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1、管幕法箱涵頂進(jìn)施工工藝簡介
隨著城市化的進(jìn)程不斷加快，地下空間資源越來越緊張，如何開發(fā)和利用城市地下空間成為當(dāng)今世界各大城市一致的發(fā)展問題。然而，在城市采用明挖法建造隧道會(huì)對(duì)城市交通、市民正常生活帶來嚴(yán)重影響，為減少對(duì)城市環(huán)境的影響，現(xiàn)多采用盾構(gòu)法進(jìn)行隧道施工。但對(duì)于大斷面、短距離的隧道(如下立交公路)而言，采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工顯然得不償失。故對(duì)于一些不可能采用明挖法施工、采用盾構(gòu)法又不經(jīng)濟(jì)的特殊隧道，可采用一種新的施工方法--管幕施工法。
管幕施工法以單管頂進(jìn)為基礎(chǔ)，各單管間依靠鎖口在鋼管側(cè)面相接形成連為一體的管排，并在鎖口相接處預(yù)先涂布潤滑止水漿液，此漿液最初可起到減小單管頂進(jìn)摩擦阻力的作用，在頂進(jìn)結(jié)束后會(huì)遇水固結(jié)封閉單管之間的滲水途徑。管排頂進(jìn)完畢后，形成管幕(見圖1)。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面構(gòu)造形式及地質(zhì)條件，管幕可形成多種形狀，如半圓形、圓形、口字形等。管幕由相對(duì)剛性的鋼管形成的臨時(shí)擋土結(jié)構(gòu)，可減少開挖時(shí)對(duì)鄰近土體的擾動(dòng)并相應(yīng)減少周圍土體的變形，達(dá)到開挖時(shí)不影響地面活動(dòng)，并維持管幕結(jié)構(gòu)上部建筑物與管線正常使用功能的目的。
管幕施工法作為利用小口徑頂管機(jī)建造大斷面地下結(jié)構(gòu)的施工工藝，國外已有20多年的發(fā)展歷史，在日本、美國等國家應(yīng)用于穿越道路、鐵路、機(jī)場(chǎng)等形成的隧道，都取得了不錯(cuò)的效果。該施工工藝適用范圍較廣，從已有的工程實(shí)例來看，它適用于回填土、砂土、粘土等各種地層，應(yīng)用前景十分廣泛。
上海市中環(huán)線虹許路－北虹路下立交工程是中環(huán)線西段的一個(gè)重要工程節(jié)點(diǎn)，下立交道路規(guī)模為雙向八車道。本工程有如下要求：①虹許路、北虹路之間約有125m長的距離穿越西郊賓館；②該區(qū)域不能明挖；③對(duì)地表變形控制有嚴(yán)格的要求?；谏鲜鲈颍O(shè)計(jì)人員采用管幕施工工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，此工程為世界上飽和含水軟土地層中施工的最長最大的管幕法工程。
以往管幕作業(yè)完畢后，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始施工前，應(yīng)對(duì)管幕內(nèi)土體先進(jìn)行加固處理，以保證在結(jié)構(gòu)高度范圍內(nèi)的土體能自立穩(wěn)定，隨后在內(nèi)部邊開挖邊支撐，直至管幕段完全開挖貫通，再澆注主體結(jié)構(gòu)。而本工程采用特殊設(shè)計(jì)的網(wǎng)格工具管及其它監(jiān)控措施來保證開挖面的穩(wěn)定，以管幕一箱涵頂進(jìn)施工工藝來完成125m長的非開挖段下立交工程。此工藝無須對(duì)土體進(jìn)行加固，且省略了支撐系統(tǒng)，可大幅度降低工程造價(jià)、加快施工進(jìn)度，具有顯著的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。
2、管幕法箱涵頂進(jìn)施工工藝的防水設(shè)計(jì)
箱涵頂進(jìn)施工過程中，整個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的防水設(shè)計(jì)處于十分重要的地位。防水重要節(jié)點(diǎn)主要包括箱涵間接縫防水、箱涵中繼間防水、箱涵出洞防水等內(nèi)容。
（1）箱涵間接縫防水
最初的設(shè)計(jì)中，箱涵接縫采用誘導(dǎo)縫的設(shè)計(jì)思想，即接縫處僅部分鋼筋連通，縫間設(shè)置中埋式止水帶、遇水膨脹橡膠條，形成兩道兜繞成環(huán)的封閉防水線，另頂板、底板、側(cè)墻增設(shè)剪力桿，以提高箱涵之間的抗剪能力(見圖2)。但在第二節(jié)箱涵頂進(jìn)結(jié)束后，施工現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)異常情況：網(wǎng)格工具管切口姿態(tài)下傾，地面沉降明顯增大，箱涵所需頂力明顯變大。
經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，底排管幕下方的土體強(qiáng)度過低為造成網(wǎng)格工具管切口下傾的主要原因。經(jīng)過與施工單位的協(xié)商討論，將隨后的箱涵接縫由半剛性(誘導(dǎo)縫)接頭設(shè)計(jì)更改為柔性(變形縫)接頭設(shè)計(jì)。接頭防水設(shè)計(jì)形式也做相應(yīng)變更，設(shè)計(jì)人員在此借鑒了“F”型承插式頂管接口模式的設(shè)計(jì)思想，于箱涵接縫處安裝鋼套環(huán)，鋼套環(huán)與前后節(jié)箱涵接縫處分別設(shè)置成環(huán)的預(yù)埋式注漿管與遇水膨脹橡膠條，以達(dá)到鋼套環(huán)與前后節(jié)箱涵之間接縫的水密性要求。另外，前后節(jié)箱涵間接縫設(shè)置襯墊材料，以便有效傳遞后方頂力，并對(duì)箱涵端部混凝土起到保護(hù)作用。因箱涵頂進(jìn)線路有一定的高程糾偏要求，故選用松木板為襯墊材料。由于采用鋼套環(huán)作為接頭形式，箱涵擁有了一定的轉(zhuǎn)彎能力，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致箱涵間接縫張開量的增大。為保證此工況條件下的接縫防水要求，在接縫中除繼續(xù)采用可適應(yīng)一定接縫張開量的中埋式止水帶外，還增設(shè)了一道彈性橡膠密封墊，其材質(zhì)為三元乙丙橡膠與遇水膨脹橡膠的復(fù)合體，且采用開孔泡沫襯墊鋪設(shè)在彈性橡膠密封墊的兩側(cè)，其厚度與密封墊厚度一致。目的在于箱涵頂進(jìn)過程中，整個(gè)接縫面均勻受壓，不至于使頂力集中作用于密封墊上而對(duì)其造成損傷。因箱涵在施工現(xiàn)場(chǎng)制作完成，所以鋼套環(huán)與后澆箱涵接觸面之間設(shè)置了兩層瀝青油氈隔離層，以便后澆箱涵混凝土與鋼套環(huán)完全隔離，在頂進(jìn)過程中兩者皆不會(huì)因摩擦受損。鋼套環(huán)端頭與后澆箱涵的間隙也應(yīng)填充襯墊材料，以免混凝土澆搗時(shí)泥漿水流入空隙，進(jìn)而固結(jié)，影響頂進(jìn)(見圖3)。實(shí)踐證明，箱涵“F”型柔性防水接頭既可滿足一定的轉(zhuǎn)角要求，達(dá)到控制箱涵高程的目的，又可延長滲水路徑，同時(shí)通過設(shè)置多道防水線，滿足接縫水密的要求。
另外，在管幕段與箱涵之間應(yīng)灌注并形成觸變泥漿套，頂進(jìn)過程中可通過泥漿支護(hù)逐步使地面沉降得到控制。而泥漿套的形成，可大大降低推進(jìn)阻力，同時(shí)可通過設(shè)置中繼間的方式，保證足夠的施工頂力。
（2）箱涵中繼間防水
基于施工所出現(xiàn)的特殊情況，為了保證施工過程中有足夠的頂力推進(jìn)箱涵，在第四節(jié)箱涵與第五節(jié)箱涵的變形縫接頭處設(shè)置了中繼間。在箱涵頂進(jìn)過程中，中繼間的千斤頂對(duì)前一節(jié)箱涵起推進(jìn)作用。
因中繼間的設(shè)置，使箱涵接頭處在推進(jìn)過程中會(huì)產(chǎn)生20cm的特大間隙，且這種間隙處于不斷的變化中。而一般設(shè)置的變形縫中埋式止水帶雖可適應(yīng)一定的結(jié)構(gòu)變形，但其伸縮變形能力顯然無法滿足上述特大間隙的需求。
為此，設(shè)計(jì)人員最初考慮棄用止水帶類的防水模式，轉(zhuǎn)而采用“F”型承插式頂管接口模式應(yīng)用于有中繼間的箱涵變形縫處。在箱涵制作過程中，前后箱涵鋼套環(huán)接頭空隙處預(yù)設(shè)兩個(gè)氣囊，氣囊的材質(zhì)為橡膠。待箱涵制作完畢開始頂進(jìn)前，充氣或充水于氣囊中，使其膨脹進(jìn)而封閉箱涵與外界間的滲水通道。在箱涵頂進(jìn)過程中，氣囊雖然受到外側(cè)鋼套環(huán)的擠壓而變形，但仍可保持良好的密封防水性能。另外為加強(qiáng)此接頭處的防水功效，在兩氣囊之間可增設(shè)油脂注入管，通過氣囊充氣后形成的空隙內(nèi)注入油脂的方法，進(jìn)一步保證了箱涵接頭處的防水密封性(見圖4)。但上述防水措施要求氣囊材質(zhì)具有良好的耐磨性能，目前一般采用在橡膠中襯入帆布、尼龍等材料的方法來達(dá)到耐磨要求，但此類材料的應(yīng)用又約束了氣囊體積的最大充氣膨脹功能。而材料本體是否適合應(yīng)用于本工程中，還應(yīng)通過試驗(yàn)加以檢測(cè)。
由于本工程工期緊張，且對(duì)氣囊類材料的選擇存在不定因素，設(shè)計(jì)人員最后決定放棄上述氣囊止水模式，在采用承插式頂管接口模式基礎(chǔ)上，代之選用OMEGA類橡膠止水帶。此類止水帶目前應(yīng)用于地鐵車站與出入口通道所設(shè)變形縫中和沉管隧道管段柔性接縫中。因其斷面構(gòu)造形式的特點(diǎn)，它完全可滿足接縫張開20cm特大間隙處的防水要求，且通過止水帶兩側(cè)水平端部的齒牙及兩端凸緣與混凝土之間的咬合，可達(dá)到封閉滲水路徑的目的(見圖5)，故最終選擇了設(shè)置OMEGA橡膠止水帶作為有中繼間箱涵變形縫處的主要防水措施。從實(shí)際使用效果來看，中繼間變形縫仍存在局部的滲漏現(xiàn)象，經(jīng)分析與OMEGA止水帶構(gòu)造形式有關(guān)。雖然此類止水帶可適應(yīng)較大的接縫變形，但其兩側(cè)水平端部長度較短，且端部齒牙及凸緣斷面尺寸較小，加上止水帶下部的混凝土振搗密實(shí)性較差，故較易產(chǎn)生滲漏水。今后若仍選用此類止水帶作為中繼間變形縫的防水線，宜對(duì)止水帶形式加以改進(jìn)，如采用鋼板與橡膠相結(jié)合的復(fù)合型止水帶，一方面可延長滲水路徑，另一方面可通過鋼板與混凝土的良好咬合力，達(dá)到密閉防水的功效(見圖6)。另外，接口鋼套環(huán)與混凝土結(jié)合面同樣應(yīng)設(shè)置兜繞成環(huán)的遇水膨脹橡膠條，前后節(jié)箱涵鋼套環(huán)接頭空隙處應(yīng)填充泡沫墊塊，而頂進(jìn)箱涵之間應(yīng)設(shè)置襯墊材料。
?。?）出洞防水
出洞防水也是此工程中重要的防水環(huán)節(jié)，為加強(qiáng)箱涵頂進(jìn)出洞防水措施的嚴(yán)密性，箱涵與工作井接頭防水采用雙道的鉸鏈型密封壓件與簾布橡膠圈組成防水裝置。雙道鉸鏈型密封壓件之間以止水箱體相連接，止水箱體為一整體密封構(gòu)件，可通過箱體上的注漿孔灌注防水砂漿與壓注堵水材料，以加強(qiáng)兩道出洞防水裝置之間的止水效果。
