顶进施工技术以及箱涵推进施工技术。   
一、管幕顶进施工技术   
（一）顶管进出洞技术措施   
1、土体加固   
    当在软弱土地区进行施工时，由于管幕段所处的土层基本为流塑状的土，含水量大，强度低，为保证管幕钢管进出洞时洞口的稳定性及防水要求，避免软弱土体及地下水涌入工作井内，造成地表沉降，同时为增加始发井后靠土体的稳定性，需要采取土体加固的措施。土体加固要求为：   
（1）土体加固、改良后的土体的无侧限抗压强度需大于1.2MPa。但也不能太高，以免造成顶管顶进时顶力太大，影响顶进精度。   
（2）加固范围按3米考虑。加固过程中，应对地表进行跟踪监测，地表隆起应控制在20毫米以内。   
2、顶管出洞技术措施   
（1）出洞施工   
    在出洞施工之前，需要通过开观察孔等手段，确认加固后的土体的止水性达到设计要求，防止由于加固效果不良，导致洞口泥水涌入。若土层加固未达到设计要求，则需要进行二次加固处理，直到确认安全后，才可进行顶管的出洞施工。   
    为防止掘进机出洞时发生磕头现象，可采取如下措施：调整后座主千斤顶的合力中心，出洞时加密对掘进机偏差的测量，一旦发现有下磕的趋势，立即用后座千斤顶进行纠偏。   
（2）洞口止水装置   
    在软粘土及淤泥质粘土地区，地下水也是管幕施工的一大影响因素。对于高地下水位地区，为避免推进过程中的涌水及涌砂现象，应尽可能选用具有水密性的推进机头，或在推进进行的过程中进行止水灌浆。为有效地防止地下水、润滑泥浆流入工作井内，需要设置有效的洞口止水构造。   
3、顶管进洞技术措施   
    在机头将要达到接收井时，要精确测出机头姿态位置，尽量满足橡胶法兰与机头同心的要求。在顶管结束后，顶管首节与尾节和井壁预埋钢环连接，并作密封处理。   
（二）管幕渗漏的防治   
    虽然在开挖前，管幕接口间压注过高分子浆液，但随着开挖的进行，管幕接口仍然可能渗漏。此时，根据渗漏点的部位应分别采取措施：   
（1）渗漏点在已开挖的部位：此时用电钻在连接口部位穿孔，直接压注油溶性聚氨酯。也可以采用钢板封堵后压注聚氨酯。   
（2）渗漏点在开挖部位前方：派人乘小车进入钢管，在预定部位压注聚氨酯浆液。如果发生在侧壁且深度较大，视情况可以在地面振管注浆。值得指出的是，为保护地面绿化，管幕以上土体不容许注任何浆液。   
（三）触变泥浆减阻   
    顶进施工中，触变泥浆的应用是减少顶进阻力的重要措施。顶进时，通过顶管机铰接处及管节上预留的注浆孔，向管道外壁压入一定量的减阻泥浆，在管道四周外围形成一个泥浆套，减少管节外壁压入一定量的减阻泥浆，从而减少顶进时的顶力。泥浆套形成的好坏，直接关系到减阻的效果。   
（四）钢管焊接   
    为提高焊接质量与焊接速度，可以采用管道自动焊接技术，以人工焊接为辅，自动焊接为主。   
由于管幕钢管的厚度较厚，管节头部设单面坡口，尾部不设坡口，这样管节顶进时不会减少受力面积，坡口采用45°。   
    管节吊下井后，先进行拼接。拼接时，在前一节管节尾部烧焊几个“搭子”，通过在搭子中打入铁楔，可将后一节管节头部整形，使之与前一节尾部能相连接。拼接时，前后管节间应留1～2毫米的空隙，利于烧焊牢固。   
（五）管幕顶进后的处理措施   
（1）置换触变泥浆   
    当相邻两根钢管顶进结束后，进行触变泥浆的置换。置换材料选用纯水泥浆，以便有足够的连接强度。置换过程按顺序进行，通过回流孔将触变泥浆完全排入钢管内。置换时，需要严格控制水泥浆的注浆压力和注浆量。   
（2）钢管锁口止水处理   
    为了防止箱涵顶进时，不发生渗漏泥水的现象，在触变泥浆置换完成后，要利用预留的注浆孔向锁口部位压注聚胺脂浆。同时，要预留足够的跟踪注浆孔，以便在箱涵顶进过程中对局部渗漏点进行二次注浆。   
（3）钢管混凝土填充   
    在箱涵顶进前，在管幕部分钢管内进行无收缩、免振捣混凝土填充，以加大管幕纵向的刚度，和避免管幕局部出现应力集中而屈服。   
（4）钢管端部与工作井的连接   
    浇注混凝土后，将钢管的口部焊接封闭，再用钢板与连续墙预留钢板焊接，连为一体。   
二、箱涵推进施工技术   
    在软弱粘土中进行大断面的箱涵顶进施工，由于施工难度很大，可结合工程具体情况，采用管幕法箱涵顶进的施工方案。   
    目前，国外应用较多的大断面箱涵顶进施工工法主要有FJ工法和ESA工法。FJ工法通过钢绞线把两侧箱涵连接在一起，通过后面的串芯油缸或者中继间千斤顶交替牵引两侧的箱涵，或者设置反力壁安装钢绞线，箱涵一侧牵引推进；ESA工法则完全依靠箱涵自身的反力推进。   
    以上两种工法的主要特点都是先挖土后推进，因此，前方土体必须加固以保持工作面的稳定，同时，箱涵推进时需要开挖导坑，布设轨道；还需要很大的场地来制作箱涵；但无需反力后背及反力架；箱涵分节推进，总的推进力较小，减少千斤顶和钢绞线的数量，可靠性较高。   
    国内应用较多的是箱涵顶进工法，该工法工艺简单，技术相对成熟，但是后靠土体需要加固，而且后靠结构容易失稳。当由于道路的限制，不可能提供很大的预制场所；同时限于工程造价，管幕内的土体也不加固，所以导洞也无法施工。此时，箱涵有四种方案可供选择：推进工法、牵引工法、推拉结合工法和有中继间的推进工法。

城市大型地下空间结构顶进施工法
【摘要】本文提出了城市大型地下空间结构施工的板、墙、柱顶进施工工法。同时指出该工法具有较好的技术经济性和施工实用价值。井以地铁五号线灯市口车站主体结构施工为例，从施工方法、施工工序、以及工期和造价等方面介绍了板、墙、柱顶进施工工法的过程。
【关键词】顶进  箱涵  结构地下空间  板、墙、柱工法
1 引  言    
      随着城市化进程急速加快，城市人口高度集中，交通量迅猛剧增，有限的城市空间“负载累累”，城市环境问题日益严重。开发地下资源，建设地下工程，向地下要空间，已成为解决城市用地严重不足的一个发展趋势。一些专家曾预言，21世纪将是地下空间大发展的世纪。尽管人们已认识到超前规划，合理开发地下空间资源非常重要，但受近期经济发展的制约，地下工程总是首先从城市繁华地区或地段开始建设。因而，开发城市地下工程暗作施工技术是加快地下工程建设的重要途径之一，也是我们土木工程建设者的—个重要任务。目前暗作施工法一般有矿山法、顶管法、盾构法等等，但按每个工程项目所在的地区与特点又派生出浅埋暗挖法、PBA法、钻爆—顶管复合隧道施工法、盖挖法等各具特色的施工方法。随着城市地下空间的深度开发，为有效的利用地下空间资源，大深度、大断面的地下工程不断被设计人员所采用，并成为一种发展趋势。对于大型地下空间的施工而言，采用上述单一工法，技术上或经济上总有一定局限性，应研究在现有技术水平的基础上，经过技术扩展，可进行大型或超大型地下空间的施工方法。
      日本是开发地下空间较超前的国家之一，在20世纪80年代末期，仅地下商业街的使用面积就已超过82万平方米，地下工程施工技术相当发达。20世纪90年代，笔者在日就职期间参与过采用“管棚法”技术施工大断面隧道的施工管理(该隧道开挖面积约90平方米，长度近100m）。此外，还跟随原在日本国铁研究所工作过的著名盾构专家植野老先生(现已去世)，共同研究过利用小型矩形盾构施工大型地下空间的施工技术。此项技术现经日本其他企业研究和开发，已应用到实际工程中。如东京高速川崎纵横线KJ125工区(B，C)通风道即采用该工法(Multi-MicroShieldTunnel简称MMST工法)施工。其过程可简述为采用纵横各一台小型矩型多刀盘盾构机，先施工通风道框架结构，再挖弃通风道框架结构内土体，最后完成通风道施工。小型矩型多刀盘盾构机刀盘外形和“MMST工法”施工顺序示意图如下。

      采用“MMST工法”可施工超大型地下空间建筑，是大型地下工程暗作施工的—个好工法，特别是节点处理技术构思极为巧妙。但是该工法设备投入过多，施工占地面积大，而且地下空间结构断面不足够大时，经济性不理想，因而目前在我国较难推广。
      笔者由日本回国后，一直没有放弃对城市地铁车站、地下存车场、地下商场以及地下影剧院等大型地下空间暗作施工工法的研究。一个具有生命力的地下空间结构暗作施工工法，必须是技术超前可行，施工安全可靠，经济符合国情。针对北京地铁五号线和四号线均位于城市繁华地区，掘胭难，地面交通和商业活动干扰严重，而车站(隧道也如此)埋深不大，地下水位较低等特点，笔者提出车站暗作施工的板、墙、柱顶进施工工法的设想。认为采用此工法施工地铁车站有较好的技术经济性，符合我国国情。
2  板、墙、柱顶进施工工法概要
2．1  板、墙、柱顶进施工工法概述及工法特点
      板、墙、柱顶进工法吸收了“管棚法”和日本“MMST工法”的原理及节点处理技术，利用“顶管技术”施工设备小巧灵活，操作简便的特点，同时引入地面建筑物结构受力体系的一些概念与技术，拓宽了暗作法施工地下空间结构的范围。此外，采用钢筋混凝土预制构件作为围护结构，大大提高了地下工程的施工质量。本工法的基本原理和做法是：采用顶进施工技术水平顶进顶板箱涵，构成顶板初期结构，进而在水平箱涵内垂直向下顶进箱涵(即边墙和中柱)，然后按梁板(井字梁)结构体系完成钢筋混凝土顶板结构施工。顶板和边墙、中柱均为刚结，共同组成空间结构受力体系。在此结构体系的支护下，挖弃结构内部土休和按内部分隔空间要求进行混凝土结构施工。顶进的箱涵采用节点处理技术施工(包括顶板与边墙结构)后形成的空间结构体系，在设计上考虑其能够承受初期和永久荷载，因此不需要在开挖土体之后再在边墙内侧及顶板底部施做内衬。奉工法具有以下特点：
    (1)结构体系受力明确，体系转换简单；
    (2)所有的顶进施工和开挖土体均在完整结构的保护下进行，故施工安全可靠；
    (3)工程质量易于控制，结构可靠性大大提高；
    (4)可避免对地面交通的干扰和减少对周边环境的影响；
    (5)虽然最终完成地下空间结构断面较大，但由于采用小断面顶进施工，地面沉降值较小；
    (6)施工设备投入较少，同时几乎没有废弃物，具有较好的技术经济性；
    (7) (6)施工设备投入较少，同时几乎没有废弃物，具有较好的技术经济性；
    (7)适合结构长度不大于300m、结构埋深不超过30m的多层多跨地下工程施工。
2．2  本工法所适用的结构体系
      如前所述，奉工法适用于多层多跨框架结构体系的施工，其一般结构体系见图7、图8。

2．3  本工法应用于实际工程的基本条件
      本工法是在下列几个基本问题均得到较好解决的基础之上提出的，可在实际工程中应用，并在实际施工中不断完善和提高。
    (1)整个空间框架结构体系的结构可靠性(含顶皈结构、墙体结构以及中柱结构)得到确认；
    (2)工程结构的防水陛能满足设计要求；
    (3)施工操作可行，即便于施工，施工效率高；
    (4)有较好的经济效益；
    (5)施工工期合理。

3 工程举例
为说明本工法的技术特点，现以北京市地铁五号线灯市口站车站主体结构施工为例，将本工法应用地铁暗挖车站的施工过程介绍于后。
3．1 工程基本参数设定
灯市口站位于北京市东四南大街中部，是北京有名的商业繁华地区之一。车站原设计为明挖法施工，后因商业、交通以及拆迁等原因，改为暗挖法施工。根据地铁五号线可行性研究报告，车站的基本参数设定如下：车站为岛式双层双跨框架结构，长180m，宽20m，建筑面积为7 200平方米。共设有4个出人口，2个通风道。平面布置与结构形式见图9、图10。
如车站结构示意图所示，地层分布由地面向下依次为杂填土、粉质粘土、中细砂、砂卵石。进— 步查资料可知地下水位大致位于轨顶以上1～2m，无承压水。
3．2，车站主体结构施工顺序及施工网络图
3．2．1 车站主体结构施工平面图
利用4个出人口作为工作竖井，先施工顶进水平导洞，利用导洞水平双向顶进顶板箱涵，然后在箱涵内垂直顶进边墙和中柱，同时在顶板箱涵内施工钢筋混凝土梁板结构(井字粱)，最后逆作首层楼板和底板混凝土结构。车站主体结构施工平面布置见图11。

灯市口车站主体结构板、墙、柱顶进施工工序示意图见图13。
3．2．4 施工网络图
灯市口车站主体结构施工工期为18个月，详见地铁五号线灯市口车站主体结构施工网络图，见图14。
3．2．5施工工力计划
施工总工力为33650工，详见工力需求计划图，见图15。
3．3 主要工序施工方法及简要说明
3．3．1工作竖井施工
选择车站出入口作为工作竖井，可最大限度减少地面拆迁和对路面交通、商业的干扰。同时竖井作为顶进顶板箱涵水平导洞施工和出土之用，竖井深度不超过6．0m即可满足要求。竖井的施工方法为目前北京常用的钢格栅喷射混凝土逆作法。
3．3．2水平导洞施工
水平导洞作为水平顶进顶板箱涵之用，必须满足顶进箱涵的需要(包括空间尺寸、结构受力等)。因此在考虑采用钢架喷射混凝土支护结构的同时，辅以“管棚法”增强结构承溯自力。水平钢管棚施工采用水平定向钻技术，管径为φ159。
3．3．3顶板箱涵水平顶进
顶板箱涵作为车站主体顶扳结构，要求满足以下4个条件：
(1)顶板最终结构既能承担施工荷载，又能承担永久荷载；
(2)便于顶板钢筋混凝土井字梁的施工；
(3)箱涵涵体之间经过节点处理之后，可确保顶扳不渗不漏，满足防水要求；
(4)钢箱涵内空间足够垂直顶进边墙和中柱之用。
本工法采用特为地下空间结构体顶进使用的专用顶进设备系统。该系统除设备紧凑，占用空间小之外，对涵体的制导及顶进涵体空间相互连接均有特殊的考虑和设计。顶板箱涵除边箱涵与中箱涵为钢结构外，其余箱涵均采用钢筋混凝土结构。箱涵纵向接口采用钢承口(即F型)接口形式。
3．3．4 垂直顶进边墙箱涵和中柱
边墙箱涵与中柱均在水平钢箱涵内部垂直向下顶进。由于地下水位较低，车站结构仅有不到3m的深度位于地下水位之下，故采用涵体内部降水的方法，随出土随降水。边墙结构与顶板同样要求必须不漏不渗，但其防水设计及施工要比顶板容易得多。边墙和中柱的纵向接口也采用钢承口接口形式。
3．3．5 首层楼板和底层底板混凝土施工
首层楼板和底层底板混凝土的施工皆为普通钢筋混凝土施工，技术上没有难点，仅需在与箱涵体预留口连接时加以留心即可。
3．3．6土体开挖
3.3.6 土体开发
由于土体开挖均在混凝土框架结构内部进行，给开
挖土体提供了很大自由度。实际施工时可根据施工组织需要，安排人工开挖或机械开挖均可。
3．4 车站主体结构工程造价估算
经测算，灯市口车站主体结构土建总费用为5147万元，折合每延米造价28．6万元。板、墙、柱顶进施工工法的实用价值
随着居住人口的急剧膨胀，为满足城市居民生活与工作的需要，除了轨道交通以外，北京还规划了大量的各种用途的地下工程。如“王府井”地区地下空间的开发规划，已进行到设计阶段。其单项工程的结构单元一般空间断面较大，且长度不大于200m，因而特别适宜采用本工法施工。此外，为最大限度地利用大型商业大厦的客流资源，一些有商业头脑的企业家已正在策划或正在实施利用商业大厦地下空间作为汽车专卖城。如西单明珠大厦已完成地下结构的土建改造并正在招商，可望近期正式营业。此类型大空间地下工程也比较适合采用本工法施工。可以预计，板、墙、柱顶进施工法将在以下施工领域得到广泛应用：
(1)地铁车站；
(2)地下交通枢纽；
(3)地下存车场；
(4)地下综合管廊；
(5)地下商业城；
(6)地下文化娱乐城；
(7)地下人防工程；
(8)地下物流中心。
对于城市大断面地下工程暗作施工，板、墙、柱顶进施工法的提出，为地下工程技术人员增加了一种新的途径。板、墙、柱顶进施工工法的特点是采用小断面隧道施做大断面地下空间的承载结构体，通过节点处理等技术，将其组合成稳定的地下空间结构支护体系，并在此支护体系下开挖结构内土体，最终形成完整的可供使用的工程结构。该工法对于城市繁华地区地下工程的施工有较强的实用价值，必将与其他城市暗作施工法在各自适宜的范围内得到应用和发展。

参考文献
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