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机场下管棚-箱涵顶进隧道施工沉降控制 1 管幕法顶进箱涵设计 作为道路穿越铁路和机场的非挖掘技术，该适用法律出现在1973年的日本卡武段铁路穿越铁路的通道项目中。欧洲长期以来一直采用这一法律，并在1979年开始在前首都庇护所地铁站建设。此后，它在香港、台湾、新加坡、马来西亚等国得到了广泛的发展和应用。在此基础上,结合箱涵顶进施工,日本研究开发出许多工法,如ESA(endless self-advancing),FJ(front jacking)工法等[3~6]。实测和理论分析结果均表明,具有一定刚度的管幕能显著减小地表变形和增加开挖面的稳定性[7~9]。 为解决机场货运与飞机滑行平交横穿的相互影响,借鉴管幕法顶进箱涵的施工经验和技术,首都机场西区L滑行道地下工程采用了长管棚支护“吃土顶进”施工工法顶进箱涵。一般情况下作为超前支护的管棚其长度均较短,多为10~45 m,如北京地铁五号线暗挖段管棚长度基本在60 m之内,上海虹许路立交地下通道管棚和箱涵顶进长度为126 m左右,已极为少见,而本工程超前管棚一次钻进长度和箱涵总顶进长度达148.3 m,在国内均为第一,属超长管棚–箱涵顶进施工,而且在施工过程中飞机不停航,目前也尚无先例。另外,箱涵顶进扎头现象一直是困扰工程界的难题,且在软土地层中极易发生。为解决此问题,本工程首次提出并采用了超前小导洞安装下滑道技术。 鉴于超长管棚–箱涵顶进施工工艺的新颖性,以及本工程施工环境的特殊性,为确保施工质量和飞机运行安全,本文对管棚–箱涵顶进施工过程进行了数值模拟和相关监测分析,重点对典型施工工况引起的地表沉降变形特征和规律进行研究和探讨,以期为工程顺利实施提供理论保证和技术支持。 2 项目背景 2.1 棚–箱涵顶进工法施工 北京首都国际机场下穿西区L滑行道箱涵顶进工程是当前首例在机场滑行道下不停航施工规模最大的顶进隧道,采用管棚–箱涵顶进工法施工,顶进箱涵与L滑行道轴线的平面夹角约45°,其平面布置情况如图1所示。 顶进箱涵和超前管棚长度均为148.3 m,管棚采用φ325 mm×10 mm螺旋钢管,大管棚下顶进箱涵断面尺寸如图2所示,顶涵过程中,箱涵顶部覆盖土层厚度沿箱涵纵向为3.5~6.2 m,穿越L滑行道时覆土厚为4.5~5.5 m。 2.2 项目的质量 该区土层主要有黄褐色人工填土、亚黏土、黏土、粉砂及细砂等,具体各地基土层物理力学性质见表1。 2.3 顶进扩挖现浇方式 箱涵顶进穿越滑行道纵剖面布置见图3。该工程采用南北工作坑双向分节顶进合拢施工方案,水平顶进坡度约为2.958%。首节箱涵长12.5 m,其他节箱涵长15.0 m,北区、南区工作坑分别顶进6节(87.5 m)和3节(42.5 m)箱涵,合拢段长6.7 m,北区最后一段曲涵(10.5 m)采取顶进扩挖现浇方式。 每2节箱涵间设1个中继间,即在底板、顶板和侧墙上设置镐窝,安放顶镐,顶进过程中以后节箱涵作“后背”,向前节箱涵施加并调整各顶镐顶力,中继间每次顶进20 cm后回镐,从而达到逐一顶进各节箱涵并调控其顶进姿态的作用。 顶进前对箱涵掌子面进行预注浆加固,顶进时顶板、底板和侧刃角均需吃土顶进,严格控制切土量,保持两侧刃角切土量不少于20 cm。边顶进边挖土,严禁超挖,挖土坡面控制在60°以内,先挖两侧后挖中间,形成向洞内凸入弧形。每顶进一镐,要对箱涵的中线和高程进行测量复核,根据偏差情况,随时调整挖土方法,确保箱涵顶进姿态控制。 2.4 进液压力及钻孔控制 管棚施工采用水平导向钻孔并回拖棚管的方法以保证施工精度。为控制地表隆起和沉降,钻进液的压力调至0.4 MPa以下。钻孔采取分级扩孔,控制孔径不大于380 mm,以减小土体扰动。在回拖拉管的同时进行管外环状注浆,以充填管皮与孔壁之间的间隙,同时,为提高管棚的承载能力,在搭设成的棚管中高压注入C30强度等级混凝土以提高其刚度。 2.5 有压注浆法降阻工程 本工程箱涵断面大,顶进时涵周摩阻力与刃脚正面阻力之和也很大,最大值约达2×105k N,在国内同类工程中很少见,如此大的顶力易顶裂箱涵,使后背失稳。为此,本工程特别选用了一种黏性保持时间长、遇水不分解、不向土中渗透且不干缩结硬的化学泥浆,采取有压注浆法,通过纵横布设连通的压浆管、阀系统注入涵周箱土界面作为润滑剂,使箱涵与土体之间摩阻力显著减小,同时亦通过调节注浆量及保持压力来稳定土体,控制滑行道道面沉降。实践证明,该方法降阻效率达60%~80%,为箱涵顺利顶进提供了重要条件。 通过降阻处理,箱涵入土后最大顶力不超过5×104k N,该工程利用工作坑底板及底板下部分地基来提供顶力。首先,用钢筋混凝土将后背梁与底板浇筑成整体,通过后背梁将顶力传递到底板;然后,通过底板下的地锚梁,将部分顶力传递到地基,这样就形成了后背梁、